半軸齒輪專用卡盤設(shè)計(jì)

董世全

摘? 要：半軸齒輪是汽車差速器內(nèi)的重要零件，市場需求量很大。半軸齒輪的加工過程中，定位方式大多使用傘齒和齒模定位，夾緊方式分手動(dòng)夾緊、自動(dòng)夾緊，自動(dòng)夾緊又分為車床拉桿座做動(dòng)力和液壓直接驅(qū)動(dòng)。各個(gè)公司的情況不同，加工方式也不同。隨著《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中對(duì)自動(dòng)化、數(shù)字化概念的提出，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的需求會(huì)日益增多。半軸齒輪的加工特征：加工量大、節(jié)拍短、裝夾重復(fù)性強(qiáng)，特別適合自動(dòng)線上下料，會(huì)有越來越多的廠家選擇使用自動(dòng)線加工半軸齒輪。

關(guān)鍵詞：半軸齒輪;卡盤;自動(dòng)線;Solidworks

引言：汽車轉(zhuǎn)彎過程中，驅(qū)動(dòng)軸的左、右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)彎半徑不同，弧度一致，則軌跡長度不一致。若兩輪的轉(zhuǎn)速一致必然會(huì)造成其中一個(gè)輪胎打滑，造成輪胎的磨損。解決這個(gè)問題就要求左、右驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)彎過程中的轉(zhuǎn)速不一樣。這一要求促使了汽車差速器的產(chǎn)生。差速器的作用就是以不同轉(zhuǎn)速向車輪傳遞動(dòng)力。本文的零件半軸齒輪就是差速器內(nèi)特別重要的一個(gè)零件，汽車的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸均有兩個(gè)半軸齒輪。

1 半軸齒輪卡盤設(shè)計(jì)需要考慮的要素

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人力成本必然越來越高，人對(duì)于工作環(huán)境的要求也越來越高，并且人工作業(yè)時(shí)存在的多種不確定性（比如心情、健康狀態(tài)、請(qǐng)假等）。越來越多的公司采用柔性自動(dòng)線代替人工作業(yè)，可以顯著提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性，降低勞動(dòng)成本。此卡盤用于半軸齒輪柔性自動(dòng)線，設(shè)計(jì)的過程中需要比傳統(tǒng)的夾具多考慮一些因素：

（1）自動(dòng)線代替人工上下料，缺少了人工對(duì)加工情況的自主判斷。需在正常的液壓或氣動(dòng)夾具上增加松開、夾緊到位檢測功能。待自動(dòng)線接收到信號(hào)反饋的時(shí)候方可進(jìn)行下一步的作業(yè)，代替人對(duì)工件裝夾狀態(tài)的判斷。以免因松開不到位造成機(jī)械手、設(shè)備的損壞，或因夾緊不到位造成工件裝夾不牢發(fā)生事故;

（2）切屑的堆積會(huì)對(duì)裝夾或加工產(chǎn)不利生影響。需要在卡盤上增加除屑功能，用來清理切屑和半軸齒輪安裝面、定位面;

（3）卡盤質(zhì)量、體積大，工作轉(zhuǎn)速介于900～1200rpm。轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響半軸齒輪的加工質(zhì)量。設(shè)計(jì)過程中需要考慮質(zhì)量、重心、動(dòng)平衡問題;

（4）半軸齒輪多種多樣，不可能針對(duì)每一種半軸齒輪均設(shè)計(jì)、制造一個(gè)卡盤。需要考慮半軸齒輪間的通用性問題?？梢砸粋€(gè)卡盤體加工幾個(gè)規(guī)格的半軸齒輪，通過調(diào)整部件達(dá)到通用的目的;

（5）半軸齒輪自動(dòng)線夾具的管路對(duì)，包括液壓2路、啟動(dòng)1路，切削液1路。普通旋轉(zhuǎn)接頭會(huì)產(chǎn)生內(nèi)泄的情況。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)于單介質(zhì)的使用情況沒有影響。對(duì)于多介質(zhì)的情況，內(nèi)泄的情況可能造成油、氣、液混合。嚴(yán)重的情況會(huì)影響卡盤動(dòng)作。設(shè)計(jì)時(shí)旋轉(zhuǎn)接頭的選擇尤為重要。

