汽車橫拉桿球頭卡簧面加工夾具的設(shè)計(jì)

黎志勇，楊斌，劉睿，王鵬程，陳木榮

汽車橫拉桿球頭卡簧面加工夾具的設(shè)計(jì)

黎志勇，楊斌，劉睿，王鵬程，陳木榮

（廣東理工學(xué)院工業(yè)自動化系，廣東肇慶526100）

多年來普通車床汽車球頭體零件的加工方法較為落后，生產(chǎn)效率偏低，產(chǎn)品質(zhì)量較差，難以適應(yīng)汽車市場對批量小、多品種、高精度的生產(chǎn)需要，從實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，詳述了采用數(shù)控車床加工汽車球頭卡簧面夾具的設(shè)計(jì)，解決了該類型零件系列加工定位困難，裝夾精度不高，生產(chǎn)率低問題，提高了產(chǎn)品加工的質(zhì)量。

數(shù)控車床；橫拉桿球頭；工裝夾具；數(shù)車加工；數(shù)銑加工

汽車球頭類零件可以在普通車、銑床上完成，但加工方法較為落后，生產(chǎn)效率較低，成本較高，難以適應(yīng)汽車市場批量小、品種多、精度高的加工要求，所以選擇數(shù)控車床加工。由于零件比較復(fù)雜屬于不規(guī)則桿類零件，且表面精度要求較高，如果直接利用數(shù)控車床上的三爪卡盤裝夾，不但很難定位工件的中心，加工精度無法保證，而且很難夾得牢固，容易出現(xiàn)安全事故，為了使得生產(chǎn)順利進(jìn)行，降低生產(chǎn)成本，減少輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，根據(jù)零件的技術(shù)要求，為此設(shè)計(jì)了該零件卡簧面加工工裝夾具。

1 橫拉桿球頭零件使用性能

橫拉桿球頭屬于橫拉桿總成的重要零部件，是帶球頭外殼的拉桿，轉(zhuǎn)向主軸的球頭置于球頭外殼內(nèi)，球頭通過其前端的球頭座與球頭外殼的軸孔邊緣鉸接，可以提供活動空間，用于車輛的前面輔助前輪方向的萬向球頭，與上下擺臂共同維持車輪的軸向位置關(guān)系，既負(fù)責(zé)驅(qū)動又負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向的前橋半軸與車輪之間，可以保證雙前橋左右車輪的轉(zhuǎn)向同步，汽車四輪轉(zhuǎn)向角的一致性對汽車輪胎的磨損有很大影響，所以，橫拉桿球頭是汽車比較重要的零件，其質(zhì)量的高低將影響汽車的正常使用。

2 橫拉桿球頭卡簧面加工工藝分析

2.1 零件圖分析

對毛坯材料要求，從該零件圖（見圖1）分析，該零件外形比較復(fù)雜，規(guī)則面少，由橫拉桿球頭的使用環(huán)境看，該零件承受交變載荷作用，既需要一定的強(qiáng)度和剛度，也要求一定的韌性，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)綱領(lǐng)角度出發(fā)，該產(chǎn)品零件的毛坯宜采用35#鋼模鍛制造。

圖1 橫拉桿球頭零件圖

2.2 零件的工藝分析

通過對零件圖樣和使用性能要求分析，橫拉桿球頭卡簧面的加工工藝要求如下：

（1）零件表面加工要求平整完整，不得有缺陷劃痕；

（2）尺寸精度等級IT7級，形位公差要求一般；

（3）表面光潔度要求Ra0.8μm；

（4）力學(xué)性能符合工件的使用性能要求。

該零件的尺寸加工要求在所有球頭品種中屬于較高的一種，保證卡簧面的尺寸精度和光潔度尤為關(guān)鍵。大多數(shù)其它品種的球頭頭部的尺寸公差均在IT8以上，光潔度也在Ra0.8μm以上，而該球頭卡簧面尺寸公差要求為IT7，而且還有力學(xué)性能（強(qiáng)度、剛度、韌性）要求。所以，橫拉桿球頭體采用鍛造開坯，卡簧面的加工采用數(shù)控車床進(jìn)行加工。

2.3 橫拉桿球頭卡簧面零件的加工工序

橫拉桿球頭卡簧面零件的加工工序：車端面→車削外圓Φ32、Φ29→車削圓錐表面→倒角。

2.4 加工難度分析

（1）零件裝夾困難。如果通過三爪卡盤直接夾，裝夾和定位都非常困難，誤差大，工件夾緊不牢固，并且零件中心與機(jī)床主軸中心不重合。同時(shí)，采用通用夾具夾緊時(shí)費(fèi)時(shí)耗力，生產(chǎn)效率低，滿足不了生產(chǎn)綱領(lǐng)要求。

（2）工件尺寸精度要求高，在車削過程中受到切削力和切削熱的影響，工件很容易出現(xiàn)振動和熱變形，使各外圓相應(yīng)成橢圓變形。

（3）由于工件容易產(chǎn)生振動打刀，車削走刀速度較慢，這樣導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。

3 橫拉桿球頭卡簧面加工夾具設(shè)計(jì)

