汽車變速箱智能夾具優(yōu)化設(shè)計與研究

劉 偉，張浩辰，王 波，姚萬軍

(1. 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300; 2. 西安永邦精密機(jī)械有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

汽車工業(yè)是我國國民工業(yè)重要的組成部分，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國產(chǎn)汽車品牌產(chǎn)量和出口量迅猛增加。我國已經(jīng)成為世界矚目的汽車制造和出口大國，因此對汽車行業(yè)生產(chǎn)的智能化程度也提出了更高的要求[1]。

變速箱作為汽車的核心部件之一，生產(chǎn)批量大、精度要求高、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，非常適合采用智能夾具以提高其自動化生產(chǎn)程度。用智能夾具取代半自動化或人工作業(yè)，既能節(jié)省人力成本，又能提高變速箱箱體的生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性[2]。

本文以國產(chǎn)某型8檔變速箱箱體為研究對象，對其結(jié)構(gòu)、工藝性、功能性以及加工特點(diǎn)進(jìn)行分析，對比傳統(tǒng)夾具的特點(diǎn)和不足，設(shè)計研發(fā)了一款臥式加工中心的智能化夾具，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 變速箱箱體零件結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，該變速箱箱體零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求較高，其關(guān)聯(lián)尺寸和匹配尺寸也較多。生產(chǎn)過程中，細(xì)微的差別都會引發(fā)產(chǎn)品最終尺寸的誤差增大，嚴(yán)重時會導(dǎo)致大批量不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生[3]。除此之外，變速箱在實(shí)際使用過程中，對其密封性，及齒輪組工作過程中震動、噪聲控制要求很高，因此在大批量生產(chǎn)時，需要嚴(yán)格控制誤差范圍，以免累積造成產(chǎn)品報廢等問題[4]。

圖1 零件圖

根據(jù)圖1，為方便直觀觀察和分析，建立如圖2所示的三維模型。由圖2可知，該箱體所需加工配合面比例較大，平面度要求較高。同時，孔系分布在多個平面上，除了相對位置要求較高的定位孔以外，箱體側(cè)面也有一油路孔需要用臥式加工中心進(jìn)行加工。本研究以此油孔的加工工序?yàn)檠芯繉ο螅瑢ζ渑P式加工中心智能夾具進(jìn)行設(shè)計和分析，用以保證變速箱箱體的產(chǎn)品精度。

圖2 零件三維模型圖

2 傳統(tǒng)專用夾具設(shè)計與分析

該變速箱箱體在加工過程中，零件底面已經(jīng)預(yù)留定位工藝孔，因此可以采用目前工程上常用的“一面兩銷”定位方式[5]。即以變速箱箱體底面為定位平面，限制3個自由度，并選擇其中兩個定位銷孔，限制整個工件6個自由度，實(shí)現(xiàn)完全定位。本研究中，平面自由度由均勻分布的6個支撐釘限制，定位銷采用圓形銷和菱形銷限制。

2.1 一面兩銷定位方案分析

根據(jù)工序圖(圖3)，定位面為箱體底面以及俯視圖中兩個定位孔，加工表面為箱體兩個側(cè)面的孔，根據(jù)工程實(shí)際要求為IT7級以上，具體設(shè)計方案如下。

1) 布置銷位。圓形銷釘位于靠近本加工工序位置的定位銷孔，以提高定位精度，位于圖紙右側(cè)。菱形銷布置位于遠(yuǎn)離加工側(cè)的位置，位于圖紙左側(cè)。最終定位方案如圖3所示。

單位：mm圖3 工序圖

2) 確定兩銷間距：Lj=Lg=358 mm,其公差值為工件上兩孔位置公差的1/3～1/5，此處取1/5，即兩銷中心的位置度公差值為Δj= 0.01 mm。

4) 確定菱形銷直徑(d2)根據(jù)《現(xiàn)代夾具設(shè)計手冊》[6]查表所得:b=4,則Δ2 min=2×(b/D2)×(Δg+Δj-Δ1 min/2)=2×(4/19)×(0.05+0.01-0.007/2)=0.024 mm

式中：Lg為工件上兩定位孔的孔間距；Δg為工件上量定位孔位置度公差；Δj為夾具的兩銷位置度公差；Δ1為圓柱銷與對應(yīng)孔的配合間隙；D1為圓柱銷對應(yīng)定位孔的直徑；D2為菱形銷對應(yīng)定位孔的直徑。

