汽車支架零件加工專用夾具設(shè)計(jì)

摘要：汽車支架零部件多為異形零件，形狀不規(guī)則，存在裝卡困難、加工精度難以保證、且生產(chǎn)效率相對(duì)低下等問(wèn)題，本文針對(duì)此展開(kāi)研究。根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)條件編排合理的加工工藝，即每道工藝對(duì)應(yīng)選擇合適的機(jī)床，并針對(duì)工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)工裝夾具。通過(guò)工裝夾具的設(shè)計(jì)，使工件能精準(zhǔn)、快速地裝卡，既保證了產(chǎn)品精度，又使生產(chǎn)效率提升，加工經(jīng)濟(jì)性增強(qiáng)。夾具設(shè)計(jì)過(guò)程的一些思路和應(yīng)用值得行業(yè)借鑒。

關(guān)鍵詞：零部件；工藝；夾具；精度；效率

中圖分類號(hào)：TG751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

汽車零部件包括種類繁多，其中一部分零部件形狀不規(guī)則，而且批量大，要求加工精度高，這就給機(jī)械加工帶來(lái)了一定的困難。采用普通機(jī)床和通用夾具，存在工件定位困難、體力繁重、操作繁瑣、工作效率低下以及經(jīng)濟(jì)效益差等問(wèn)題。目前，機(jī)床已經(jīng)朝數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床逐漸普及，但普通機(jī)床也有利用價(jià)值，二者要合理利用，相互結(jié)合編排工藝，才能達(dá)到較好的效益。

無(wú)論數(shù)控機(jī)床還是普通機(jī)床，對(duì)于異形零部件的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合理的工裝夾具，才能使工件得到快速、精準(zhǔn)定位，降低加工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高加工精度和工作效率，進(jìn)而增加機(jī)械加工廠的經(jīng)濟(jì)效益[1]。機(jī)床夾具通常分為通用夾具、專用夾具和組合夾具。通用夾具主要裝夾一些形狀較為規(guī)則的零部件；專用夾具主要針對(duì)一些形狀不規(guī)則的異形零部件裝夾并加工某個(gè)部位使用；組合夾具是使用標(biāo)準(zhǔn)化模塊組成的可重復(fù)性使用的夾具[2]。對(duì)于形狀較為復(fù)雜且批量較大的零部件，專用夾具體現(xiàn)出較好的使用性。下面針對(duì)一種汽車支架零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析加工工藝路線來(lái)設(shè)計(jì)工裝夾具。

1 汽車零部件結(jié)構(gòu)分析

如圖1 所示，這是一種異形支架汽車零部件，毛坯由球墨鑄鐵鑄造而成，再進(jìn)行金屬切削加工。零件的兩端分別是圓柱體和法蘭盤(pán)，中間則是含有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的異形連桿。圓柱端的尺寸精度要求較高，其中精加工的外圓部分由三段組成，分別為長(zhǎng)倒角10±0.3×9.3°，中間高負(fù)差尺寸段φ24.9 0 -1 和右端低負(fù)差尺寸段φ24.9 0-0.2，表面粗糙度要求Ra3.2。最右端還有R2±0.5 的圓角作為和臺(tái)階的過(guò)度。內(nèi)孔為截面是正六邊形的通孔，正六邊形兩對(duì)邊間距 12.8+0.202 ，表面粗糙度為 Ra3.2，正六邊形的截面的一條對(duì)角線和支架螺栓連接板底面需要保證一定的角度57°，在內(nèi)孔的端部有倒角要求2±0.5×45°。螺栓連接板底面有平面度要求。以上簡(jiǎn)要分析零部件的尺寸精度和形位公差要求，為下一步做工藝路線設(shè)計(jì)和工裝夾具設(shè)計(jì)做一些準(zhǔn)備工作[3]。

2 汽車零部件加工工藝分析與夾具方案

本零部件首先在鑄造車間鑄造成型，材質(zhì)為球墨鑄鐵，并通過(guò)拋丸和噴砂處理，零部件表面光潔度得到一定的提高。根據(jù)零件圖紙的要求，來(lái)制定具體的切削加工工藝步驟[4]。

（1）根據(jù)圖紙要求，圓柱端和螺栓連接板有形位公差要求，需要選擇數(shù)控車床與合適的夾具對(duì)圓柱端進(jìn)行加工，分別完成長(zhǎng)倒角10±0.3×9.3°，中間高負(fù)差尺寸段φ24.90- 1 mm 和右端低負(fù)差尺寸段 φ24.9-00 .2 mm 三個(gè)尺寸要求。本零部件形狀不規(guī)則，使用通用夾具無(wú)法在數(shù)控車床上牢固裝夾，因此夾具的設(shè)計(jì)就成為精確加工的必要條件。

