切削力作用下汽車輪轂柔性加工夾具設計與分析

石磊

摘要：傳統(tǒng)的裝夾尺寸固定單一，限制了規(guī)模化的汽車輪轂柔性生產。從經濟角度和適用性考慮，設計了一種汽車輪轂柔性加工夾具，以旋轉直線組合式液壓缸作為動力源，實現夾爪對不同型號輪轂的自動定心和夾緊。首先，建立夾具結構的物理模型，分析夾具的夾緊行程;其次，分析切削力作用下對夾具與被加工輪轂間的夾緊力性能進行分析;最后，以A365鋁合金汽車輪轂的實際加工驗證夾具設計的性能。

關鍵詞：切削力作用;汽車輪轂; 柔性加工; 夾具; 夾緊力; 夾緊行程

1 ?夾具結構及工作原理

基于切削力作用下的汽車輪轂柔性加工夾具結構如圖1所示。

結構說明：夾具的三角平臺與三角拉盤垂直相對，中間通過與定位爪相連的拉臂支撐，使用T形槽綁定拉臂，拉臂的中間有可以延伸的導向通槽;定位爪位于U形墊塊上方，其下方與輪轂的凸緣相配;使用夾具時，拉桿牽引滾輪轉動，使定位爪可以沿著T形槽導軌向中心孔靠攏;兩個主動架分別在活塞桿兩頭，三根拉桿連接著三個拉臂，拉桿的兩端分別接連拉臂和主動架。當液壓缸活塞桿旋轉或直線運動時，牽動主動架，主動架帶動拉桿完成輪轂裝夾。提供動力源的液壓缸結合了雙螺旋擺動與往復直線運動液壓缸的應用原理，整體結構緊湊，關鍵部件材料耐磨性高，可以提高控制精度。其結構如圖2所示。

汽車輪轂柔性加工夾具的工作原理為：

①夾具裝夾輪轂時，首先通過液壓缸活塞桿帶動主動架旋轉，拉桿帶著定位爪和拉臂按T形槽導軌向三角平臺的中心橫向平移，按照輪轂大小收縮調整完成自動定位;定位夾緊后，液壓缸活塞桿帶動三角拉盤垂直運動，繼而帶動拉臂夾緊輪轂，完成裝夾操作。

②夾具松開輪轂時，首先通過液壓缸活塞桿的垂直運動拉動三角拉盤隨之運動，松開對輪轂的固定;其次，液壓缸活塞桿帶動主動架朝相反的方向旋轉，推動定位爪和拉臂按T形槽導軌遠離中心，直至完成松夾操作。

2 ?夾具定位精度分析

2.1 精度要求

輪轂的定位的精度直接關系著其生產質量高低，定位精度又分為軸向定位和徑向定位兩種：徑向定位精度確定要求輪緣邊距到中心距離一樣，正面輪緣寬窄控制在3.0～4.5mm范圍內;對于軸向定位精度要求外側動平衡≤35g。

2.2 精度實現

夾具俯視結構如圖3所示，定位裝置主要由定位爪、拉桿、U形墊塊和主動架構成，主要利用其中的定位爪和U形墊塊保證精度。夾具在工作時，通過定位爪向架中心靠攏完成輪轂的徑向定位;然后通過耐熱耐磨的特殊材料制成的U形墊塊來實現輪轂的精準的軸向定位。

3 ?夾具行程計算與分析

不同于傳統(tǒng)夾具，輪轂柔性加工夾具可以適用于不同規(guī)格的輪轂，可以自動調整直徑大小，不需要人工干預，提高了生產質量和效率。以18～24英寸的汽車輪轂進行研究。

夾具夾緊行程的S計算如式1所示。

式中：R1和R2代表輪轂半徑，mm;W代表夾緊余量，mm。

夾具夾緊行程的可行性驗證：由主動架、連桿和T形槽導軌組成一個簡化的曲柄滑塊機構。夾具在通過夾緊行程S后，主動架會轉過一個角度，記為θ。

根據正弦公式可以得到式2：

式2中：a：主動架一端到中心的長度，mm;b：拉桿長度，mm;L：拉臂到主動架轉動中心長度，mm。

由余弦公式可以得到式3：

其中：L=R1/2=228.6mm，取a=150mm，b=204.8mm，把L、a和b代入式3中可得θ=61.4°<90°，因此可以判定基于此條件下的行程S的夾具在理論上滿足規(guī)格型號18～24英寸輪轂的可靠裝夾。

4 ?確定夾緊力

在實際的輪轂的生產過程中，不但要求輪轂被夾緊，而且不能產生變形和受壓表面遭到破壞，一定要在合理的控制的范圍內。因此夾緊力大小一定要適中，夾緊力過小，會在夾具中發(fā)生相對滑動，影響輪轂的定位精度，甚至會導致產品報廢和安全事故的發(fā)生;夾緊力過大，則容易導致加工輪轂的形變，嚴重時甚至損傷輪轂表面，嚴重影響了輪轂質量。需要指出的是，汽車輪轂在切削加工過程中容易受多種因素干擾，包括離心力、慣性力和刀具切削力等;要使輪轂在這些因素干擾下仍能保證精確定位和機械穩(wěn)定性，對夾緊力的范圍確定十分必要，包括最小夾緊力確定和最大夾緊力的確定。

4.1 最小夾緊力的確定

在能夠保證輪轂不會在切削力作用下產生移動的前提下所產生的夾緊力，即指最小夾緊力。最小夾緊力的確定原則為，最小夾緊力在輪轂凸緣表面所產生的摩擦力矩必須大于刀具帶給輪轂的切削力矩。

4.2 最大夾緊力的確定

根據實際生產情況，工件被夾具夾緊固定后，在其受壓表面未發(fā)生塑性變形或損傷的最大力稱為最大夾緊力。

汽車輪轂材料選用A365鋁合金，其平均屈服極σs=216.65MPa。輪轂表面不發(fā)生破壞的臨界條件為：夾具與輪轂接觸表面間的最大應力值σmax？燮σs，即：

根據最大夾緊力的定義，通過式（4）可以計算出單個拉臂允許施加在輪轂凸緣表面夾緊力的最大值。

夾具選用超高強度鋼42CrMo材料，其屈服極限σs=930MPa，泊松比μ=0.33，彈性模量E=196GPa。

①建立有限元模型。利用ANSYS18.0軟件，對本夾具的夾緊元件進行應力計算。

②給定邊界條件。給定五種不同加工工況，每個工況條件下單個拉臂所對應的夾緊力如表1所示。其中工況1是使汽車輪轂表面不發(fā)生破壞時的最大夾緊力。拉臂有軸承座一側和與夾具三角拉盤相連接部分保持固定。

③應力計算結果分析。在不同的工況條件下，對應不同夾緊力Fm的夾緊元件，所受到的最大應力值σmax如表2所示。

5 ?結論

設計了一種基于切削力作用下的汽車輪轂柔性加工夾具，緊湊的設計保證結構穩(wěn)固，定位可靠，并以旋轉直線組合式液壓缸作為動力源，實現夾爪對不同型號輪轂的自動定心和夾緊。最后通過輪轂加工過程中的最小夾緊力、最大夾緊力、夾具行程的計算和夾緊元件應力分析，得出該汽車輪轂柔性加工夾具在實際加工過程中各種工況下的可行性和實用性。

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