李 燕

（上海交運(yùn)汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司，上海 200129）

工藝設(shè)備

轎車變速箱薄壁零件車削夾具設(shè)計(jì)

李 燕

（上海交運(yùn)汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司，上海 200129）

在汽車零部件制造企業(yè)生產(chǎn)中，夾具在保證工件加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)率和降低成本等方面起著越來越重要的作用。薄壁零件具有重量輕、用料少、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在汽車零部件生產(chǎn)中占了很大的比例。由于薄壁零件具有剛性差、強(qiáng)度弱等特點(diǎn)，在加工中極易發(fā)生形變，使零件的形位誤差增大，不易保證零件的加工質(zhì)量。針對這一問題，文中采用彈性夾具，并對彈簧夾頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過有限元分析方法，驗(yàn)證了利用優(yōu)化的夾具對薄壁零件進(jìn)行裝夾加工能有效保證此類零件的加工精度。

薄壁零件；加工工藝；夾具設(shè)計(jì)；建模優(yōu)化

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-101-04

引言

汽車變速箱中薄壁零件很多，這類零件對于變速箱的整體性能起著至關(guān)重要的作用。薄壁零件具有重量輕、用料少、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，然而，薄壁零件剛性差，在制造過程中受到夾緊力、切削力、切削熱和殘余應(yīng)力等因素的作用時(shí)極易產(chǎn)生變形，所以控制加工變形是保證薄壁零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵。但是由于薄壁件種類繁多，變形影響因素也錯(cuò)綜復(fù)雜，因而工裝夾具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化非常重要。

本文介紹了轎車發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱中某薄壁零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對引起薄壁零件加工變形的因素進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)并優(yōu)化彈性夾具，通過有限元分析驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效地保證此類零件的加工精度，有效減小零件在車削過程中的變形，確保零件的加工質(zhì)量。

1、轎車變速箱薄壁零件車削工藝規(guī)程設(shè)計(jì)

1.1 轎車變速箱薄壁零件

薄壁零件如圖1所示，材料采用SAE1035（國產(chǎn)35#代）熱軋鋼板，大批量生產(chǎn)。工件夾持直徑為136.5mm，圓跳動(dòng)公差為0.08，σs≥20%內(nèi)外徑的尺寸精度要求較高，屬較大直徑的薄壁零件，各技術(shù)要求可見表1。

表1 薄壁零件技術(shù)要求

1.2 影響薄壁零件加工精度的因素

影響薄壁零件加工因素有許多，如機(jī)床的幾何誤差、夾具誤差、工藝系統(tǒng)的受力變形、受熱變形、振動(dòng)變形、調(diào)整誤差、工件殘余應(yīng)力引起的誤差等等，其主要為受力變形、受熱變形和振動(dòng)變形三個(gè)方面，其他影響因素見圖2。

（1）受力變形：因工件壁薄，強(qiáng)度弱，在卡盤上夾緊時(shí)夾緊力不均衡會(huì)使零件產(chǎn)生變形，造成零件的圓度誤差，從而影響工件的尺寸精度和形狀精度；

（2）受熱變形：由于切削熱、摩擦熱、派生熱源、環(huán)境溫度等等因素，使工藝系統(tǒng)各部分的變形產(chǎn)生差異，從而破壞了刀具與工件的準(zhǔn)確位置及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，特別是薄壁零件更容易產(chǎn)生變形，使工件尺寸難于控制；

（3）振動(dòng)變形：在切削力(特別是徑向切削力)的作用下，容易產(chǎn)生受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，在加工表面留下振動(dòng)痕跡，影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。

1.3 轎車變速箱薄壁零件車削加工工藝路線

制定工藝路線的出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)是使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求能得到合理的保證，在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定為大批生產(chǎn)的條件下，可以采用萬能機(jī)床配以專用工裝夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此以外，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)效果，以便降低生產(chǎn)成本，歸納為表2。

