整體式汽車轉(zhuǎn)向節(jié)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

?，帬q，汪韶杰，李旗號

(合肥工業(yè)大學(xué) a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院;b.汽車技術(shù)研究院，合肥 230009)

0 引言

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一，它的主要作用是承受汽車前部載荷，支承并帶動前輪轉(zhuǎn)向，其可以使汽車靈敏的傳遞行駛方向。由于轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車的行駛狀態(tài)下要受到多變的沖擊載荷，所以要求其具有很高的強(qiáng)度。

轉(zhuǎn)向節(jié)按節(jié)體和輪軸的組合方式，分為整體式和分體式兩種，整體式主要用于商用車(貨車)，分體式則主要用于乘用車(轎車)。由于轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于空間異性件，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工精度要求較高，且加工時無法直接精確定位，所以需要設(shè)計(jì)專用的夾具實(shí)現(xiàn)在加工過程中的準(zhǔn)確定位和夾緊。本文主要針對如圖1所示的整體式轉(zhuǎn)向節(jié)，提出合理的加工方案，并設(shè)計(jì)銑面鉆孔的夾具。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)加工工藝分析

本課題是為如圖1所示轉(zhuǎn)向節(jié)第二個工序所設(shè)計(jì)的夾具，在第一道工序加工完轉(zhuǎn)向節(jié)軸相關(guān)尺寸以及螺紋孔 M8和 φ12.3+0.180 的通孔所在平面后的工序，這一工序所需加工尺寸如圖2所示，主要加工尺寸有：2個M8的螺紋孔，有效螺紋深度為13mm，位置度要求為φ0.2;2個φ12.的通孔，位置度要求為 φ0.2;2個φ1的通孔，在基準(zhǔn)E下位置度要求為 φ0.1，A－B聯(lián)合基準(zhǔn)下的位置度要求為φ0.2，表面粗糙度要求為Ra6.3;銑φ12通孔所在的平面，表面粗糙度要求為Ra6.3。

圖1 整體式轉(zhuǎn)向節(jié)

2 轉(zhuǎn)孔銑面夾具的設(shè)計(jì)

2.1 定位基準(zhǔn)與夾緊方案的確定

由于在進(jìn)行此工序加工之前已經(jīng)完成轉(zhuǎn)向節(jié)軸相關(guān)尺寸以及螺紋孔M8和φ12.通孔所在平面尺寸的加工，所以選用尺寸為φ34.的軸段外圓面和螺紋孔M8和φ12.通孔所在平面做為精定位基準(zhǔn)，限制工件的4個自由度，同時利用轉(zhuǎn)向節(jié)長彎臂做為粗定位基準(zhǔn)，限制工件其余的2個自由度。該工序的夾具根據(jù)夾緊方案的不同，有兩種不同的結(jié)構(gòu)。

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)加工尺寸要求

(1)采用整體式結(jié)構(gòu)，通過一個鉸鏈連接的壓板進(jìn)行夾緊。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且裝夾工件迅速，可以有效地提高生產(chǎn)效率。但由于需要將轉(zhuǎn)向節(jié)從夾具的底部插入，使得夾具底部要留下足夠的空間，導(dǎo)致整個夾具的高度過高，不利于在加工中心上使用;

(2)采用翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，通過螺旋杠桿夾緊裝置進(jìn)行夾緊。這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)較為困難，投入成本較高。但所設(shè)計(jì)夾具整體高度比較適中，且裝夾工件也比較方便迅捷，可以有效地提高生產(chǎn)效率。

經(jīng)過綜合分析，考慮到翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)的尺寸更為合理，且可以很好地保證加工精度和生產(chǎn)效率的前提下，決定采用第二種設(shè)計(jì)方案。

2.2 夾具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的銑面打孔夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示，夾具主要由底板1、翻轉(zhuǎn)平板2、夾緊臂5、螺桿14、定位銷12、壓桿16等組成。底板1和翻轉(zhuǎn)平板2通過轉(zhuǎn)軸8連接，襯套3內(nèi)圓表面與轉(zhuǎn)向節(jié)φ34.9 0－0.013的軸段外圓面配合做為定位基準(zhǔn)，將轉(zhuǎn)向節(jié)裝入襯套3內(nèi)，通過夾緊臂5上的螺釘進(jìn)行粗定位，并用由螺桿襯套13、螺桿14、六角螺母15、壓桿16、螺栓17和墊片18組成的螺旋杠桿夾緊裝置夾緊轉(zhuǎn)向節(jié)。在確認(rèn)轉(zhuǎn)向節(jié)完全固定后，將轉(zhuǎn)向節(jié)和翻轉(zhuǎn)平板2以2個轉(zhuǎn)軸的軸心連線為轉(zhuǎn)軸中心旋轉(zhuǎn)180°，并用定位銷12定位，同時通過活節(jié)螺栓9和六角螺母10將翻轉(zhuǎn)平板2固定，整個裝夾過程完成。

