汽車敞篷機(jī)構(gòu)連桿工藝研究與優(yōu)化

關(guān)鍵詞：工藝研究與優(yōu)化；夾具；刀具；定位

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著個(gè)性化產(chǎn)品的需求，純電敞篷汽車被越來(lái)越多的消費(fèi)者接受及選擇，其敞篷連桿機(jī)構(gòu)則是篷布順暢開(kāi)啟及關(guān)閉的關(guān)鍵。敞篷連桿機(jī)構(gòu)通常由液壓驅(qū)動(dòng)控制單元、連桿機(jī)構(gòu)、篷布支架三個(gè)部分組織。連桿機(jī)構(gòu)是由多個(gè)不同形狀的桿件通過(guò)鉚接、彈簧連接形式形成的左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，連桿作為敞篷連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)組成部分，起到連接作用的同時(shí)，還承受一定強(qiáng)度的牽引力，在機(jī)構(gòu)中起關(guān)鍵作用[1]。連桿加工質(zhì)量的好壞、穩(wěn)定性對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的順暢及穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響。

以我公司的一款產(chǎn)品為例，其連桿機(jī)構(gòu)單側(cè)由11 個(gè)主要零件精細(xì)組裝而成，其中連桿1（圖1）和連桿2（圖2）作為長(zhǎng)度約600.000 mm 的細(xì)長(zhǎng)件，相較于其他較短桿件加工難度更大。這些桿件經(jīng)過(guò)精密鍛造處理后，需進(jìn)入機(jī)械加工環(huán)節(jié)，以確保安裝面、安裝孔等關(guān)鍵部位的形狀和位置精度達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。針對(duì)這些零件的特殊性和產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，制定一套合理的加工工藝至關(guān)重要。這不僅關(guān)系到零件的加工質(zhì)量，更是實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定生產(chǎn)的核心。為此，我司相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)加工工藝的精心規(guī)劃和優(yōu)化，能夠確保每個(gè)零件的加工精度，提升整體產(chǎn)品的性能和可靠性，從而滿足市場(chǎng)和客戶的高標(biāo)準(zhǔn)需求。

1 連桿加工工藝分析

本文將從連桿材料性能、毛坯尺寸精度、加工設(shè)備、加工工藝順序、刀具選型、夾具及其裝夾定位方式進(jìn)行工藝分析。

1.1 連桿的材料性能介紹

連桿采用一種高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼，主要元素包含C、Si、Mn、S 和P 等。該合金鋼具有重量輕、密度小并且低溫狀態(tài)下沖擊韌性較好，且具有優(yōu)良的抗振性能，能夠滿足敞篷機(jī)構(gòu)要求的材料性能和力學(xué)性能要求。

1.2 連桿加工前的尺寸精度介紹

連桿在加工前采用鍛壓成型工藝， 之后進(jìn)行噴丸及鈑金處理，形成用于機(jī)械加工的毛坯件，毛坯的硬度要求不小于130 HB。同時(shí)為了保證后續(xù)機(jī)械加工的質(zhì)量精度及定位精度，需要確保毛坯的長(zhǎng)度尺寸、厚度尺寸、關(guān)鍵定位面的平行度和平面度、寬度方向外輪廓尺寸以及定位面的高度差等關(guān)鍵控制尺寸精度均在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

1.3 加工設(shè)備介紹

連桿加工采用四軸（X、Y、Z、B 軸）臥式數(shù)控加工中心，具有刀庫(kù)自動(dòng)換刀功能、切削冷卻系統(tǒng)，機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。該類機(jī)床不僅加工精度高，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控孔高效加工，而且在同一臺(tái)機(jī)床上通過(guò)B 軸旋轉(zhuǎn)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)連桿兩個(gè)面的特征機(jī)加工，減少了零件重復(fù)定位及裝夾的誤差。

1.4 連桿機(jī)加工工藝方案及刀具選型方案

在機(jī)械加工過(guò)程中，連桿1 的加工尤為關(guān)鍵，其工藝流程嚴(yán)謹(jǐn)有序。

（1）在一臺(tái)功能強(qiáng)大的四軸臥式數(shù)控加工中心上，完成連桿1 的精準(zhǔn)定位和裝夾。

（2）依據(jù)圖3 所規(guī)定的工藝順序，加工過(guò)程依次展開(kāi)。先是粗銑和精銑，確保零件兩端的鉸鏈鉚接安裝平面和車頂連桿安裝平面達(dá)到設(shè)計(jì)要求，精度至關(guān)重要，尤其是安裝平面的厚度公差需控制在≤ 0.040 mm 以內(nèi)。

（3）進(jìn)行鉆孔和鉸孔工序，先后加工車頂連桿安裝孔和鉸鏈鉚接安裝孔，每一步都需要精確控制，保證孔徑的公差≤ 0.040 mm。鉆孔完成后，進(jìn)行鉸削加工，以提高孔的尺寸精度和表面質(zhì)量。