（2）用已加工的圓柱端為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)夾具。運(yùn)用銑夾具調(diào)整好圓柱軸線和螺栓連接板底面之間的距離和角度，進(jìn)而加工螺栓連接板的底面，達(dá)到圖紙的要求。

（3）圓柱端的內(nèi)孔為內(nèi)六方，先用鉆頭鉆內(nèi)孔，再用拉刀拉出內(nèi)六方。本工序利用前兩道工序加工完成的圓柱端外圓和螺栓連接底板平面為基準(zhǔn)的定位夾具來(lái)固定零部件打孔。

（4）根據(jù)零部件的切削用量，利用兩把拉刀通過(guò)兩次拉削完成。在拉削內(nèi)六方的過(guò)程中，需要運(yùn)用夾具保證內(nèi)六方孔的截面正六邊形的一條對(duì)角線與螺栓連接底板成57°。

3 夾具設(shè)計(jì)

3.1 車夾具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)車夾具要使零件裝夾即快速又牢固。夾具的軸設(shè)計(jì)為中空軸，外徑為φ100 mm，內(nèi)徑為φ60 mm，總體長(zhǎng)度為275 mm（圖2）。設(shè)計(jì)為中空軸并開(kāi)槽，目的是讓待加工的軸端從后方順利進(jìn)入到前方，并調(diào)整其位置。在空心軸的前端設(shè)計(jì)安裝3 個(gè)M16×50 的螺栓來(lái)調(diào)整并固定支架軸端部位，螺栓沿著圓周均布，螺栓孔為螺紋孔。

鑄造零部件的軸端初步定心，需要一個(gè)輔助定位帽。輔助定位帽的外徑為φ60 mm，長(zhǎng)度為90 mm，一端圓周有寬18 mm的U 形槽來(lái)確定其深入長(zhǎng)度，如圖2 中“定位帽”所示。裝夾時(shí)先用定位帽定軸端軸心，并擰緊3 個(gè)螺栓。然后使用夾板固定彎曲臂，鎖緊3 號(hào)螺母即可完成此部位的固定。在固定盤(pán)上還有一個(gè)6 號(hào)零件銷8×45 mm，起到限制鑄造零部件沿加工軸端轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。從夾具設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，需要六點(diǎn)定位來(lái)滿足工件六個(gè)自由度的控制[5]。本車夾具前面3 個(gè)螺栓限制了三個(gè)自由度，盤(pán)后的夾板和盤(pán)可以控制兩個(gè)自由度，盤(pán)后的定位銷又可以控制一個(gè)自由度，這樣六個(gè)自由度被完全控制，為完全定位。

3.2 銑夾具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的銑夾具如圖3 所示。銑夾具設(shè)計(jì)時(shí)可以利用上道工序已經(jīng)車削完成的軸來(lái)作為定位元件。因此圖中設(shè)計(jì)了孔φ24.9F7來(lái)進(jìn)行定位。F7 公差范圍通常在±0.2 和±0.1 之間，軸的尺寸為 φ24.9-00 .2 mm，在公差帶中孔和軸屬于較大的間隙配合，既可以順利穿進(jìn)孔，又可以相對(duì)精確定位。本夾具在設(shè)計(jì)孔時(shí)，左右各一個(gè)，以便左右對(duì)稱零件互換使用。夾具設(shè)計(jì)了M16 螺栓夾板和三個(gè)凸臺(tái)來(lái)固定鑄造零部件中間的彎曲臂部分。

在夾具上端兩側(cè)分別使用M16×50 螺栓進(jìn)行調(diào)整鑄造零部件螺栓連接板的方位并緊固。配有鎖緊螺母一端的螺栓調(diào)整后固定，另一端螺栓松開(kāi)和加緊。在裝夾鑄造零部件時(shí)，只需要使軸端伸進(jìn)定位孔φ24.9F7，擰緊無(wú)鎖緊螺母的M16 螺栓，再擰緊壓板螺栓即可。

3.3 鉆夾具設(shè)計(jì)

