機械式變速箱中間軸加工中心自動化夾具設計

王漢斌，王衛(wèi)波

（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119）

引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對變速箱的環(huán)保性，高精度，低成本提出了更高的要求，高性能變速器的批量化生產日益受到重視。

目前現(xiàn)場使用加工中心夾具，存在著操作繁瑣，角向定位不準確的問題，不利于工件質量的穩(wěn)定和生產線自動化改造。本文闡述了現(xiàn)場夾具問題產生的原因，在此基礎上提出了自動化夾具總體方案，并對夾具關鍵結構進行了介紹，經批量驗證，自動化夾具效果穩(wěn)定。

圖1 加工中心鉆孔工序示意圖

1 現(xiàn)場夾具介紹及存在的問題

1.1 現(xiàn)場夾具介紹

如圖 1所示，加工中心鉆孔工序中，四個孔軸心距端面M的軸向尺寸AA、BB、CC、DD公差帶寬較窄，要求軸有很高的軸向定位精度；同時四個孔相對于K基準面的對稱度要求為YY，要求軸有較高的角向定位精度。其中K基準為II齒圈上雙“O”標記對應兩齒間齒槽在圖示D基準面上分度圓齒槽寬。

圖2 頭架頂尖座結構

中間軸通過浮動頂尖與尾頂尖來限制其軸線位置，通過端面定位來限制其軸向位置，通過對齒規(guī)來限制其角向位置，來保證軸有較高的定位精度。

端面定位與浮動頂尖集成在頭架頂尖座上，如圖2所示，當軸的M面與端面定位塊定位端面接觸時，壓縮浮動頂尖與頭架彈簧，浮動頂尖內縮。當零件取走時，在頭架彈簧力作用下，頂尖回復原位。其中端面定位塊與頭架頂尖座固定連接，二者之間無任何相對運動。當轉動中間軸時，需克服中間軸 M 面與端面定位塊之間的摩擦力，此時端面定位塊靜止，二者之間有相對滑動。

圖3 對齒規(guī)結構示意圖

對齒規(guī)結構如圖3所示，使用手動操作的方式，操作工撥動對齒規(guī)手動撥桿，使對齒規(guī)頂端插入中間軸II齒圈D基準的法平面，最后擰緊對齒規(guī)鎖緊螺母，來限制中間軸的角向轉動。

尾頂尖的驅動及工件支撐夾緊采用液壓驅動方式，機床自帶兩路液壓，其中一路用來驅動尾頂尖，一路用來夾緊工件。尾頂尖使用彈簧尾座，頂緊力大小與彈簧的彈性系數(shù)有關，頂尖使用莫氏3#頂尖，可更換。

每加工一件操作工需要完成以下操作：上料（手動）-尾頂尖頂緊（液壓按鈕）-對齒規(guī)頂緊（手動）-對齒規(guī)鎖死（手動）-工件夾緊（液壓按鈕）-開始加工（機床按鈕）-加工完成-對齒規(guī)解鎖（手動）-對齒規(guī)松開（手動）-松開夾緊（液壓按鈕）-松開尾座（液壓按鈕）-下料（手動）

1.2 存在的問題

1.當左右頂尖頂緊，對齒規(guī)伸入齒槽過程中，軸的角向轉動需克服M面與軸定位端面之間的摩擦力，造成對齒規(guī)形變，如圖 4（a），影響對稱度。當角向轉動阻力過大時，對齒規(guī)作用在齒面上的力F無法推動軸轉動，對齒規(guī)卡死如圖4（b），需操作工手動強制轉動軸來協(xié)助對齒甚至重新裝夾定位，不利于此工序生產線自動化的改造。

圖4 （a） 對齒規(guī)變形

圖4 （b） 對齒規(guī)卡死

2）對齒規(guī)的伸出與鎖死需通過手動操作。

3）在自動化生產線中，無法對工件是否定位準確進行檢測。

2 自動化夾具總體方案

2.1 定位夾緊原理

針對現(xiàn)場夾具存在的問題，為保證孔的加工精度，在左右頂尖頂緊，角向對齒規(guī)未伸出時必須保證軸的自由轉動。這樣可以保證軸的角向位置完全由對齒規(guī)來確定，減小角向轉動阻力及對齒規(guī)的形變對孔對稱度的影響，同時減少重復裝夾的次數(shù)，利于生產線自動化改造。夾具總體方案如圖5。