（4）進(jìn)行攻絲工序，鉆攻螺紋孔，確保螺紋的精度和強(qiáng)度。

在整個(gè)加工過(guò)程中，選用的刀具以硬質(zhì)合金類為主，包括D40 方肩面銑刀、整體合金類銑刀、鉆頭和倒角刀具，這些高性能刀具保證了加工質(zhì)量和效率。

（5）對(duì)各孔口進(jìn)行倒角處理，并去除毛刺，以提高零件的外觀質(zhì)量和使用性能。整個(gè)加工過(guò)程嚴(yán)格遵循相關(guān)技術(shù)要求和公差標(biāo)準(zhǔn)，確保連桿1 的加工質(zhì)量達(dá)到高精度、高可靠性的要求。

1.5 夾具及裝夾定位方式分析

工件六個(gè)自由度的限制分析，按照3-2-1 原則：兩側(cè)及中間立柱限制Z 方向移動(dòng)及X、Y 方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；左側(cè)、右側(cè)兩個(gè)方向的支撐限制了Y 方向上的移動(dòng)及Z 方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)；右側(cè)X 方向上的限位限制了X 方向的移動(dòng)。其自由度限制合理，符合六點(diǎn)定位原則（圖4）。在連桿的定位方面，各定位面均為鍛壓成型的毛坯面，且零件寬度較大，需要考慮零件裝夾的一致性和穩(wěn)定性。

2 連桿工藝優(yōu)化

針對(duì)以上的工藝分析及實(shí)際加工情況，技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)加工過(guò)程中的主要問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化及解決，包括：連桿銷壓裝困難、加工孔位置超差和偏移和絲錐異常斷刀。

2.1 優(yōu)化鉸刀，保證連桿銷孔尺寸精度

在連桿加工過(guò)程中，鉚接孔的精度直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。以連桿1 的鉚接孔為例，其設(shè)計(jì)銷孔直徑為10.080 mm（-0.040/0），旨在確保與銷子的精確配合。然而，在鍍鋅處理過(guò)程中，鍍鋅層的厚度介于0.005 ～ 0.016 mm 之間，這使得銷孔的實(shí)際直徑變?yōu)?0.024 ～ 10.075 mm ；與此同時(shí)，銷子的直徑范圍定在10.110 ～ 10.130 mm，這一差異導(dǎo)致了過(guò)盈量計(jì)算的必要性。通過(guò)計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)最小過(guò)盈量Ymin 為-0.035 mm，而最大過(guò)盈量Ymax 高達(dá)-0.106 mm。這樣的最大過(guò)盈量不僅使得銷子的壓裝過(guò)程變得異常困難，而且還可能引起裝配后的連桿功能性問(wèn)題。

為了解決這一問(wèn)題，必須重新審視壓裝需求，并據(jù)此選定過(guò)盈量，同時(shí)對(duì)銷孔的制造公差進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)細(xì)致的計(jì)算和考量，我們決定將銷孔的尺寸及公差調(diào)整為10.100 mm（-0.040/0）。優(yōu)化后的過(guò)盈量范圍為Ymin ＝ -0.015 mm、Ymax ＝ -0.086 mm。這一調(diào)整既保證了銷子的順暢壓裝，又確保了銷孔與銷子之間產(chǎn)生的摩擦力足以抵抗機(jī)構(gòu)工作時(shí)的軸向力，從而確保了連桿的穩(wěn)定性和耐用性。通過(guò)這一改進(jìn)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)不僅解決了銷子壓裝困難的問(wèn)題，還提高了生產(chǎn)效率，減少了因過(guò)盈量不當(dāng)導(dǎo)致的返工和廢品率。精確的尺寸控制和不斷的工藝優(yōu)化是提升產(chǎn)品質(zhì)量、滿足高精度要求的關(guān)鍵所在[2]。

另外，鉸孔加工刀具選用不合理，采用的是φ10H9 的4 刃螺旋鉸銑刀。該刀具由于更偏向與銑削功能，且刃口鋒利（螺旋角、刀尖圓角、刃口前角度），加工不穩(wěn)定，前期刀尖磨損快，往往加工10 ～ 30 件已經(jīng)不能滿足銷孔的尺寸要求。

為此需要去優(yōu)化鉸刀結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的鉸孔采用硬質(zhì)合金6 刃涂層鉸刀，該刀具為左向螺旋右向切削刃口，更適合高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼材料的通孔排屑，且6 個(gè)切削刃采用不等分設(shè)計(jì)以減少切削振動(dòng)。為了進(jìn)一步提升刀具耐磨性刃口采用倒角處理，鉸刀制造尺寸及公差10.095 mm（0/0.040）。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該刀具首件加工尺寸在10.098 ～ 10.099 mm 范圍內(nèi)，可以連續(xù)穩(wěn)定加工500件左右，保證了銷孔尺寸穩(wěn)定的同時(shí)，大幅節(jié)約了刀具更換及零件檢測(cè)時(shí)間。