表2 加工工藝路線考慮的因素

工序10：車外圓φ139±0.3mm和φ150.5±0.3mm，選用YV-200E CNC立式車床和專用夾具。

工序20：車削端面，保證最小尺寸67.8mm，選用YV-200E CNC立式車床和專用夾具。

工序30：精、細(xì)鏜孔φ54.9mm，選用T740金剛鏜床。

按照上述工藝路線，使加工過程中工裝夾具安裝方便，也不容易造成加工誤差，方案合理。

1.4 轎車變速箱薄壁零件加工余量、工序尺寸的確定及刀具選取

根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)及加工工藝，分別確定各加工表面的機(jī)械加工余量、工序尺寸：

（1）工序10：外圓表面φ139±0.3mm。

按照《機(jī)械加工工藝手冊》取加工精度IT9，毛坯復(fù)雜系數(shù)S2，則外圓表面加工余量為1.0～2.0mm，取Z=1.5mm。毛坯公差按《機(jī)械加工工藝手冊》，材料系數(shù)取M1，復(fù)雜系數(shù)S2，則毛坯的偏差為±0.3mm。

由于毛坯及以后各道工序（或工步）的加工都有加工公差，因此所規(guī)定的加工余量其實(shí)只是名義上的加工余量。實(shí)際上，加工余量有最大及最小之分。

由于本設(shè)計(jì)規(guī)定的零件為大批生產(chǎn)，應(yīng)該采用調(diào)整法加工，因此在計(jì)算最大、最小加工余量時(shí)，應(yīng)按調(diào)整法加工方式予以確定。

外圓端面尺寸加工余量和工序間余量及公差為：

加工前尺寸：最大為140.8mm，最小為140.2mm

加工后尺寸：最大為139.3mm，最小為138.7mm

加工余量（單邊）：1.5mm

加工公差（單邊）：±0.3mm

綜合考慮，工藝路線如下：

硬質(zhì)合金刀具具有強(qiáng)度高，抗沖擊和抗振性能好等特點(diǎn)，故選硬質(zhì)合金90°車刀。

（2）工序20：端面圓φ126±0.5mm

零件端面厚度在車削時(shí)要將零件總寬度控制在最小尺寸為67.8mm，在車削端面圓φ126±0.5mm時(shí)，外圓端面尺寸加工余量和工序間余量及公差為：

加工后端面圓尺寸：最大為126.5mm，最小為125.5mm

切削掉的端面厚度：最大為1.9mm，最小為1.8mm

加工余量（單邊）：0.9mm

毛坯為旋壓制成，已有孔φ52mm。內(nèi)孔精度要求介于IT7～I(xiàn)T8之間，參照《工藝手冊》表2.3-9及表2.3-12確定工序尺寸及余量見表3：

表3 各工序尺寸及加工余量

2、轎車變速箱薄壁零件車削夾具設(shè)計(jì)

為解決薄壁零件剛性差、強(qiáng)度弱，在切削力，特別是徑向切削力、夾緊力等的作用下，極容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形的問題，并考慮到裝夾快速省力、有一定的適用范圍等方面，綜合分析選擇彈簧夾頭來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的夾具。

2.1 車削夾具的優(yōu)化

本夾具主要用來粗車外圓及端面，零件屬于大直徑薄壁零件，在車削加工過程中，由于裝夾、切削力等因素，極易產(chǎn)生變形，很難保證零件的加工精度和使用要求。為提高零件的加工質(zhì)量，以傳統(tǒng)彈簧夾頭為基礎(chǔ)優(yōu)化改進(jìn)了一套夾具，利用橡膠彈性收縮的特性來夾緊零件，使零件受力均勻，可以有效地減小零件在車削過程中的變形，確保零件的加工質(zhì)量，傳統(tǒng)的普通彈簧夾頭如圖3所示。