最終，與機(jī)床T形槽結(jié)構(gòu)完成相互配合。

2.2 一面兩銷定位誤差分析

一般情況下，定位誤差(Δdw)由基準(zhǔn)不重合誤差(Δjb)和基準(zhǔn)位移誤差(Δdb)組成，具體加工誤差分析如下。

1)φ29～φ40 mm深2的沉頭孔：

由圖紙要求易得Δjb1=0.05 mm

那么，Δjb1=Δjb1cos 20

計算可得：Δjb1=0.047 mm

兩孔與銷的配合選用H7/g6，且為任意邊接觸，因此產(chǎn)生了基準(zhǔn)位移誤差(Δdb)。

Δdb1=Δ1 max=D1 max-d1 min

=(19+0.021)-(19-0.044)

=0.061 mm,

故Δdb1=Δdb1cos 20=0.061cos 20=0.057 mm。

根據(jù)Δjb與Δdb的合成規(guī)律，當(dāng)Δjb與Δdb無公共變量因素時，獨(dú)立，合成“+”。

故對于尺寸(145.0±0.5)mm的定位誤差為：

Δdw1=Δjb1+Δdb1=0.047+0.061

=0.108 mm。

根據(jù)誤差不等式Δdw1=0.108

2)φ27～φ40 mm深10的沉頭孔：

對于尺寸(30.0±0.2)mm的基準(zhǔn)位移誤差(Δdb)，兩孔與銷的配合選用H7/g6，為任意邊接觸，因此產(chǎn)生了基準(zhǔn)位移誤差(Δdb)。

Δdb2=Δ1 max=D1 max-d1 min

=(19+0.021)-(19-0.044)

=0.061 mm,

故Δdb2=Δdb2sin 20=0.061sin 20=0.021 mm。

尺寸(300±0.2)mm的定位誤差為：

Δdw2=Δjb2+Δdb2=0.017+0.021

=0.038 mm。

根據(jù)誤差不等式Δdw2=0.038

由此可得，夾具的定位誤差符合要求。

3 自動化生產(chǎn)線智能專用夾具方案設(shè)計

通過計算發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)“一面兩銷”的夾具即便滿足定位精度要求，但是在實(shí)際大批量生產(chǎn)加工中，仍很難保證生產(chǎn)需求。為提高變速箱箱體生產(chǎn)的自動化和智能化，在生產(chǎn)的裝卸過程中均由六軸機(jī)械手裝夾拆卸，極大地提高了生產(chǎn)效率。

3.1 自動化智能定位方案設(shè)計

由于無法由人工進(jìn)行精細(xì)微調(diào)，傳統(tǒng)剛性定位銷軸不適合作為自動化生產(chǎn)線的定位元件，本研究采用可脹心軸作為定位元件，既可以提高精度，也可以和機(jī)械手完成聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)自動化裝夾[7]。

3.1.1 可脹心軸定位原理分析

如圖4所示，可脹心軸鎖緊油壓使活塞下降，卡爪沿著活塞的錐面向水平方向擴(kuò)張?？ㄗ⒃跀U(kuò)張行程終點(diǎn)發(fā)生徑向彈性變形，因而可保證零間隙的高精度定位。

圖4 可脹心軸工作原理圖

3.1.2 可脹心軸定位精度對比分析

傳統(tǒng)定位銷間隙空間小，一般是為0.01～0.03 mm，夾緊與放松十分困難，無法滿足高精度定位。可脹心軸卡爪的擴(kuò)張行程大，空間間隙可以達(dá)到0.2 mm，使夾緊與放松順暢，如圖5所示。

(a) 定位銷定位 (b) 可脹心軸定位

本次布局使用三向可脹心軸代替圓形銷，兩向定位心軸代替菱形銷，當(dāng)間距尺寸誤差在±0.1 mm以內(nèi)時，重復(fù)定位誤差可以縮小至3～5μm。

3.2 自動化夾緊方案設(shè)計

由于被加工零件為殼體，壁厚不均，若夾緊力作用的作用點(diǎn)布置不合理，有使零件變形的可能。本研究利用零件中壁較厚的位置布置夾緊力的作用點(diǎn)，同時利用箱體零件頂面3個通孔，留出安裝3個液壓缸的位置，如圖6圓圈處所示。

圖6 夾緊力分布

φ29 mm孔的加工使用高速鋼麻花鉆加工，根據(jù)鉆削切削力:

P=419DS0.8KP,

(1)