3.1 卡簧面加工夾具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于車床的主運(yùn)動是工件的旋轉(zhuǎn)，在車床上加工回轉(zhuǎn)體表面時(shí)，工件加工面的軸線應(yīng)與車床主軸軸線重合，以避免因工件的旋轉(zhuǎn)中心和車床主軸軸線不重合帶來的形狀和位置誤差，所以夾具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足這點(diǎn)。因此，在車床上加工桿類、軸類和盤類零件時(shí)，夾具應(yīng)滿足定位元件工作表面的對稱中心線與夾具的回轉(zhuǎn)軸線重合。

車床車削加工時(shí)工件和夾具一起隨車床主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以，在加工過程中，工件除了受到刀具施加的切削力作用外，還受到連同整個(gè)夾具一起的離心力作用，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速越高，離心力作用越大，所需的夾緊力越大，對夾緊機(jī)構(gòu)的要求越高。同時(shí)，加工過程中工件定位基準(zhǔn)相對于切削力和重力的方向是變化的。因此，夾具夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力必須合適，同時(shí)還要有一定的自鎖性，避免工件在加工時(shí)變形、發(fā)生位置變化或振動。

車床夾具與機(jī)床主軸的連接方式取決于主軸端部結(jié)構(gòu)。連接方式確定之后，夾具的定位也就確定了，其定位精度影響工件加工面與定位基準(zhǔn)間的位置精度。對于卡盤徑向尺寸D＜（2-3）d（止口聯(lián)接尺寸）的小型夾具，一般通過錐柄安裝在車床主軸錐孔中，并用螺栓拉緊。這種聯(lián)接方式定心精度較高[1]。由于夾具是在回轉(zhuǎn)和懸臂下工作，夾具外形應(yīng)近似于圓柱形，結(jié)構(gòu)力求簡單，避免有尖角和突出部分，懸伸要小使重心靠近主軸，以減輕重量，提高剛度，保證安全。如果夾具不是對稱的，應(yīng)設(shè)置配重塊或減重孔消除不平衡[2]。

3.2 橫拉桿球頭卡簧面加工夾具設(shè)計(jì)思路及工作原理

基于該零件的技術(shù)加工要求和在加工中的裝夾及效率要求，根據(jù)夾具設(shè)計(jì)六點(diǎn)定位原理和常用夾緊機(jī)構(gòu)夾緊原理解決加工中的難題，滿足零件的加工要求，并使裝夾容易、快捷、牢固，為此，如何做到卡簧面的中心與機(jī)床主軸重合，不用校正就可以直接進(jìn)刀車削，這才是解決問題的關(guān)鍵。筆者設(shè)計(jì)了夾套卡爪，裝上六角圓錐形活動壓頭，活動壓頭在聯(lián)結(jié)螺桿作用下平穩(wěn)移動，并且能保證橫拉桿卡簧面中心線與車床主軸軸線重合。該夾套卡爪克服了傳統(tǒng)工藝的弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了工件的準(zhǔn)確定位、快速裝夾加工，提高了生產(chǎn)效率。工件裝夾時(shí)，工件直接套夾套上，擰入活動壓頭六角螺母，通過聯(lián)結(jié)螺桿拉動活動壓頭向左（進(jìn)）移動，活動壓頭楔形頭使卡爪同步移動夾緊工件并起到定心作用。加工完成后，輕扭六角活動壓頭（用手輕輕松開一點(diǎn)），容易、快速更換待加工工件，循環(huán)動作，如圖2所示。

圖2 橫拉桿球頭卡簧面加工夾具總成圖

3.3 夾具的定位原理

根據(jù)零件加工部位需求，利用六點(diǎn)定位原理，選擇墊塊和帶彈性的夾套作為定位元件，工件在墊塊的凹位處，工件底面凸臺和墊塊凹位頂面對齊，在活動壓頭的脹壓下，彈性夾套發(fā)生均勻彈性變形（脹大），工件孔壁受夾套限制，從而實(shí)現(xiàn)對工件的定心夾緊，如圖3所示。該夾套在工作過程中產(chǎn)生脹大變形，與工件緊密接觸，相當(dāng)于過盈配合心軸，可以消除5個(gè)不定度（沿X和Y方向移動不定度，沿X、Y和Z方向轉(zhuǎn)動不定度）；通過墊塊消除1個(gè)不定度（沿Z方向移動不定度），共消除6個(gè)不定度。經(jīng)上述分析，該夾具符合六點(diǎn)定位定則，定位穩(wěn)定可靠。

圖3 夾具定位原理圖

3.4 夾緊方式的選擇

夾緊方式主要由夾緊的動力裝置來決定，一般的夾緊方式有氣動夾緊、液壓夾緊、電動夾緊及手動夾緊。為了簡化夾具的結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用手動夾緊方式，采用帶六角螺紋孔活動壓頭、聯(lián)結(jié)螺桿和夾套組成的手動夾緊裝置，經(jīng)過實(shí)踐該夾緊方式裝夾速度快、勞動條件好。

3.5 夾緊機(jī)構(gòu)的選擇設(shè)計(jì)