2.2 定位基準(zhǔn)和定位方案的選擇

定位基準(zhǔn)的選擇對保證加工精度和夾具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度均有很大影響。在考慮定位方案時(shí)，應(yīng)該按工件的精度要求、工序內(nèi)容等來決定應(yīng)限制自由度的數(shù)目和方向。進(jìn)而選擇好定為基準(zhǔn)，并考慮所需的定位元件。

本設(shè)計(jì)中，薄壁零件的中心要素為軸線，故選取該軸線為定位基準(zhǔn)。定位方案采用定心夾緊機(jī)構(gòu)（彈性夾頭），因?yàn)槎ㄐ膴A緊機(jī)構(gòu)能夠在準(zhǔn)確自動(dòng)定心或?qū)χ械耐瑫r(shí)夾緊工件，所以機(jī)構(gòu)中與工件定位基準(zhǔn)相接觸的元件，既是定位元件又是夾緊元件。采用定心夾緊機(jī)構(gòu)的定位方案，能實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)重合，可提高定位精度，見表4。

表4 各加工面定位基準(zhǔn)

工件定位時(shí)，影響加工精度要求的自由度必須限制；不影響加工精度要求的自由度可以限制也可以不限制，本設(shè)計(jì)中的工件共限制了5個(gè)自由度：3個(gè)移動(dòng)自由度（xr，yr，zr）和2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度（x),y)），繞軸線（z)軸）方向的自由度沒有被限制，屬于不完全定位，但在實(shí)際加工工程中，由于彈簧夾頭夾緊力的作用下，工件又屬于完全定位，因此，加工方案符合加工要求，可采用。

2.3 夾頭設(shè)計(jì)

2.3.1 普通彈簧夾頭的不足

在一般自動(dòng)，半自動(dòng)機(jī)床及儀表機(jī)床上夾持零件，刀具或支持切削棒料的回轉(zhuǎn)，薄壁零件的切削，都廣泛地使用彈簧夾頭。但普通的彈簧夾頭仍有一些問題需要解決和改進(jìn)，具體如下：

（1）彈性段的彈力過大和應(yīng)力集中，使變形量不均勻，對工件的損耗和使用壽命極為不利。

（2）彈性段的硬度難以控制是影響使用壽命的關(guān)鍵。不能兼顧彈性段的疲勞壽命和工作孔的耐磨性，對熱處理要求較高。

2.3.2 改進(jìn)后彈簧夾頭的特征

針對以上問題設(shè)計(jì)一套可靠，穩(wěn)定的彈性車削夾具，利用彈性可脹心軸的原理，可以有效減小零件在車削過程中的變形，確保零件的加工質(zhì)量。彈簧夾具是一種利用夾爪的彈性變形使工件或刀具定心和夾緊的機(jī)床附件。該夾具的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是填充橡膠材料，如圖4所示。

采取橡膠材料填充物能確保了整個(gè)彈簧夾頭能夠富有彈性，以利于收縮和松開，最主要的是這樣能使變形量均勻，穩(wěn)定且彈簧收縮范圍大，零件不易變形。除此之外，在原有的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將彈簧夾頭的外錐面的頭部沿軸向開有6條等分（對稱各3條），錐度采用10°，這既可以有效保證彈簧夾頭能迅速脹開和收縮，又能減小膨脹過大變形給工件定位精度帶來的不利影響，并使彈簧夾頭在撐開時(shí)與工件和心軸表面有良好的接觸。由于在車削過程中主軸帶動(dòng)夾具和工件高速旋轉(zhuǎn)就會(huì)產(chǎn)生一定的離心力，會(huì)影響到工件的加工精度，該離心力的大小與整個(gè)夾具系統(tǒng)的重量成正比，因此，為減小加工過程中由于高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力，就應(yīng)盡量減輕夾具的重量，而橡膠材料的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)輕于原有的滲碳軸承鋼，以達(dá)到減重的目的。定位套材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理。