鉆夾具的設(shè)計(jì)如圖4 所示。圖紙要求零部件軸端內(nèi)六方孔對(duì)邊間距為12.8 mm，且孔的中心線和螺栓連接板底面的距離為121.9 mm。加工時(shí)優(yōu)先考慮的定位元素是軸端外圓φ24.9 mm 和軸端中心線和螺栓連接底板的距離121.9 mm。圖紙中軸端外圓φ24.9 最大的部位為φ24.90 -0. 2 mm，公差取中為φ24.8 mm，因此在設(shè)計(jì)鉆夾具時(shí)定位套內(nèi)孔設(shè)計(jì)為略大于φ24.8 mm 的尺寸。定位孔和螺栓連接板墊塊之間的間距為121.09±0.05 mm，從而達(dá)到了圖紙的要求。另外，支撐件螺柱M16×140 和厚螺母M16，及定位套φ24.8 mm 限制了兩個(gè)自由度。

本加工件需鉆孔的直徑為φ12.8 mm，大于φ10 mm，在鉆孔加工過(guò)程中存在較大的切削力，所以鉆模設(shè)計(jì)為固定式。由于孔位精度高，采用固定式鉆套，鉆套的內(nèi)徑為φ12.8+0.0 01 8 mm，外徑為φ34+0.033 +0.017mm。鉆套內(nèi)孔和鉆頭屬于基軸制間隙配合，內(nèi)孔為所用鉆頭最大極限尺寸。鉆套外徑和鉆模板屬于小過(guò)盈配合，位置精度高。鉆套和定位套之間的同軸度要控制在φ0.02 mm 以內(nèi)。

本夾具采用裝配式鉆模板，圓柱銷定位，螺釘緊固。鉆模板銷孔和定位銷之間要高精度配合，因此銷孔的公差取H7，具體的尺寸為φ6+0.0120 mm。鉆夾具能同時(shí)滿足左右對(duì)稱零部件的互換式裝夾。在進(jìn)行下道工序前，還要使用φ20 mm 的鉆頭對(duì)φ12.8 mm 孔的端部進(jìn)行倒角處理，完成2±0.5×45°尺寸的要求。

3.4 拉夾具設(shè)計(jì)

鑄造零部件進(jìn)入到拉床工序， 是為了完成對(duì)邊距離為12.8 mm 的內(nèi)六方孔的加工。從圓孔加工為內(nèi)六方孔可以使用插床、線切割或拉床進(jìn)行加工。插床和線切割加工時(shí)，效率低，速度慢，不適宜大批量生產(chǎn)，而拉床就比較適合。拉刀結(jié)構(gòu)主要由柄部、前導(dǎo)部、切削部、校準(zhǔn)部和后導(dǎo)部組成，刀具表面上有多排刀齒。本工序采用臥式拉床進(jìn)行加工，由拉床的液壓機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀架，使拉刀穿過(guò)鑄造零部件的內(nèi)孔進(jìn)行拉削加工。根據(jù)切削用量和壽命之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了2 把拉刀，這樣就大大減小了拉刀的磨損，提高了壽命。

拉夾具的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，就是一個(gè)和底面有夾角的墊板。拉夾具的設(shè)計(jì)是分開(kāi)進(jìn)行的，首先是拉床支撐板定位孔，位于拉刀中心線上。此定位孔需要穿入鑄造零部件的軸端，尺寸確定為φ24.9F7。圖紙要求軸端內(nèi)六方和螺栓連接板底面有57°的相對(duì)位置關(guān)系，這就要求螺栓連接板底面和工作臺(tái)平面有一個(gè)夾角，通過(guò)計(jì)算為27°，即拉夾具外形斜面角度。拉夾具材質(zhì)選擇HT250，鑄造完成后對(duì)重點(diǎn)平面進(jìn)行機(jī)械加工即可使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)汽車鑄造異形零部件的專用夾具的設(shè)計(jì)，了解了面對(duì)一些異形零部件如何去分析結(jié)構(gòu)，采用相應(yīng)的工藝和工裝夾具達(dá)到圖紙的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度的要求。一道工序的進(jìn)行，不僅要考慮到本道工序的加工和工裝設(shè)計(jì)，同時(shí)要考慮到下道工藝的進(jìn)行和工裝的定位，做到上下銜接和環(huán)環(huán)相扣。夾具的設(shè)計(jì)，要同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)合理、精度匹配、制造方便、相似互換、使用靈活等因素。經(jīng)生產(chǎn)檢測(cè)，本套夾具能滿足生產(chǎn)需要，生產(chǎn)效率和加工精度受到客戶認(rèn)可。

備注：商丘工學(xué)院2024 年度校級(jí)科研項(xiàng)目《桌面級(jí)三軸CNC 雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)制作及在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用》（項(xiàng)目編號(hào)：2024KYXM11）。

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作者簡(jiǎn)介：

陳晨，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。