2.2 解決零件孔位位置度超差及切削量不均問(wèn)題

在連桿1 和連桿2 的精密加工過(guò)程中，定位裝夾的穩(wěn)定性成為了一個(gè)突出的問(wèn)題。具體表現(xiàn)在連桿2 的加工中，將成品零件放置在專用檢具上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)銷無(wú)法順利插入對(duì)應(yīng)的孔中，這表明孔的位置存在明顯的偏差。此外，連桿左右兩端控制尺寸的加工面厚度不穩(wěn)定，波動(dòng)范圍較大，導(dǎo)致零件尺寸超差，不得不報(bào)廢。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，連桿中部φ14 孔的一端安裝面余量不足，而另一端面則加工過(guò)多，這不僅造成了材料浪費(fèi)，還增加了后續(xù)加工的難度。這些問(wèn)題的主要原因在于桿件較長(zhǎng)，在安裝過(guò)程中需要固定多個(gè)點(diǎn)，而員工在上緊過(guò)程中難以精確控制力度，容易導(dǎo)致工件被頂緊變形[3]。加工完成后，由于彈性形變，孔位偏差便顯現(xiàn)出來(lái)。

為了解決這一問(wèn)題，技術(shù)團(tuán)隊(duì)采取了一系列措施來(lái)提升夾具裝夾的穩(wěn)定性與可靠性。首先，我們技術(shù)團(tuán)隊(duì)固定壓塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原有的長(zhǎng)孔固定方式改為更為精確的孔和銷定位方式，這樣可以在很大程度上提高定位精度。同時(shí)，在易振動(dòng)的部位增加了輔助支撐，以增強(qiáng)固定的穩(wěn)定性，減少加工過(guò)程中的振動(dòng)[4]。

2.3 優(yōu)化絲錐異常斷裂問(wèn)題，提升加工效率

在連桿加工環(huán)節(jié)中，特別是在加工M6 和M8 螺紋時(shí)，原本使用的直槽高速鋼直外冷絲錐在攻絲過(guò)程中頻繁出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)斷刀情況的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)斷刀多發(fā)生在攻絲完成后的反轉(zhuǎn)退刀階段，這說(shuō)明斷刀問(wèn)題可能與機(jī)床轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的不同步有關(guān)。為解決這一問(wèn)題，技術(shù)團(tuán)隊(duì)采取了一系列技術(shù)改進(jìn)措施。

首先，技術(shù)團(tuán)隊(duì)選用了新型號(hào)的絲錐，這些絲錐具備內(nèi)冷功能，能夠更有效地冷卻切削區(qū)域，減少絲錐磨損。同時(shí)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)提高了切削參數(shù)，并取消了攻絲過(guò)程中的反轉(zhuǎn)退刀步驟，以減少絲錐在退刀時(shí)受到的沖擊力。此外，技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)床Z 軸絲杠的增益進(jìn)行了精確補(bǔ)償，以改善轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度的同步性，從而顯著降低了斷刀率。

技術(shù)團(tuán)隊(duì)還采用了帶有伸縮刀柄的絲錐，并在加工中實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)的退刀操作[5]。為了減少絲錐在剛性攻絲時(shí)受到的軸向力，技術(shù)團(tuán)隊(duì)引入了柔性浮動(dòng)攻絲液壓刀柄。這種刀柄利用金屬?gòu)椈蓪?shí)現(xiàn)了軸向和徑向的補(bǔ)償，有效減少了加工過(guò)程中的阻力。在傳統(tǒng)的剛性攻絲中，由于絲錐柄部承受了過(guò)多的摩擦力和磨損，尤其是小直徑絲錐，極易因此折斷。而柔性攻絲刀柄的設(shè)計(jì)，使得絲錐在攻絲時(shí)能夠適應(yīng)微小的位置偏差，大大降低了斷刀的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)實(shí)施這些措施，我們不僅提高了絲錐的使用壽命，還大幅提升了螺紋加工的穩(wěn)定性和零件質(zhì)量，從而減少了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，為連桿加工的順利進(jìn)行提供了有力保障。

3 結(jié)束語(yǔ)

敞篷機(jī)構(gòu)連桿作為一種薄壁細(xì)長(zhǎng)桿件，其加工過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題一直是影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在四軸臥式加工中心進(jìn)行加工時(shí)，合理的工藝方案和工藝編排顯得尤為關(guān)鍵。本文全面分析了毛坯設(shè)計(jì)、機(jī)床選擇、夾具設(shè)計(jì)、刀具及參數(shù)選用、切削路徑、工藝順序和定位及夾緊方式等多個(gè)方面，確保了零件加工的精度和效率。針對(duì)加工中遇到的問(wèn)題，本文提出了優(yōu)化加工尺寸公差、改進(jìn)鉸刀結(jié)構(gòu)、優(yōu)化工裝夾具等改進(jìn)方案，并詳細(xì)闡述了工藝優(yōu)化的具體措施。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，這些方案有效提升了敞篷機(jī)構(gòu)連桿的加工質(zhì)量，降低了制造成本，同時(shí)提高了加工效率，為敞篷機(jī)構(gòu)連桿的高效、穩(wěn)定加工提供了可靠的技術(shù)支持。

作者簡(jiǎn)介：甘培良，本科，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。