◎文/張光燦 李大洋（安徽星瑞齒輪傳動有限公司）

隨著國家對汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高以及汽車市場的發(fā)展，汽車變速器轉(zhuǎn)型升級、更新?lián)Q代勢在必行。這將產(chǎn)生兩種影響，一方面，在產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級過程中難免會有結(jié)構(gòu)特殊產(chǎn)品，給夾具設(shè)計帶來一定難度；另一方面，在產(chǎn)品更新?lián)Q代的過程中會出現(xiàn)小批量多品種的混合生產(chǎn)模式。在汽車變速箱傳動部分結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常會有3種軸齒類零部件，即輸入軸、輸出軸、中間軸，其定位如果采用傳統(tǒng)的兩中心孔定位、彈性漲套夾緊驅(qū)動式夾具，存在定位精度低、夾具通用性差以及過定位等問題，嚴(yán)重影響軸類零件加工精度和效率的提升。而端面驅(qū)動夾具在軸齒類零件加工中具有精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和通用性強(qiáng)的優(yōu)勢，為提高產(chǎn)品加工質(zhì)量、降低加工成本，端面驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用已成為趨勢。

一、端面驅(qū)動夾具的組成結(jié)構(gòu)與工作原理

端面驅(qū)動夾具由驅(qū)動座、下頂尖、壓縮彈簧、堵蓋、夾具體及連接的標(biāo)準(zhǔn)螺栓組成。驅(qū)動座有整體、單體區(qū)分，即撥齒與撥齒固定座之間結(jié)構(gòu)為整體或單體。整體驅(qū)動座上的撥齒通常采用直接加工成型或鑲嵌焊接硬質(zhì)合金的方式，撥齒損壞后不可更換。單體采用固定座與撥桿組成，在撥桿底部設(shè)計有平衡塊，以調(diào)節(jié)各撥桿上的撥齒平臺在同一截面上，保證每個撥齒的工作壓力相同，撥齒損壞后可以更換撥桿。撥桿的材料可采用整體硬質(zhì)合金、優(yōu)質(zhì)工具鋼、鑲嵌式硬質(zhì)合金等。下頂尖可以通過壓縮彈簧沿驅(qū)動座/固定座內(nèi)孔軸向伸縮，即為浮動頂尖。浮動下頂尖隨機(jī)床尾架頂尖壓緊被加工產(chǎn)品而收縮，隨機(jī)床尾架頂尖脫離被加工產(chǎn)品而伸出。堵蓋將下頂尖壓縮彈簧固定在驅(qū)動座/固定座內(nèi)。夾具體即為連接機(jī)床與驅(qū)動座之間的銜接部件。圖1為單體驅(qū)動座端面驅(qū)動夾具結(jié)構(gòu)示意圖。

端面驅(qū)動夾具的工作原理：采用夾具下頂尖、機(jī)床尾架頂尖定位被加工產(chǎn)品兩端中心孔，使得被加工產(chǎn)品與機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)中心重合，充分保證了加工精度。通過尾架頂尖工作壓力，使得驅(qū)動座上的撥齒嵌入被加工產(chǎn)品端面，隨機(jī)床工作臺一起旋轉(zhuǎn)。

圖1 單體驅(qū)動座端面驅(qū)動夾具結(jié)構(gòu)示意圖

二、端面驅(qū)動夾具的優(yōu)點和缺點

端面驅(qū)動改進(jìn)了傳統(tǒng)的夾持方式，具有以下優(yōu)點：在車削中代替了卡盤，在磨削中代替了雞心夾，一次裝夾即可完成整個工件車削或磨削全加工，縮短了裝夾輔助時間；在滾、磨齒中代替了彈性漲套驅(qū)動，避免了過定位造成的夾具定位精度低問題；以被加工軸齒的兩端中心孔（中心軸線）定位，使被加工產(chǎn)品與機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)中心重合，充分保證了軸齒的加工精度，且加工質(zhì)量穩(wěn)定；采用伸縮頂尖定位，端面撥齒驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，夾具通用性更強(qiáng)。

但由于端面驅(qū)動是通過機(jī)床尾架頂尖工作壓力使驅(qū)動座上的撥齒嵌入被加工產(chǎn)品端面，隨機(jī)床工作臺一起旋轉(zhuǎn)，因此端面驅(qū)動有如下缺點：由于會對端面產(chǎn)生較小的塑性變形，只適用于對產(chǎn)品端面沒有較高要求的軸齒類產(chǎn)品加工，適用范圍有限；由于驅(qū)動位置在軸齒類產(chǎn)品的端面，在深槽車、銑加工和模數(shù)較大的齒輪滾齒加工時會由于撥齒韌性問題導(dǎo)致切削效率不高；機(jī)床尾架頂尖需提供足夠且穩(wěn)定的壓力，普通機(jī)床或手動尾架磨床不能滿足端面驅(qū)動夾具使用要求；在高速旋轉(zhuǎn)中為防止打滑，其旋轉(zhuǎn)方向只能有一個方向。

三、設(shè)計應(yīng)用

1.現(xiàn)狀調(diào)查及原工藝

輸入軸齒輪滾齒工序原采用數(shù)控六軸滾齒機(jī)床進(jìn)行加工，切削時間長達(dá)13min46s，已成為生產(chǎn)瓶頸工序，需要改進(jìn)。