式中：D為鉆頭直徑，取29 mm，S為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，KP為修正系數(shù)，取KP=1。

計算得P=419×29×0.290.8=4 513.68 N

由于鉆孔加工夾緊力與切削力方向垂直，故其夾緊力

(2)

K=K0K1K2K3K4K5K6,

(3)

式中:K為安全系數(shù)，μ1,μ2分別為夾緊元件與工件間的摩擦系數(shù)和工件與夾具支承面間的摩擦系數(shù)。

本設(shè)計采用3個相同的液壓缸提供夾緊力，單一液壓缸所提供的夾緊力W=Wk/3=2 964.77 N。

對夾緊機(jī)構(gòu)的壓板進(jìn)行受力分析，每個液壓缸所提供的動力F由下式計算：

W×20=F×26，

(4)

得F=2 280.6 N。

選用油壓為3 MPa的油缸，根據(jù)推力工作時缸徑：

(5)

式中：F為活塞的最大作用力，取F=2 400 N，P為油缸工作油壓，取3 MPa，計算得D=31.96 mm。根據(jù)液壓缸安裝位置的要求，液壓缸的外形尺寸要小于對應(yīng)孔的尺寸，且要滿足所提供的動力要求。選取國產(chǎn)某廠型號為YGG-BT32(IS09001:2008)為液壓夾緊裝置[8]，形狀如圖7所示。

圖7 YGG-BT32液壓缸外形尺寸

3.3 油氣路方案設(shè)計

3.3.1 液壓卡爪油路設(shè)計

在夾緊工件時，3個液壓缸需要同時動作，原理圖如圖8所示。當(dāng)進(jìn)行夾緊動作時，三位四通電磁換向閥3處于左位。液壓泵6的供油進(jìn)入液壓缸5左腔，實(shí)現(xiàn)夾緊動作。處于加工過程中，換向閥3處于中位，保持夾緊姿態(tài)。當(dāng)需要松開工件時，換向閥3通電處于右位，使得液壓油經(jīng)單向節(jié)流閥4進(jìn)入液壓缸右腔，使左腔壓縮，其中的液壓油回到油缸，完成松開工件動作。

圖8 夾具液壓夾緊油路

圖9 油氣壓回路圖

3.3.2 可脹心軸油氣路設(shè)計

可脹心軸油路原理圖如圖9所示，其油路中設(shè)有兩位四通電磁換向閥和調(diào)速閥共同控制一對可脹心軸的銷釘脹縮[9]。此外，該回路中還加入了氣壓排塵回路，以保證定位元件的清潔度，提高定位精度。

3.3.3 氣密性檢測氣路設(shè)計

由支撐釘上開通氣密性檢測孔，其氣孔連接夾具體平板內(nèi)部的氣道，實(shí)時檢測支撐釘上的氣壓，用以確定變速箱箱體底面與定位元件是否緊密貼合，氣孔支撐釘模型如圖10所示[9]。

圖10 氣孔支撐釘三維模型

為增加夾具整體剛度，選取6個支撐釘，根據(jù)箱體零件不同厚度進(jìn)行排布，分布圖如11所示，其中1， 2， 4號為氣孔支撐釘，其氣孔直接連通下側(cè)封閉氣道，氣道連接氣壓檢測裝置。當(dāng)工件安裝完畢后，氣道內(nèi)氣壓上升，檢測系統(tǒng)判斷安裝完成，可脹心軸和夾緊油缸收緊，等待切削加工。反之，則說明沒有完成定位安裝，需要進(jìn)行調(diào)試[10-12]。

圖11 支撐釘及氣路布局圖

3.4 設(shè)計結(jié)果分析

根據(jù)上述定位、夾緊、油氣路的方案設(shè)計和分析，結(jié)合機(jī)床T形槽的接口，最終設(shè)計結(jié)果如圖12所示。該智能夾具方案設(shè)計結(jié)果與傳統(tǒng)專用夾具對比，可將同一裝卸工序時間從6 min縮短至7 s，并且實(shí)現(xiàn)了全自動化裝卸和定位檢測。

圖12 智能夾具三維模型

4 智能臥式加工專用夾具受力仿真分析

此變速箱箱體內(nèi)外側(cè)均有復(fù)雜特征，切削力的計算有一定的誤差，為驗(yàn)證設(shè)計方案的合理性，采用ANSYS Workbench對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元仿真分析，以確保工件在加工過程中能滿足加工需求。