除此之外，彈簧夾頭采用彈性較好的滲碳軸承鋼制成，與聚氨酯橡膠的填充物結(jié)合能經(jīng)熱處理使頭部外錐與夾爪內(nèi)壁有較高硬度以保證堅(jiān)硬耐磨，對熱處理的要求也降低了。

2.3.3 彈簧夾頭有限元對比分析

用CATIA軟件來進(jìn)行普通彈簧夾頭與改進(jìn)后的彈簧夾頭夾緊力分析，在彈簧夾頭上施加1100N的載荷，得到計(jì)算（包括網(wǎng)格自動(dòng)劃分）、解方程和生成應(yīng)力應(yīng)變的結(jié)果。

普通夾頭工作部分的位移從下到上是由小變大的，網(wǎng)格分布不均勻，如圖5所示。

通過馮米斯應(yīng)力（Stress Von Mises)可以顯示應(yīng)力分布情況。圖6是改進(jìn)后彈簧夾頭和普通彈簧夾頭應(yīng)力分布對比，顏色從藍(lán)到紅，表示應(yīng)力逐漸變大。通過兩個(gè)圖比較，可以得出普通的彈簧夾頭在夾緊工件時(shí)，零件上的應(yīng)力分布是不均勻的，上部顏色為紅色，表示所受應(yīng)力最大，下部零件應(yīng)力逐漸變小，而改進(jìn)后的彈簧夾頭應(yīng)力分布是均勻的，顏色均勻。

改進(jìn)后的彈簧夾頭壽命要比普通的彈簧夾頭壽命長，聚氨酯橡膠的疲勞壽命可達(dá)100萬次以上，橡膠與夾頭的粘合部位也有足夠的抗剪強(qiáng)度，實(shí)踐可知，改進(jìn)后的彈簧夾頭壽命可達(dá)20萬次以上，使用效果很好。

綜上所述，采取橡膠材料填充物的彈簧夾頭能確保了整個(gè)彈簧夾頭能夠富有彈性，以利于收縮和松開，最主要的是這樣能使變形量均勻，穩(wěn)定且彈簧收縮范圍大，零件不易變形。

3、結(jié)語

改進(jìn)后的彈簧夾頭能夠滿足剛性較差的薄壁零件，在夾緊力的作用下不容易產(chǎn)生振動(dòng)，且變形量均勻，裝夾可靠，壽命長，耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)，很好地保證了薄壁零件的加工質(zhì)量。

[1]李洪.機(jī)械加工工藝手冊[M]，北京:北京出版社，1998.

[2]趙鳳春. FMS 中夾具設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的開發(fā)[J].信息技術(shù),2000 (5):10-11.

[3]靜恩鶴．車削刀具技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例[M]，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

[4]鄭聯(lián)語，汪叔淳．薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)方法[J].北京：航空學(xué)報(bào)，2001，22(5):35-40．

[5]沈春香.小型彈簧夾頭的亞溫淬火[J].機(jī)械工人（熱加工）,2002 (3):113-115.

[6]祁宏志. 彈簧夾頭的熱處理工藝[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2002 (11):58-63.

Turning Fixture Design of Thin-walled parts for Car Transmission

Li Yan
（Shanghai JiaoYun Power Co., Ltd., Shanghai 200129）

Fixture has been playing an important role in insuring the workpiece quality, increasing productivity and reducing costs from the production of enterprises for auto parts .It accounts for a large proportion in automobile spare parts manufacturing as its characteristics of light weight,material-saving and compact structure.Thin-walled parts will be deformed in the process very easily as a result of their poor rigidity, which affect the quality of production for thin-walled parts directly. In order to reduce the deformation of workpiece in the processing, this paper adopts flexible fixture, and the optimization design was carried out on the collet chuck. the thin-walled parts' accuracy of processing can be effectively guaranteed by finite element analysis method and using the optimized fixture.

thin-walled parts; process; design of spring; Modeling optimization

U463.2

A

1671-7988(2015)04-101-04

李燕，就職于上海交運(yùn)汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司。