圖5 自動化夾具總體方案示意圖

1）左端采用浮動頂尖，端面定位，右端采用液壓頂尖頂緊，為了方便頂緊后工件可以輕松轉動以便角向定位，設計帶軸承端面定位彈簧頂尖（左），液壓頂尖選用軸承頂尖（右）。

2）在機械手放置工件時，浮動頂尖收回，防止干涉工件，工件放置到位后，浮動頂尖頂緊。

3）角向采用對齒規(guī)自動對齒防轉，且對齒規(guī)可進行微調，采用氣壓驅動方式。

4）對齒規(guī)對齒完成后要鎖緊，防止加工過程中對齒松動，工件轉動。

5）夾具具有對齒防錯功能，避免角向定位齒槽定位錯誤。

6）端面定位及角向定位處均具有檢測定位精度裝置，防止未定位或定位不準確。

7）采用 V型塊與壓板液壓夾緊方式，夾緊后液壓缸需鎖緊，以保證裝夾剛性。

2.2 油路設計

1）機床液壓系統(tǒng)自帶兩路液壓輸出，滿足油路方案需要,如圖6。

圖6 油路圖

2）液壓夾具本體上安裝支撐缸，壓緊缸，尾座液壓缸，和順序閥。尾座液壓缸通過3位四通電磁閥由一路油路控制，其余液壓元件在同一條油路。

3）通過順序閥來實現(xiàn)支撐缸與壓緊缸動作的先后，支撐缸采用單作用液壓缸，升程由液壓驅動，回程由壓緊彈簧驅動，壓緊缸使用雙作用液壓缸。

4）支撐缸到達指定位置后，油壓升高，達到順序閥的打開壓力，壓緊缸動作?；爻虝r順序閥內單向閥打開，支撐缸與壓緊缸同時卸油。

5）液壓缸 O型中位機能，中位時油液不能流動，達到液壓鎖緊功能。

6）減壓閥與順序閥的調定壓力根據實驗確定。

2.3 氣路設計

1）機床無氣壓系統(tǒng)，需從車間引氣，并增加各類閥及開關等，如圖7。

圖7 氣路設計

2）頂尖氣缸與端面氣檢開關協(xié)同保證端面定位。對齒規(guī)頂出氣缸，對齒規(guī)鎖死氣缸，對齒規(guī)氣檢開關協(xié)同保證對齒規(guī)的定位與鎖死。

3）氣檢開關無輸出時，應立即報警并停止當前操作。

主要液壓、氣壓元器件選型如表1：

表1

2.4 機床與機械臂間信號傳輸

如圖 8，機床輸入輸出端口電壓均為 24V，所選氣閥，機床自帶液壓閥，氣檢開關輸入電壓均為24V，可通過機床輸出端口直接驅動。所選氣檢開關輸出電壓為24V，可通過機床輸入端口直接輸入。

圖8 機床數(shù)控系統(tǒng)I/0接口示意圖

機床與機械臂之間的信號傳遞使用開關量，通過機床數(shù)控系統(tǒng)I/O接口進行數(shù)據的采集與輸出，二者之間通過輸入輸出驅動電路來實現(xiàn)電平的匹配。

機床數(shù)控系統(tǒng)掃描輸入端信號并經數(shù)控系統(tǒng)梯形圖計算后得到輸出端電平（0或 24V）。整個過程循環(huán)往復，類似PLC工作過程。

如機床數(shù)控系統(tǒng)I/O接口數(shù)量不足，可聯(lián)系廠家外接I/O接口電路板。

自動夾具完成一次加工各電磁閥動作順序為：

機械手上料-1QL(+)-2YL(+)-2QL(+)-3QL(+)-1YL(+)-氣檢啟動-氣檢開關輸人 ON-加工工件延時-3QR(+)-2QR(+)-1YR(+)-機械手抓料-1QR(+)-2YR(+)-機械手下料。

