端面驅(qū)動(dòng)夾具及其設(shè)計(jì)應(yīng)用

◎文/張光燦 李大洋（安徽星瑞齒輪傳動(dòng)有限公司）

隨著國(guó)家對(duì)汽車(chē)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高以及汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展，汽車(chē)變速器轉(zhuǎn)型升級(jí)、更新?lián)Q代勢(shì)在必行。這將產(chǎn)生兩種影響，一方面，在產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中難免會(huì)有結(jié)構(gòu)特殊產(chǎn)品，給夾具設(shè)計(jì)帶來(lái)一定難度；另一方面，在產(chǎn)品更新?lián)Q代的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)小批量多品種的混合生產(chǎn)模式。在汽車(chē)變速箱傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常會(huì)有3種軸齒類(lèi)零部件，即輸入軸、輸出軸、中間軸，其定位如果采用傳統(tǒng)的兩中心孔定位、彈性漲套夾緊驅(qū)動(dòng)式夾具，存在定位精度低、夾具通用性差以及過(guò)定位等問(wèn)題，嚴(yán)重影響軸類(lèi)零件加工精度和效率的提升。而端面驅(qū)動(dòng)夾具在軸齒類(lèi)零件加工中具有精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和通用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為提高產(chǎn)品加工質(zhì)量、降低加工成本，端面驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用已成為趨勢(shì)。

一、端面驅(qū)動(dòng)夾具的組成結(jié)構(gòu)與工作原理

端面驅(qū)動(dòng)夾具由驅(qū)動(dòng)座、下頂尖、壓縮彈簧、堵蓋、夾具體及連接的標(biāo)準(zhǔn)螺栓組成。驅(qū)動(dòng)座有整體、單體區(qū)分，即撥齒與撥齒固定座之間結(jié)構(gòu)為整體或單體。整體驅(qū)動(dòng)座上的撥齒通常采用直接加工成型或鑲嵌焊接硬質(zhì)合金的方式，撥齒損壞后不可更換。單體采用固定座與撥桿組成，在撥桿底部設(shè)計(jì)有平衡塊，以調(diào)節(jié)各撥桿上的撥齒平臺(tái)在同一截面上，保證每個(gè)撥齒的工作壓力相同，撥齒損壞后可以更換撥桿。撥桿的材料可采用整體硬質(zhì)合金、優(yōu)質(zhì)工具鋼、鑲嵌式硬質(zhì)合金等。下頂尖可以通過(guò)壓縮彈簧沿驅(qū)動(dòng)座/固定座內(nèi)孔軸向伸縮，即為浮動(dòng)頂尖。浮動(dòng)下頂尖隨機(jī)床尾架頂尖壓緊被加工產(chǎn)品而收縮，隨機(jī)床尾架頂尖脫離被加工產(chǎn)品而伸出。堵蓋將下頂尖壓縮彈簧固定在驅(qū)動(dòng)座/固定座內(nèi)。夾具體即為連接機(jī)床與驅(qū)動(dòng)座之間的銜接部件。圖1為單體驅(qū)動(dòng)座端面驅(qū)動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)示意圖。

端面驅(qū)動(dòng)夾具的工作原理：采用夾具下頂尖、機(jī)床尾架頂尖定位被加工產(chǎn)品兩端中心孔，使得被加工產(chǎn)品與機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心重合，充分保證了加工精度。通過(guò)尾架頂尖工作壓力，使得驅(qū)動(dòng)座上的撥齒嵌入被加工產(chǎn)品端面，隨機(jī)床工作臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)。

圖1 單體驅(qū)動(dòng)座端面驅(qū)動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)示意圖

二、端面驅(qū)動(dòng)夾具的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

端面驅(qū)動(dòng)改進(jìn)了傳統(tǒng)的夾持方式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：在車(chē)削中代替了卡盤(pán)，在磨削中代替了雞心夾，一次裝夾即可完成整個(gè)工件車(chē)削或磨削全加工，縮短了裝夾輔助時(shí)間；在滾、磨齒中代替了彈性漲套驅(qū)動(dòng)，避免了過(guò)定位造成的夾具定位精度低問(wèn)題；以被加工軸齒的兩端中心孔（中心軸線(xiàn)）定位，使被加工產(chǎn)品與機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心重合，充分保證了軸齒的加工精度，且加工質(zhì)量穩(wěn)定；采用伸縮頂尖定位，端面撥齒驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，夾具通用性更強(qiáng)。

但由于端面驅(qū)動(dòng)是通過(guò)機(jī)床尾架頂尖工作壓力使驅(qū)動(dòng)座上的撥齒嵌入被加工產(chǎn)品端面，隨機(jī)床工作臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)，因此端面驅(qū)動(dòng)有如下缺點(diǎn)：由于會(huì)對(duì)端面產(chǎn)生較小的塑性變形，只適用于對(duì)產(chǎn)品端面沒(méi)有較高要求的軸齒類(lèi)產(chǎn)品加工，適用范圍有限；由于驅(qū)動(dòng)位置在軸齒類(lèi)產(chǎn)品的端面，在深槽車(chē)、銑加工和模數(shù)較大的齒輪滾齒加工時(shí)會(huì)由于撥齒韌性問(wèn)題導(dǎo)致切削效率不高；機(jī)床尾架頂尖需提供足夠且穩(wěn)定的壓力，普通機(jī)床或手動(dòng)尾架磨床不能滿(mǎn)足端面驅(qū)動(dòng)夾具使用要求；在高速旋轉(zhuǎn)中為防止打滑，其旋轉(zhuǎn)方向只能有一個(gè)方向。