4.1 有限元模型建立

由于導(dǎo)入的三維模型較為復(fù)雜，為方便計算，對模型進(jìn)行簡化操作，刪除圓角和小孔，并對微小特征進(jìn)行面刪除、邊刪除等[13-15]。經(jīng)簡化修復(fù)的模型如圖13所示。

圖13 有限元模型圖

4.2 網(wǎng)格劃分

由于模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用“四面體網(wǎng)格劃分”，設(shè)置相關(guān)中心為“中等”，設(shè)置平滑程度為“中等”，過渡角中心為“粗糙”。網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖14。

圖14 網(wǎng)格劃分

定義HT250材料屬性，材料詳細(xì)屬性見表1。

表1 HT250材料屬性

4.3 邊界條件和載荷設(shè)定

對3個添加命名選擇的印跡面各施加3 KN的力。對工件底面設(shè)置位移支撐，X、Y方向設(shè)為“自由”，Z方向位移設(shè)置為0。對兩定位孔設(shè)置“圓柱支撐”，并將其切向和徑向設(shè)為“固定”，軸向設(shè)置為“自由”。其結(jié)果如圖15所示。

圖15 邊界條件和載荷

4.4 結(jié)果分析

工件變形云圖如圖16所示，最大變形量為0.007 6 mm，位于油缸壓板處。對于本工件要求加工的側(cè)孔位置區(qū)域，變形量不足0.005 mm，完全滿足本工件的每一工序尺寸的加工精度要求。在夾緊力的作用下，由于工件的變形對加工精度的影響可以忽略不計。

圖16 變形云圖

由工件在夾緊力作用下的應(yīng)力分布結(jié)果(圖17)可得工件最大應(yīng)力為48.2 MPa，位于油缸的夾緊處，其余應(yīng)力相對比較集中的位置位于零件變形較大處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工件材料HT250的強(qiáng)度極限，符合設(shè)計要求，夾具夾緊力大小和夾緊力作用點(diǎn)設(shè)置合理。

圖17 應(yīng)力云圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)匹配臥式加工中心型號，和實(shí)際生產(chǎn)對經(jīng)濟(jì)效益的需求，對本次設(shè)計研發(fā)的智能夾具進(jìn)行了一定的工藝優(yōu)化，安裝圖如圖18所示。對其中重要零部件進(jìn)行了表面氧化、鍍膜、熱處理等工藝。采用30次同等條件下測試取時間平均值的方法。最終，在實(shí)驗(yàn)室中測試該工序裝卸一次完成的時間為7 s。在實(shí)際生產(chǎn)加入吹屑、風(fēng)干、開關(guān)門等工步，測試結(jié)果為15 s，比原本手工裝夾減少了5～6 min。此外，此智能夾具包含夾緊力檢測和氣密性檢測功能，可以在加工過程中減少工件震動，提高切削速度和切削量，從而進(jìn)一步提高加工效率。

圖18 樣機(jī)試驗(yàn)圖

6 總 結(jié)

為提高現(xiàn)階段變速箱箱體生產(chǎn)效率，取代傳統(tǒng)手工裝夾工件的方式，本文根據(jù)國產(chǎn)某型8檔變速箱箱體的工藝特點(diǎn)，設(shè)計研發(fā)了一款全自動化智能夾具，并進(jìn)行了優(yōu)化分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，具體結(jié)論如下。

1) 根據(jù)產(chǎn)品需求，在不改變“一面兩銷”定位方案的前提下，采用可脹心軸代替剛性定位銷作為定位元件，重復(fù)定位誤差可以控制在3～5 μm以內(nèi)。采用油缸卡爪作為夾緊裝置，并設(shè)計了氣密性檢測系統(tǒng)和工件吹屑清理裝置，理論上實(shí)現(xiàn)了無人操作的全自動化裝卸工藝。

2) 對變速箱箱體進(jìn)行了有限元仿真分析，得出最大變形量為0.007 6 mm，位于油缸壓板處。加工的側(cè)孔位置區(qū)域變形量不到0.005 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公差要求，可以忽略不計。工件所受最大應(yīng)力為48.2 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工件材料HT250的強(qiáng)度極限，符合設(shè)計要求。

3) 進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，裝夾工序時長從傳統(tǒng)手工裝夾的6～7 min縮短至15 s以內(nèi)，同時夾緊力的合理分布減少了工件震動，可以適當(dāng)提高切削速度和切削量，從而進(jìn)一步提高切削效率。