3 關鍵結構的設計

3.1 帶軸承的端面定位彈簧頂尖的設計

如圖9所示，頂尖座，頂尖套筒，X向調整墊之間通過螺栓固定連接，記為一個整體A。內隔套，軸承蓋，氣缸連接法蘭，頂尖氣缸，心軸螺母，防塵導套，軸向定位塊之間通過螺栓固定連接，記為一整體B。軸承外圈裝配在A的頂尖套筒內圈上，軸承內圈裝配在B的內隔套外圈上。A,B之間可以相對轉動。軸系B采用兩端固定的方式。

圖9 帶軸承端面定位彈簧頂尖結構圖

頂尖套，小頂尖，壓縮彈簧，氣缸拉桿螺栓裝配在內隔套內孔中。彈簧始終處于壓縮狀態(tài)，防塵導套限制彈簧的伸縮，防止頂尖套從內隔套中脫落。氣缸拉桿螺栓與氣缸閥芯相連，當氣缸閥芯收回時，壓縮彈簧，帶動頂尖套及小頂尖收回，防止機械手上料時與工件的干涉。當氣缸閥芯伸出時，小頂尖在彈簧的彈力下伸出，頂緊中心孔。

軸向定位塊端面M上開有小孔B1，A1口與氣檢開關相連。當未裝夾工件時，氣體從A1口入，B1口出，氣檢開關輸出為0，當工件裝夾到位 時B1口氣壓增大，氣檢開關輸出24V。

3.2 氣動對齒規(guī)及對齒預定位設計

如圖10，工件的角向位置是通過預定位頂尖及對齒規(guī)確定的。當工件被放置在夾具上時，壓縮預定位彈簧，預定位頂尖頂入齒槽，工件在角向僅可以微小轉動，保證了對齒規(guī)不會錯齒。

圖10 氣動對齒規(guī)結構圖

對齒規(guī)軸線與預定位頂尖軸線的交點在左右頂尖軸線上（即中間軸軸心線），圖示齒圈24齒，對齒規(guī)齒槽與預定位齒槽之間4齒，夾角60°。

對齒規(guī)軸線與預定位頂尖軸線所確定的平面在圖1-1所示D平面上，實際中通過Y向調整塊來實現(xiàn)對齒規(guī)軸向微調，保證加工對稱度。

對齒規(guī)的頂出與收回是通過對齒規(guī)頂出氣缸實現(xiàn)的，通過對齒規(guī)彈簧實現(xiàn)對齒規(guī)的頂出，對齒規(guī)拉桿螺栓來實現(xiàn)對齒規(guī)的收回。

對齒規(guī)頂入齒槽后，對齒規(guī)鎖死氣缸帶動對齒規(guī)鎖死壓桿壓緊對齒規(guī)套筒來鎖緊對齒規(guī)。對齒規(guī)鎖死壓板與對齒規(guī)套筒上有一對互相平行的斜面。對齒規(guī)鎖死氣缸收回時，對齒規(guī)頂出氣缸方可收回。

氣動對齒規(guī)上通三路氣，A3，B3控制對齒規(guī)的頂出與收回，A4，B4控制對齒規(guī)的鎖死與解鎖，A5口是氣檢氣路接口，當對齒規(guī)準確頂入齒槽后，對齒規(guī)套筒密封氣路出口，氣檢開關輸出24V。

4 結論

此夾具經批量驗證，效果穩(wěn)定。

1）帶軸承的端面定位彈簧頂尖和帶軸承尾頂尖的使用在保證較高的軸向定位精度的前提下實現(xiàn)了中間軸角向的自由轉動，解決了對齒規(guī)變形卡死問題。

2）氣動對齒規(guī)、氣檢開關的使用，對機床油路改造及與機械臂的信號傳輸實現(xiàn)了工序的自動化生產，大大節(jié)省了操作工的勞動強度。

3）通過更換端面定位塊，小頂尖，尾座頂尖，氣動對齒規(guī)座可以實現(xiàn)中間軸零件快速換產。為以后軸類新產品工藝開發(fā)，自動化生產線的布置搭建了平臺，做好了準備。

參考文獻

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