該產(chǎn)品原加工工藝流程為：精車→預(yù)磨（預(yù)磨外圓以提高滾齒工序工件安裝精度）→滾齒輪→滾花鍵。原夾具采用傳統(tǒng)漲套式夾緊驅(qū)動，輸入軸齒輪端向上，機(jī)床上頂尖、夾具下頂尖分別定位工件兩端中心孔，漲套夾持檔外圓隨機(jī)床工作臺一起旋轉(zhuǎn)（具體裝夾方式見圖2）。由于齒面加工產(chǎn)生大量振紋，需采用2刀切削，分析認(rèn)為工件裝夾剛性不足，導(dǎo)致了加工效率低。

圖2 輸入軸改進(jìn)前裝夾方式

2.改進(jìn)方案及夾具設(shè)計

采用端面驅(qū)動夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計應(yīng)用。將輸入軸齒輪端向下安裝，依然利用機(jī)床上頂尖、夾具下頂尖分別定位工件兩端中心孔。采用機(jī)床尾架頂尖工作壓力使得驅(qū)動座上的撥齒平臺嵌入輸入軸齒輪端沉孔的內(nèi)端面，并隨機(jī)床工作臺一起旋轉(zhuǎn)。

夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝夾方式見圖3。夾具包括夾具體、驅(qū)動座、下頂尖、壓縮彈簧、堵蓋。其中驅(qū)動座下凸臺采用H7/h6配合置于夾具體內(nèi)腔內(nèi)，并通過螺栓與夾具體端面螺紋孔固定連接[1]。下頂尖貫穿于驅(qū)動座內(nèi)孔，其外圓與驅(qū)動座內(nèi)孔相適配，保證適配間隙0.003～0.006mm，以提高輸入軸定位精度[1]。壓縮彈簧置于驅(qū)動座下端的沉孔內(nèi)。堵蓋置于驅(qū)動座沉孔端面上，并通過螺釘與驅(qū)動座端面上的螺紋孔固定連接。驅(qū)動座上端面還設(shè)有六等分撥齒，撥齒平臺寬度為0.3～0.5mm，且低于下頂尖錐面與輸入軸中心孔接觸面，具體低出部分高度以輸入軸放置穩(wěn)當(dāng)為宜。裝夾時輸入軸直接放置在下頂尖錐面及驅(qū)動座撥齒平臺上，通過滾齒機(jī)床尾架頂尖下移壓緊輸入軸上端中心孔，即撥齒平臺嵌入輸入軸下端面里一定深度，即輸入軸下端面在尾架頂尖的壓力作用下產(chǎn)生一定深度的塑性變形，深度約0.1～0.3mm。滾齒加工時通過機(jī)床工作臺帶動夾具旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)驅(qū)動的目的。

在這里需要說明的是，為提高夾具通用性，滿足前述3種零件上的齒輪、花鍵加工裝夾定位要求，即在加工結(jié)束后可有效地將被加工產(chǎn)品頂起，使撥齒平臺與產(chǎn)品端面脫落，壓縮彈簧選用普通圓柱螺旋壓縮彈簧（GB/T2089-2009），規(guī)格：材料直徑3mm，彈簧中徑18mm，自由高度58mm[2]。為保證輸入軸驅(qū)動穩(wěn)定，通過對切削力以及材料發(fā)生塑性變形的力進(jìn)行計算分析后[3]，選用3.5MPa尾架頂緊力。

圖3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝夾方式

3.改進(jìn)效果分析

首先，采用端面驅(qū)動結(jié)構(gòu)夾具，避免了改進(jìn)前的漲套驅(qū)動夾具因產(chǎn)品裝夾定位剛性不足而產(chǎn)生振紋；實現(xiàn)了一次裝夾齒輪和花鍵2檔同時加工，加工節(jié)拍6min45s；取消了精車后預(yù)磨工序，對精車工序加工精度的要求有所降低。因此，加工效率大幅度提升，加工成本得到有效控制。

其次，夾具通用性強(qiáng)，可滿足類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝夾定位要求，大大降低換產(chǎn)時間，可降低新產(chǎn)品開發(fā)的初期投入。

端面驅(qū)動結(jié)構(gòu)夾具還具有很好的加工穩(wěn)定性，通過輸入軸滾齒工序改進(jìn)前后加工檢測對比，采用端面驅(qū)動結(jié)構(gòu)夾具滾齒加工，齒距累積總偏差Fp和齒圈徑跳Fr可穩(wěn)定地控制在精度5級以內(nèi)，而采用傳統(tǒng)的漲套驅(qū)動結(jié)構(gòu)加工，齒距累積總偏差Fp和齒圈徑跳Fr只能勉強(qiáng)控制在精度7級以內(nèi)[4]。

四、結(jié)束語

本文簡單分析了端面驅(qū)動技術(shù)的原理、組成結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點，并根據(jù)公司某款變速器中的3種軸齒類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計應(yīng)用。應(yīng)用端面驅(qū)動使得輸入軸滾齒工序加工效率得到大幅度提升，夾具通用性得到提高，換產(chǎn)時間有所降低，齒輪加工精度得到提升，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。此次應(yīng)用積累了端面驅(qū)動結(jié)構(gòu)夾具的設(shè)計經(jīng)驗，為后續(xù)推廣應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。