2 半軸齒輪卡盤的設(shè)計(jì)流程

（1）信息資料收集：確認(rèn)半軸齒輪卡盤的需求，先期在沈陽機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的i5T5.2整體斜床身車床上使用。安裝前拆下車床上的標(biāo)配卡盤，然后安裝上半軸齒輪卡盤。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮后期自動(dòng)線需求，需要增加自動(dòng)線需要的功能。功能主要有動(dòng)作到位檢測、切削與齒模清理、多介質(zhì)旋轉(zhuǎn)接頭;

（2）加工精度和工藝性分析：首先應(yīng)分析半軸齒輪加工的工藝性，了解半軸齒輪的用途、性能和工作條件，明確半軸齒輪在差速器中的位置和作用，進(jìn)而了解半軸齒輪各項(xiàng)技術(shù)要求，確定主要技術(shù)要求和加工過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，研究零件裝夾、加工過程中可能產(chǎn)生的變形，對(duì)加工過程中的難點(diǎn)提前準(zhǔn)備解決方案?？ūP的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)保證加工半軸齒輪時(shí)進(jìn)刀、退刀方便無阻礙，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)刀具就可以加工，減少刀具數(shù)量。下圖為示意圖，未標(biāo)注具體尺寸、表面要求和精度要求，加工下圖標(biāo)注表面粗糙度的部位，采用車床可以一次性完成該零件所需加工，如圖一所示;

（3）設(shè)備選型：設(shè)備采用沈陽機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的i5T5.2臥式車床。該車床為整體斜床身結(jié)構(gòu)，剛型好。主軸單元A2-6，主軸通孔直接φ65。最大切削直徑350mm，最大旋轉(zhuǎn)直徑360mm。經(jīng)過與設(shè)計(jì)部門、工藝部門溝通，卡盤的質(zhì)量應(yīng)限制在75Kg以下（含半軸齒輪），卡盤直徑控制在360mm以內(nèi);

（4）定位方案：為了保證車削后的半軸齒輪中心孔軸線與半軸齒輪傘齒的同軸度滿足要求，定位選擇半軸齒輪的送齒定位，保證齒模的精度即可保證半軸齒輪的定位要求。夾具按調(diào)時(shí)需要對(duì)齒模的安裝位置進(jìn)行找正，齒模上需要設(shè)計(jì)專用的找正區(qū)域。根據(jù)不同的半軸齒輪設(shè)計(jì)、制造專用的齒模，選取圓周上均布的3處齒貼合。依靠半軸齒輪與齒模的精確貼合，實(shí)線半軸齒輪的軸向和圓周的定位;

（5）夾緊方案：采用半軸齒輪背錐部分壓緊，圓周選取均布的3個(gè)壓緊點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)油缸選擇Pascal的三點(diǎn)檢測旋轉(zhuǎn)油缸CTM04-LS10T，活塞桿總行程16.5mm（轉(zhuǎn)角行程6.5mm，夾緊行程10mm），過夾緊行程0.5mm。單個(gè)旋轉(zhuǎn)油缸夾緊4MPa壓板80mm長時(shí)夾緊力為1400N;

（6）卡盤總裝配圖簡圖：根據(jù)所需卡盤總體零件確定卡盤總裝配圖，包括定位元件、夾緊元件、卡盤體等，確定零件尺寸配合精度、技術(shù)要求、材料;

（7）卡盤零件圖繪制：根據(jù)總裝配圖各零件的分布位置、尺寸，繪制零件三維圖紙。

3 半軸齒輪卡盤設(shè)計(jì)思想

（1）卡盤的設(shè)計(jì)思路：卡盤的夾緊與松開采用檢測性的液壓旋轉(zhuǎn)油缸，定位采用齒模定位，旋轉(zhuǎn)接頭采用5路多介質(zhì)（松開夾緊2油、松開夾緊檢測2氣、卡盤中心噴水1液），旋轉(zhuǎn)油缸到位檢測功能排氣位置，卡盤中心噴切削液沖屑以及清理安裝面切屑，卡盤重量限制在75Kg以下，直徑在360mm以下，半軸齒輪卡盤工作時(shí)，壓板夾壓的部分不能高于半軸齒輪的加工面，壓板與加工面的距離為1-2mm為夾具制作的難點(diǎn)，采用的解決方案是配磨壓板長度的方式解決。后期用戶現(xiàn)場驗(yàn)證了此方案的可行性。若不涉及自動(dòng)線則采用2路單介質(zhì)旋轉(zhuǎn)接頭即可。卡盤成品如圖二所示。

