郭宙

(北京汽車動力總成有限公司技術(shù)中心，北京 101108)

近年來，在汽車制造行業(yè)中，隨著產(chǎn)能需求的急劇增加，零件加工效率需要相應提高，傳統(tǒng)普通夾具已不能滿足生產(chǎn)要求，需要用自動化高效液壓夾具來代替。高效液壓夾具在實際工作中可減少整個工件的加工周期和輔助時間，從而進一步提高企業(yè)的生產(chǎn)率，也減輕所有工人的整體勞動強度。高效液壓夾具主要體現(xiàn)在夾具動作高速化、自動化及采用液壓系統(tǒng)控制等，并保證安全冗余性。

為了保證變速箱殼體 (含變速器殼體及離合器殼體)按期達到量產(chǎn)能力，某司決定將現(xiàn)有3臺HELLER單主軸雙工位臥式加工中心利用起來，決定設(shè)計并制造6套加工中心液壓夾具來實現(xiàn)殼體的自制生產(chǎn)。該變速箱為一款五速手動變速箱，其殼體包括變速器殼體、離合器殼體及差速器殼體，其中差速器殼體委外制造，離合器殼體及變速器殼體采用自制方式。關(guān)于該殼體采用何種夾具形式，則通常由加工中心精度情況、產(chǎn)品特征、工藝過程及產(chǎn)能等因素決定。為了滿足前期試生產(chǎn)時人工上下料的要求，同時在后期量產(chǎn)時亦能夠?qū)崿F(xiàn)機器人上下料，采用了人工上下料及機器人上下料便利性轉(zhuǎn)換裝置;為方便人工上下料，設(shè)計了導向柱，在人工熟練掌握上下料后可將其拆卸;為了達到殼體生產(chǎn)要求精度，對夾具設(shè)計了增壓及可調(diào)壓功能、氣密性防錯檢測及輔助支撐功能;為了避免在夾具交換過程中由于漏油而導致殼體從夾具脫落情況的發(fā)生，對夾具設(shè)計了雙重保壓功能;為了消除殼體毛坯定位銷孔一致性欠佳造成的影響，采用了圓銷及菱銷定位方式，并使其具備可調(diào)整功能;此外，該夾具采用一面兩銷定位、三點夾緊方式，并采用輔助支撐以消除殼體受力不均導致加工精度降低的影響。

1 殼體夾具液壓系統(tǒng)設(shè)計原理

整體來講，該司變速箱殼體加工中心夾具液壓系統(tǒng)的設(shè)計綜合考慮了機床供油供氣方式及相關(guān)參數(shù)、加工工藝要求、安全性要求等內(nèi)容。

1.1 HELLER加工中心相關(guān)數(shù)據(jù)

HELLER加工中心為單主軸雙工位臥式加工中心，產(chǎn)于2001年，采用SIMENS 840D數(shù)控操作系統(tǒng)，主軸最高轉(zhuǎn)速為16 000 r/min，刀庫最大容量為81。該加工中心有效加工范圍如下:X軸為－315～315 mm，Y軸為100～730 mm，Z軸為100～730 mm，因此夾具設(shè)計必須考慮工件位置在該范圍之內(nèi)。此外，HELLER加工中心集中供油泵出口壓力為6 MPa，機床壓縮空氣進口壓力為0.6 MPa，液壓夾具與機床連接方式為快換接頭連接，位于工作臺回轉(zhuǎn)中心，并采用機床推薦使用的快換接頭。該快換接頭有5個接口，其中3個油路孔、2個氣路孔。在該變速箱殼體加工中心液壓夾具油路設(shè)計中將會用到全部3條油路孔及其中一條氣路孔D，這3條油路孔分別為夾緊供油孔A、松開供油孔B、控制油路孔C。

1.2 工藝功能要求及設(shè)計實現(xiàn)及液壓件選用

該變速箱殼體屬于鋁合金鑄件，且加工余量較小，既要保證能被夾具夾緊保證精度要求，又要避免由于夾緊力過大引起變形，因此決定采用中低壓夾具，夾緊力范圍在6～18 MPa，且能根據(jù)需求調(diào)整。由于機床出口壓力為6 MPa，因此必須借用油壓增壓器來達到所需壓力要求，目前選用增壓倍數(shù)為3倍的增壓缸即可滿足要求。此外，要實現(xiàn)工件夾緊壓力可調(diào)，必須在油路中接入可調(diào)減壓閥來滿足壓力可調(diào)要求。工件在夾緊過程中，有一系列的動作順序，工件首先被夾緊油缸夾緊后，再由輔助支撐缸輔助支撐工件，力求達到殼體在加工時能均勻受力，因此必須用到順序閥來實現(xiàn)各個動作的連續(xù)性。另外，在夾具夾緊工件之后，必須要告知機床控制系統(tǒng)上料已準備完畢，因此存在1個夾具夾緊告知信號，此時需要用到上文中提到的控制油路孔C孔。如何才能得到該控制信號呢?答案就是讓機床來檢測到其控制油路中存在油壓，即夾具夾緊工件后，其夾緊油路A口持續(xù)供油，在不影響工件夾緊的前提下，多余的液壓油需要通過控制口C孔返回。要實現(xiàn)該要求，需要組合使用順序閥及液控換向閥，具體見圖1。