三、設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.現(xiàn)狀調(diào)查及原工藝

輸入軸齒輪滾齒工序原采用數(shù)控六軸滾齒機(jī)床進(jìn)行加工，切削時(shí)間長(zhǎng)達(dá)13min46s，已成為生產(chǎn)瓶頸工序，需要改進(jìn)。

該產(chǎn)品原加工工藝流程為：精車(chē)→預(yù)磨（預(yù)磨外圓以提高滾齒工序工件安裝精度）→滾齒輪→滾花鍵。原夾具采用傳統(tǒng)漲套式夾緊驅(qū)動(dòng)，輸入軸齒輪端向上，機(jī)床上頂尖、夾具下頂尖分別定位工件兩端中心孔，漲套夾持檔外圓隨機(jī)床工作臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)（具體裝夾方式見(jiàn)圖2）。由于齒面加工產(chǎn)生大量振紋，需采用2刀切削，分析認(rèn)為工件裝夾剛性不足，導(dǎo)致了加工效率低。

圖2 輸入軸改進(jìn)前裝夾方式

2.改進(jìn)方案及夾具設(shè)計(jì)

采用端面驅(qū)動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用。將輸入軸齒輪端向下安裝，依然利用機(jī)床上頂尖、夾具下頂尖分別定位工件兩端中心孔。采用機(jī)床尾架頂尖工作壓力使得驅(qū)動(dòng)座上的撥齒平臺(tái)嵌入輸入軸齒輪端沉孔的內(nèi)端面，并隨機(jī)床工作臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)。

夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝夾方式見(jiàn)圖3。夾具包括夾具體、驅(qū)動(dòng)座、下頂尖、壓縮彈簧、堵蓋。其中驅(qū)動(dòng)座下凸臺(tái)采用H7/h6配合置于夾具體內(nèi)腔內(nèi)，并通過(guò)螺栓與夾具體端面螺紋孔固定連接[1]。下頂尖貫穿于驅(qū)動(dòng)座內(nèi)孔，其外圓與驅(qū)動(dòng)座內(nèi)孔相適配，保證適配間隙0.003～0.006mm，以提高輸入軸定位精度[1]。壓縮彈簧置于驅(qū)動(dòng)座下端的沉孔內(nèi)。堵蓋置于驅(qū)動(dòng)座沉孔端面上，并通過(guò)螺釘與驅(qū)動(dòng)座端面上的螺紋孔固定連接。驅(qū)動(dòng)座上端面還設(shè)有六等分撥齒，撥齒平臺(tái)寬度為0.3～0.5mm，且低于下頂尖錐面與輸入軸中心孔接觸面，具體低出部分高度以輸入軸放置穩(wěn)當(dāng)為宜。裝夾時(shí)輸入軸直接放置在下頂尖錐面及驅(qū)動(dòng)座撥齒平臺(tái)上，通過(guò)滾齒機(jī)床尾架頂尖下移壓緊輸入軸上端中心孔，即撥齒平臺(tái)嵌入輸入軸下端面里一定深度，即輸入軸下端面在尾架頂尖的壓力作用下產(chǎn)生一定深度的塑性變形，深度約0.1～0.3mm。滾齒加工時(shí)通過(guò)機(jī)床工作臺(tái)帶動(dòng)夾具旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的目的。

在這里需要說(shuō)明的是，為提高夾具通用性，滿(mǎn)足前述3種零件上的齒輪、花鍵加工裝夾定位要求，即在加工結(jié)束后可有效地將被加工產(chǎn)品頂起，使撥齒平臺(tái)與產(chǎn)品端面脫落，壓縮彈簧選用普通圓柱螺旋壓縮彈簧（GB/T2089-2009），規(guī)格：材料直徑3mm，彈簧中徑18mm，自由高度58mm[2]。為保證輸入軸驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)切削力以及材料發(fā)生塑性變形的力進(jìn)行計(jì)算分析后[3]，選用3.5MPa尾架頂緊力。

圖3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝夾方式

3.改進(jìn)效果分析

首先，采用端面驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)夾具，避免了改進(jìn)前的漲套驅(qū)動(dòng)夾具因產(chǎn)品裝夾定位剛性不足而產(chǎn)生振紋；實(shí)現(xiàn)了一次裝夾齒輪和花鍵2檔同時(shí)加工，加工節(jié)拍6min45s；取消了精車(chē)后預(yù)磨工序，對(duì)精車(chē)工序加工精度的要求有所降低。因此，加工效率大幅度提升，加工成本得到有效控制。

其次，夾具通用性強(qiáng)，可滿(mǎn)足類(lèi)似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝夾定位要求，大大降低換產(chǎn)時(shí)間，可降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的初期投入。

端面驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)夾具還具有很好的加工穩(wěn)定性，通過(guò)輸入軸滾齒工序改進(jìn)前后加工檢測(cè)對(duì)比，采用端面驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)夾具滾齒加工，齒距累積總偏差Fp和齒圈徑跳Fr可穩(wěn)定地控制在精度5級(jí)以?xún)?nèi)，而采用傳統(tǒng)的漲套驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)加工，齒距累積總偏差Fp和齒圈徑跳Fr只能勉強(qiáng)控制在精度7級(jí)以?xún)?nèi)[4]。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單分析了端面驅(qū)動(dòng)技術(shù)的原理、組成結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)公司某款變速器中的3種軸齒類(lèi)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)應(yīng)用。應(yīng)用端面驅(qū)動(dòng)使得輸入軸滾齒工序加工效率得到大幅度提升，夾具通用性得到提高，換產(chǎn)時(shí)間有所降低，齒輪加工精度得到提升，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。此次應(yīng)用積累了端面驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)夾具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。