（2）卡盤體的設(shè)計(jì)：整個(gè)半軸齒輪卡盤最關(guān)鍵的部位就是卡盤體。卡盤體通過連接板連接到主軸上，其它零部件也直接安裝在卡盤體上?？ūP各動(dòng)作所需要的油、氣、液在卡盤體內(nèi)通過4層管路傳遞，為了保證卡盤體成品的質(zhì)量，管路之間最小留有3mm薄壁，避免加工過程中造成管路互通。

為了降低卡盤體的加工難度，卡盤體的設(shè)計(jì)考慮了兩點(diǎn)：一是降低旋轉(zhuǎn)油缸安裝部位的加工難度，即將旋轉(zhuǎn)油缸座與卡盤體分開設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)油缸座與旋轉(zhuǎn)油缸配合部分采用車床加工，在提高加工精度的境況下降低了加工難度;二是卡盤體內(nèi)的管路孔深330mm，設(shè)計(jì)成從兩端加工。這樣更改的好處是可以使用五軸加工中心從兩端加工管路（孔深160mm），降低了鉆頭損壞的風(fēng)險(xiǎn)，但是帶來的缺點(diǎn)是卡盤體四周多了很多油堵，影響卡盤體的美觀。考慮到加工能力最終確定了加工通孔的方案。由于鉆深孔長徑比過大，鉆頭細(xì)長，剛性差，工作時(shí)易發(fā)生偏斜和振動(dòng)，孔內(nèi)壁的粗糙度特別差，不過對(duì)于管路來說不影響使。切屑為長屑，需要采取啄鉆退刀的方式斷屑及排屑，以免由于切屑堵塞導(dǎo)致鉆頭損壞。鉆削的過程中注意鉆頭的散熱問題，密封的環(huán)境會(huì)使鉆頭切削產(chǎn)生的熱量無法散出加速鉆頭磨損。多查看鉆頭狀態(tài)，免得因鉆頭損壞造成卡盤體加工廢。

卡盤體與旋轉(zhuǎn)接頭間的連接，使用5根φ8的硬管連接。為了防止管在卡盤體與旋轉(zhuǎn)接頭間產(chǎn)生竄動(dòng)，卡盤體與旋轉(zhuǎn)接頭與管配合部分設(shè)計(jì)成階梯孔，形成孔肩，對(duì)硬管形成軸向定位，達(dá)到限制其竄動(dòng)的目的。

半軸齒輪卡盤裝配完成時(shí)需要做動(dòng)平衡試驗(yàn)，需要在卡盤體沿圓周方向增加M6螺紋孔。做動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)可以通過磨削M6螺釘?shù)拈L度更改卡盤體的質(zhì)量分布。

整個(gè)半軸齒輪卡盤重量65Kg，在加工、裝配時(shí)人力無法直接搬運(yùn)。需要在卡盤體正面及圓周方向加工吊裝孔，即可滿足加工、裝配時(shí)的對(duì)翻轉(zhuǎn)調(diào)運(yùn)需求。

為了減少卡盤體質(zhì)量，并且質(zhì)量分布均勻，在卡盤體上盡量切除掉與功能、精度無關(guān)的部分，并且切除區(qū)域要按圓周均勻分布，最終卡盤體質(zhì)量為42Kg。

卡盤體設(shè)計(jì)主要精度為：

①與主軸連接盤的配合：采用一孔一面定位，需要保證安裝止口的圓度以及與連接盤配合面的平面度，注意止口的清根;

②卡盤工藝基準(zhǔn)：在機(jī)床上裝配半軸齒輪卡盤時(shí)，需要在半軸齒輪卡盤上找基準(zhǔn)，確定卡盤軸線。為了去重，僅卡盤下邊為整圓。則將其作為卡盤裝配時(shí)的基準(zhǔn)面。需要保證其圓度以及與連接盤配合止口的同軸度;