圖1 變速箱殼體加工中心夾具液壓原理圖

通過C孔返回的油路與夾緊油路A之間存在1個單向閥，在單向閥與快換接頭C孔油路之間裝有1個壓力開關(guān)，當壓力到設(shè)定值時，開關(guān)開始動作，并將開關(guān)信號傳遞至機床控制系統(tǒng)，告知機床夾具已準備完畢，具體見圖2，其中A、B、C、D油路對應圖2中鎖緊油路A、松開油路B、控制油路C、氣密檢測口D;6 MPa為機床液壓系統(tǒng)油壓值，0.6 MPa為工廠壓縮空氣氣壓值。

圖2 機床工作臺內(nèi)部部分油路簡圖

1.3 安全性要求及相關(guān)液壓件選用

該變速箱殼體單件質(zhì)量在5 kg左右，在交換工位過程中，交換工位時間較短，如果由于夾具漏油而造成夾具卸荷，將直接導致殼體從夾具上脫離，存在安全隱患。因此，為了避免發(fā)生生產(chǎn)安全事故，必須在油路中添加液控單向閥，在達到一定壓力時能夠?qū)崿F(xiàn)保壓。雖然油壓增壓器具備液控單向閥功能，但僅有此是不足夠的，因為油壓增壓器如果發(fā)生漏油，同樣將造成嚴重后果。鑒于此，必須在油壓增壓器之后和可調(diào)減壓閥之前裝配一個液控單向閥，通過兩個液控單向閥來實現(xiàn)夾具雙重保壓，為安全生產(chǎn)提供雙保險。在選用液控單向閥時，務必要注意液控單向閥開啟壓力要低于機床所供油壓，否則會發(fā)生夾具無法回油、卡爪無法松開的情況。

2 該變速箱殼體液壓系統(tǒng)故障及分析

2.1 夾具裝入機床后無任何動作

在首次將夾具裝入機床后，執(zhí)行相關(guān)動作時，夾具無任何動作。在測試點接頭處接入油壓表之后，執(zhí)行相關(guān)動作時，油壓表無壓力數(shù)據(jù)顯示，初步判斷機床未對夾具供油，機床與夾具連接裝置即快換接頭未打開。將夾具吊離機床后，經(jīng)過重新測量，發(fā)現(xiàn)快換接頭嚙合面距離機床夾具安裝參考面尺寸短1 mm。在添加1 mm墊片后，再次將夾具裝入機床后夾具開始有各種動作，該問題得到解決。

2.2 夾具有動作，但夾具底板處漏油

在上一問題解決后，夾具動作基本恢復，但幾小時過后，某套夾具底板處開始大量滲出液壓油，在采取緊急措施后，開始排查問題。分析確定，底板處漏油并非夾具油管漏油所致，而是底板處快換接頭漏油導致的。將該夾具吊離機床，經(jīng)過仔細觀察發(fā)現(xiàn)其快換接頭上一個單向閥受外力撞擊已變形，此處漏油嚴重，經(jīng)判定是在運輸過程中被撞擊所致。在更換全新單向閥后，問題得到解決。

2.3 夾具夾緊動作正常，但無法卸荷松開

在后續(xù)試生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)全部6套夾具夾緊工件動作正常，但是偶爾發(fā)生夾具在夾緊工件后無法卸荷松開工件的現(xiàn)象。經(jīng)過多次分析，機床油路及控制系統(tǒng)均正常，夾具油路及各種控制閥也均合格。受困于該故障是偶發(fā)現(xiàn)象，開始排查夾具執(zhí)行松開動作時，松開油路各個節(jié)點處的油壓。后來發(fā)現(xiàn)問題出在油壓增壓器及其出口處的液控單向閥，但仍然未找到癥結(jié)所在。在詳細分析了油壓增壓器及液控單向閥的相關(guān)參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，油壓增壓器內(nèi)置液控單向閥及外接液控單向閥開啟壓力不一致，油壓增壓器內(nèi)置液控單向閥開啟壓力大約為油壓增壓器出口壓力的10%，即1.8 MPa，遠低于機床供油壓力，而外接液控單向閥RH-1型開啟壓力約為6.5 MPa，稍高于機床供油壓力，問題即由此導致。在將此RH-1型液控單向閥更換為RH3V型之后，全部6套夾具動作均恢復正常，再未發(fā)生過無法回油的情況 (注:RH-1型液控單向閥及RH3V型液控單向閥的開啟壓力均由其出口壓力決定，在該夾具液壓系統(tǒng)中，其出口壓力均為18 MPa左右)。

3 結(jié)論

該變速箱殼體加工中心夾具液壓系統(tǒng)的設(shè)計不僅保證了殼體加工時的穩(wěn)定性、生產(chǎn)安全性要求，同時結(jié)合了邏輯控制理念及本質(zhì)安全設(shè)計理念，其設(shè)計是比較成功的，表現(xiàn)如下:

(1)增壓及可調(diào)壓功能、氣密性檢測及輔助支撐功能表現(xiàn)良好，滿足加工使用要求;

(2)安全保壓系統(tǒng)，即由油壓增壓器及液控單向閥組成的保壓系統(tǒng)在整改之后發(fā)揮了出色的安全性能，滿足了殼體在加工時的安全要求;

(3)在生產(chǎn)驗證過程中，多個問題的出現(xiàn)，暴露了在設(shè)計過程中態(tài)度不夠嚴謹及相關(guān)液壓元件選用不合理的弱點，亟需在以后工作中徹底避免。

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