車床夾具的特點(diǎn)是裝在機(jī)床主軸上并隨其帶動工件旋轉(zhuǎn)，加工回轉(zhuǎn)體型面以及端面，通常以機(jī)床主軸內(nèi)圓錐面或機(jī)床主軸外圓柱面（外圓錐面）為定位基準(zhǔn)[2]。本文的橫拉桿球頭卡簧面加工以卡簧面軸線為工序基準(zhǔn)，即卡簧面內(nèi)孔軸線與卡簧面外（圓）止口軸線同線，為了使工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)重合，采用定心、對中夾緊機(jī)構(gòu)。定心、對中夾緊機(jī)構(gòu)之所以能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定心、對中，其原理就在于它們利用了定位—夾緊元件的等速移動、轉(zhuǎn)動或均勻彈性變形的方式，來消除一批工件定位基準(zhǔn)面的制造誤差對定位基準(zhǔn)位置的影響，其定心精度較高，適用于精度要求較高的加工中采用。本設(shè)計(jì)采用杠桿式定心夾緊機(jī)構(gòu)（活動壓頭-夾套定心夾緊機(jī)構(gòu)）。

3.6 夾具的結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)計(jì)夾具主要由支撐塊、壓緊塊、定位裝置、壓緊裝置等五部分組成（如圖4）。

圖4 夾具結(jié)構(gòu)組成圖

支撐塊：是一個(gè)帶有三個(gè)矩形槽的凸臺圓板結(jié)構(gòu)（如圖5），槽的尺寸與車床卡盤相配合，凸臺與卡盤配合，其作用是支撐工件具。

圖5 支撐塊

壓緊塊：主要作用是壓緊支撐塊，支承定位裝置（如圖6）。

圖6 壓緊塊

定位裝置：由墊塊2（圖7）和壓緊裝置共同組成。

圖7 墊塊

壓緊裝置：由夾套1（圖8）、壓緊塊3、活動壓頭5（圖9）以及聯(lián)結(jié)螺桿6（圖10）組成，工件裝入彈簧夾套后，通過擰緊活動壓頭螺母3，利用彈性元件受力后的彈性變形實(shí)現(xiàn)定心夾緊作用，直接夾緊工件，進(jìn)行加工，但一定要保證卡簧面孔軸線與車床主軸軸線在同一直線上。

圖8 夾套

圖9 活動壓頭

圖10 聯(lián)結(jié)螺桿

4 橫拉桿球頭卡簧面加工夾具使用

加工時(shí)，待加工工件裝夾套在夾套上，放置墊塊上，擰入活動壓頭的螺母，利用活動壓頭的軸向移動使夾套受力后的彈性變形，將工件夾緊裝夾，操作比較簡單方便快速。針對待加工工件底面可能出現(xiàn)有形狀或尺寸偏差導(dǎo)致墊塊卡不緊工件的毛病，設(shè)計(jì)時(shí)，墊塊孔比凸臺小徑大幾毫米，允許有一點(diǎn)的誤差量，同時(shí)也可以通過墊塊和橡膠環(huán)墊使每個(gè)工件都裝夾牢固。應(yīng)用這種裝夾方式使夾緊著力點(diǎn)靠近切削力點(diǎn)，增加工件的剛性，有效地減少了工件在加工過程中受銑削力影響而產(chǎn)生變形[3]。上述所設(shè)計(jì)夾具的定位方式和夾緊元件能滿足定位需求，夾緊可靠。

5 結(jié)束語

本文通過對橫拉桿球頭卡簧面加工夾具設(shè)計(jì)探討，解決了復(fù)雜桿件加工的問題，利用該夾具進(jìn)行裝夾加工便快捷實(shí)用，提高了生產(chǎn)效率，并且在產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量上也得到了很好的保證，適合批量生產(chǎn)該零件。

[1]張恩生.車工實(shí)用技術(shù)手冊[M].南京：科學(xué)技術(shù)出版社，1999．

[2]中國機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會組編.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]吳拓，孫英達(dá).機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Design of Clam ping Fixture for Automobile Cross Bar BallHead Clam ping Surface

LI Zhi-yong，YANG Bin，LIU Rui，WANG Peng-cheng，CHEN Mu-rong
（Department of Industrial Automation，Guangdong Institute of Technology，Zhaoqing Guangdong 526100，China）

The processing method for years ordinary lathe auto parts of the ball head body is relatively backward，low productivity，poor product quality，it is difficult to adapt to the automobile market of many varieties，small batch，high precision production needs，starting from the actual production，discusses the design of CNC lathe machining by automobile ball spring surface fixture，to solve the difficulties this type of series of parts processing and positioning，clamping precision is not high，low productivity，improve the quality of the product processing.

CNC lathe；the ball；the ball head；the number of machining；the number of car processing

TG75

A

1672-545X（2017）02-0029-04

2016-11-18

廣東省教育教學(xué)改革項(xiàng)目（編號：770）；廣東省教指委質(zhì)量工程項(xiàng)目（編號：jd2013334）

黎志勇（1979-），男，廣東化州人，工學(xué)碩士，講師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料成型。