③卡盤體與齒模座的配合：采用一孔一面定位，需要保證孔的圓度、連接盤配合止口的同軸度、齒模座配合面的平面度、與連接盤結(jié)合面的平行度，注意止口清根;

④與旋轉(zhuǎn)油缸座的配合：采用一面兩銷的定位方式，需要保證兩銷的位置度、旋轉(zhuǎn)油缸座接合面的平面度、連接盤配合面的平行度。

（3）旋轉(zhuǎn)油缸座的設(shè)計(jì)：旋轉(zhuǎn)油缸座與卡盤體間采用一面兩銷定位，4個(gè)螺釘固定。采用液壓旋轉(zhuǎn)油缸。普通的旋轉(zhuǎn)油缸輸入、輸出有2個(gè)管路，半軸齒輪自動(dòng)線卡盤選用的旋轉(zhuǎn)油缸輸入、輸出管路共有5個(gè)。其中旋轉(zhuǎn)油缸的松開、夾緊采用液壓控制，因旋轉(zhuǎn)油缸輸入、輸出孔有孔徑限制，油孔采用階梯孔，上端連接旋轉(zhuǎn)油缸（鉆孔φ3深3），下端連接卡盤體孔（鉆孔φ5至于φ3孔相通），連接部分采用O型圈密封;旋轉(zhuǎn)油缸的到位檢測功能是活塞桿上的檢測槽與鋼球的配合控制管路的通斷，從而達(dá)到檢測旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿位置的作用。氣源的接入點(diǎn)位于旋轉(zhuǎn)油缸的側(cè)面，旋轉(zhuǎn)油缸在兩孔之間采用上、中、下三個(gè)O型圈密封，形成2個(gè)空腔，連通旋轉(zhuǎn)油缸與對(duì)于管路。加工的時(shí)候?yàn)榱吮ＷC密封圈的密封性、可加工性，旋轉(zhuǎn)油缸座采用與卡盤體分體的模式，既保證了O型圈的密封要求，也降低了加工難度。旋轉(zhuǎn)油缸座與卡盤體分界點(diǎn)位于下端O型圈下面（不能小于樣本推薦值）。為避免旋轉(zhuǎn)油缸安裝時(shí)O型圈損傷，在旋轉(zhuǎn)油缸座內(nèi)與O型圈接觸的凸臺(tái)必須加工30°倒角。側(cè)面氣源入口處也需要做好倒鈍處理，以免損傷O型圈，造成內(nèi)泄或檢測功能失效。

在卡盤的使用過程中，兩氣路處于一直工作的狀態(tài)，氣源關(guān)閉時(shí)會(huì)因?yàn)闄z測器誤判造成自動(dòng)線設(shè)備報(bào)警停機(jī)。旋轉(zhuǎn)油缸到位檢測氣體需要通過卡盤體上旋轉(zhuǎn)油缸部位底部φ5通孔將氣體排放至卡盤后方，再通過連接盤上加工的槽直接排放到主軸中，最后經(jīng)由主軸后方的旋轉(zhuǎn)接頭（留空路，不接管，外部接消音器）排至空氣中，主軸后方無鐵屑與切削液，無需增加單向閥阻止鐵屑及切屑液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)油缸。

（4）旋轉(zhuǎn)油缸夾緊部分設(shè)計(jì)：為了適用不同產(chǎn)品的裝夾，需要針對(duì)各零件定制長度、高度各異的壓板。就涉及到更換壓板便捷性的問題。常見的壓板與旋轉(zhuǎn)油缸的安裝直接使用錐孔定位、外六角螺母鎖緊，更換扳手時(shí)需要使用扳鉗、六角扳手，作業(yè)性差。使用六角扳手固定活塞桿，固定不充分，活塞桿將承受過大扭矩而使活塞桿導(dǎo)向槽差生壓痕，從而影響夾緊松開動(dòng)作的靈敏度，甚至動(dòng)作失效。采取的解決辦法為將常見的外六角螺母更改成Pascal的理想螺母，其原理為螺母旋入至于活塞桿上端平齊后，使用圓周均勻分布的頂絲對(duì)理想螺母和壓板間產(chǎn)生預(yù)緊力，達(dá)到固定壓板的作用，拆卸時(shí)僅需以很小的扭力即可松開頂絲繼而拆下螺母。極大降低了螺母的拆卸難度，延長了旋轉(zhuǎn)油缸的使用壽命。這對(duì)于需要頻繁更換壓板的場合非常使用。