圖3 銑面鉆孔夾具裝配圖

2.3 夾具結(jié)構(gòu)的三維建模

利用Pro/E對夾具的零件圖進(jìn)行三維建模，并且利用Pro/E中的虛擬裝配功能對夾具進(jìn)行虛擬裝配，虛擬裝配圖如圖4所示。通過三維建?？梢灾庇^的觀察所設(shè)計(jì)的夾具，使設(shè)計(jì)者可以更有效的了解空間情況，進(jìn)行空間布局，同時節(jié)省了對于零件的繪制時間，在實(shí)體修改時，裝配件可以隨實(shí)體位置變化而變化，而且不通過實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試就可在設(shè)計(jì)過程中檢測出零件之間是否存在干涉等問題?；谌S造型生產(chǎn)成本低、設(shè)計(jì)周期短的特點(diǎn)，所以在現(xiàn)今對設(shè)計(jì)后的夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模已經(jīng)逐步成為了主流。

3 夾具夾緊力與誤差分析計(jì)算

3.1夾具夾緊力的計(jì)算

夾緊的目的，是保證工件在夾具中的定位，不至于因加工時所受到切削力、重力或伴生力(離心力、慣性力、熱應(yīng)力等)的作用而產(chǎn)生移動或振動。夾緊裝置時夾具完成夾緊作用的一個重要而不可缺少的組成部分，夾緊裝置設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，對于提高夾緊的精度和工作效率、減輕勞動強(qiáng)度都有很大的影響。

圖4 銑面鉆孔夾具的虛擬裝配

由于轉(zhuǎn)向節(jié)體積較小。重量較輕，所以在計(jì)算夾緊力可以不考慮轉(zhuǎn)向節(jié)的重力，且在銑銷時所需夾緊力較小，所以主要考慮鉆銷時的夾緊力。在鉆銷時工件受力情況如圖5所示。

圖5 用壓板夾緊工件受力圖

(1)鉆銷所需夾緊力為：

式中，W—所需夾緊力(N);

k—安全系數(shù);

M—切削轉(zhuǎn)矩(N·mm);

f1、f2—夾緊元件、定位元件各自與工件接觸表面的摩擦系數(shù)。

由上式可知當(dāng)a值與夾緊力W成反比，所以為了獲得鉆銷時所需最大夾緊力應(yīng)該取最小的a值，即a=50mm，同時經(jīng)過查機(jī)械手冊取k=3.5，M=20.11N·m，f1=0.25，f2=0.16，帶入上式得：

(2)在夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用螺旋杠桿夾緊裝置，其受力情況如圖5所示，夾緊力W1按下式計(jì)算：

η—機(jī)構(gòu)的傳遞效率，此處取η=0.9;

Q—螺母壓力。

初選螺桿的直徑是M16，代入數(shù)值可得：

由(1)、(2)可知，W1＞W(wǎng)，所設(shè)計(jì)的壓緊結(jié)構(gòu)滿足所需夾緊力的要求，該結(jié)構(gòu)合理，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

3.2 定位誤差分析

在夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，定位誤差的計(jì)算是必不可少的一個環(huán)節(jié)，通常在夾具的設(shè)計(jì)當(dāng)中，都會利用定位誤差的數(shù)值來判斷所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否合理。在加工過程中，產(chǎn)生誤差的因素有很多，例如定位誤差、夾具誤差、安裝誤差、對刀誤差、加工方法誤差等，這些誤差之和不能超過工件的誤差要求。在一般情況下，為了保證加工精度，一般規(guī)定定位誤差不超過工件加工公差T的1/5～1/3，即：

式中，ΔD—定位誤差，mm;

T—工件的加工誤差，mm。

工件在夾具中定位時，產(chǎn)生定位誤差的主要原因是基準(zhǔn)不重合，而基準(zhǔn)不重合又分為兩個方面：一是由于定位副的制造誤差或定位副配合間隙所導(dǎo)致的定位基準(zhǔn)在加工尺寸方向上最大位置變動量，稱為基準(zhǔn)位移誤差，用ΔY表示;二是由于定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)不重合而產(chǎn)生的誤差，稱為基準(zhǔn)不重合誤差，用ΔB表示。定位誤差ΔD是基準(zhǔn)位移誤差ΔY和基準(zhǔn)不重合誤差ΔB的總和，即：ΔD=ΔY+ΔB。

(1)根據(jù)所設(shè)計(jì)的夾具結(jié)構(gòu)可知，工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)均為尺寸為φ34.90－0.013的軸段的中心線，所以基準(zhǔn)不重合誤差ΔB=0;

(2)如圖7所示，由轉(zhuǎn)向節(jié) φ34.90－0.013的尺寸和圖3中襯套3的內(nèi)孔尺寸φ34.9+0.0160可知：

式中，ΔY—基準(zhǔn)位移誤差，mm;

Dmax—孔的最大直徑，mm;

d0min—軸的最小直徑，mm;

δD—孔的最大直徑公差，mm;

δd—軸的最小直徑公差，mm。

圖6 螺旋杠桿夾緊機(jī)構(gòu)受力分析

圖7 基準(zhǔn)位移誤差

綜上所述，由(1)、(2)可知，

由于定位誤差小于加工誤差的1/5，所以該夾具的精確度可以保證零件的加工精度要求，可以實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)向節(jié)大批量、高效、高精度的生產(chǎn)。

4 結(jié)語

通過對夾具結(jié)構(gòu)及定位誤差的分析，可以看出該夾具適用于轉(zhuǎn)向節(jié)這種批量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間異型件的加工，在加工過程中，可以減輕操作者的勞動強(qiáng)度，并能提高生產(chǎn)效率及加工精度，對類似復(fù)雜零件的加工具有一定的指導(dǎo)性。

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