（5）齒模座的設(shè)計(jì)：齒模座的作用為連接卡盤體與齒模座，保證卡盤體與齒模的位置關(guān)系。最關(guān)鍵的精度為卡盤體接合面與齒模接合面的平行度。由于連接板、卡盤體、齒模座以及齒模加工、裝配存在誤差，需要一個(gè)配合去消隙。齒模座與齒模間徑向不做直接配合，而是通過均勻分布的6個(gè)M6螺栓通過人工檢測齒模工藝面跳動(dòng)的方式，調(diào)整齒模的位置。齒模座與卡盤體間采用O型圈密封，形成一個(gè)與切削液管路相通的空間。齒模座底部加工3個(gè)螺紋孔與此空間相通。螺紋孔上安裝角度可調(diào)節(jié)的噴嘴，形成卡盤中心出水功能，可以達(dá)到輔助沖屑、清理齒模配合面的目的。

（6）壓板的設(shè)計(jì)：壓板屬于消耗品，需求量比較大。設(shè)計(jì)一個(gè)便于加工、量產(chǎn)的方案很重要。設(shè)計(jì)思路為在一塊板料上加工出12個(gè)壓板（4套），然后通過線切割的方式將12個(gè)壓板割開。壓板之間的區(qū)別主要有高度、長度方面的區(qū)別。同樣高度的壓板可以做成一樣的長度，并在一塊板料上加工。長度方向的調(diào)整，裝配時(shí)根據(jù)半軸齒輪的大小使用砂輪修磨。壓板的材料需要選則硬一些的材料。此方案選的是P20模具鋼，預(yù)先硬化處理（30～36HRC）。加硬度夠，加工性能好，無需熱處理縮短工期。

（7）旋轉(zhuǎn)油缸的處理：由于管路的設(shè)計(jì)、加工、裝配等問題，可能會(huì)造成3個(gè)旋轉(zhuǎn)油缸動(dòng)作不同步的情況可以再旋轉(zhuǎn)油缸上加裝流量控制閥，控制旋轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)作速度，使旋轉(zhuǎn)油缸動(dòng)作一致。

（8）夾具材料：半軸齒輪卡盤零件分為自制件、外購件、標(biāo)準(zhǔn)件。所需的自制件如表一所示。

（9）計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)：機(jī)械夾具的設(shè)計(jì)都要以經(jīng)驗(yàn)為主。但是在尺寸巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等情況下，使用計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，提前評(píng)估一些參數(shù)是否達(dá)可以到要求以及在理想的范圍內(nèi)，能避免很多設(shè)計(jì)過程中的一些失誤，減少損失，并且可以進(jìn)行有限元分析。本卡盤設(shè)計(jì)三維建模使用Solidworks 2018，三維模型完成后，進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)審，繼而使用Solidworks 2018生成二維圖，最后使用AutoCad 2016改成標(biāo)準(zhǔn)二維圖用于組織生產(chǎn)。使用Solidworks 2018設(shè)計(jì)，例如此次卡盤的設(shè)計(jì)，涉及的質(zhì)量和重心的兩個(gè)重要參數(shù)，使用人工計(jì)算特別復(fù)雜，使用Solidworks 2018特別容易得出。卡盤質(zhì)量69.207Kg<75Kg符合要求，重心位置（X=-0.072mm;Y=-0.012mm）處于理想范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文列舉了半軸齒輪卡盤設(shè)計(jì)過程中的一些注意事項(xiàng)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。改革和創(chuàng)新是可持續(xù)發(fā)展的源動(dòng)力。為了達(dá)到《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》的自動(dòng)化、數(shù)字化要求，會(huì)有越來越多的自動(dòng)線夾具出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的使用會(huì)加速中國制造的發(fā)展。

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