邱紹虎，趙宏順，房開拓

宿遷學(xué)院機電工程學(xué)院 江蘇宿遷 223800

在傳統(tǒng)汽車制造領(lǐng)域，汽車零部件的開發(fā)往往需長時間的研發(fā)和測試。從研發(fā)到測試階段還需要制作零件模具，不僅時間長，而且成本高。當(dāng)存在問題時，修正零件同樣也需要漫長的時間。定型后，汽車零部件生產(chǎn)是一個典型的大批量生產(chǎn)模式，制造成本成為零部件生產(chǎn)商考慮的一個重要環(huán)節(jié)。

目前，一方面是國外汽車零部件廠商紛紛登陸中國，搶占中國汽車零部件市場，從而導(dǎo)致一些國內(nèi)汽車零部件廠商倍感壓力；另一方面是汽車制造的批量越來越小，產(chǎn)品生命周期越來越短，更新越來越快。而3D打印技術(shù)則能快速制作造型復(fù)雜的零部件，當(dāng)測試出現(xiàn)問題時，修改3D文件重新打印即可。3D打印技術(shù)讓汽車零部件的開發(fā)成本更低，效率更高。因此，3D打印和CNC結(jié)合是汽車及零部件制造業(yè)發(fā)展的新方向?，F(xiàn)結(jié)合東風(fēng)中型載貨車某車型的實際情況進行說明。

3D打印的類型及面臨的問題

目前3D打印技術(shù)的基本類型主要有：材料熔融擠出成形FDM、粘合劑噴射成形3DP、材料微滴噴射、粉材平鋪融化、直接能量沉積LENS、薄材疊加實體制造技術(shù)LOM以及光敏樹脂平鋪成形技術(shù)SLA。

3D打印在汽車行業(yè)最初主要用于研發(fā)環(huán)節(jié)，比如外形、內(nèi)飾、接插件及車燈等領(lǐng)域的前期設(shè)計階段。其中，F(xiàn)DM、粉材平鋪融化以及SLA已經(jīng)實際應(yīng)用于汽車工業(yè)制造領(lǐng)域。且不限于汽車零部件，很多企業(yè)開始大膽嘗試打印“整個”汽車：世界首款3D打印汽車Urbee 2于2013年面世，這是一款混合動力汽車，絕大多數(shù)零部件來自3D打印。除了底盤、動力系統(tǒng)和電子設(shè)備等，Urbee 2超過50%的部分都是由ABS塑料打印而來的，耗時2500h，如圖1所示。

圖1 3D打印的汽車

3D打印盡管具有很多優(yōu)點，但同樣也具有很多缺點，主要有：缺乏更多原創(chuàng)性技術(shù)及裝備；制造成本高，0～100元/g；制造效率低，金屬成形100～3000g/h，小汽車整車成形2500h左右，一個臺式虎鉗成形30h左右；制造精度低；無法大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。目前需攻克的關(guān)鍵技術(shù)有：精度控制技術(shù)、高效制造技術(shù)、復(fù)合材料零件的制造、大型零件制造以及多材質(zhì)制造。

3D打印與CNC數(shù)控加工各自具有不同的優(yōu)缺點，其具體的優(yōu)缺點比較見表1。

表1 3D打印與CNC數(shù)控加工特點對比

現(xiàn)階段應(yīng)采取的對策

從表1可以看出：3D打印技術(shù)和CNC加工是優(yōu)勢互補的兩方面，3D打印的劣勢，CNC加工往往具有優(yōu)勢；而3D打印的優(yōu)勢，往往又是CNC加工的劣勢。目前只有將3D打印技術(shù)的高難度、復(fù)雜化的特點與CNC傳統(tǒng)制造技術(shù)的精細化、規(guī)?；嘟Y(jié)合（如采用云服務(wù)器軟件加工就更方便了，云服務(wù)器是將刀具、機床、夾具以及各種加工工藝參數(shù)等整合到云端，為全球的客戶提供云數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶加工零件時，只需將零件形狀和材料等信息輸入到軟件中，軟件就可以使用云服務(wù)器自動配置加工刀具及加工參數(shù)，實現(xiàn)智能編程，完成整個云加工），才能不斷推動二者的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此在汽車及零部件研發(fā)制造或小批量試裝階段，為充分檢驗零部件使用效果，并確認(rèn)其工藝性及功能性是否合理，采用3D打印具有明顯優(yōu)勢。對于個別精度要求特高的零部件，可以對增材后的零部件進行二次加工；在汽車及零部件定型后的批量生產(chǎn)階段采用傳統(tǒng)CNC加工制造方法，可以充分發(fā)揮大規(guī)模量產(chǎn)的優(yōu)勢。

具體實例

1.需制作多個復(fù)雜的鍛造模具

中型載貨車駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上的重要部件是扭桿彈簧和扭桿力臂，扭桿的彈力是駕駛室得到翻轉(zhuǎn)的主要動力源，扭桿力臂是駕駛室得到翻轉(zhuǎn)的主要動力傳遞者。因此，扭桿力臂性能的好壞直接關(guān)系到駕駛室的翻轉(zhuǎn)性能。但扭桿力臂的形狀不規(guī)則，其幾何精度及綜合性能在很大程度上取決于它的鍛造工藝及部分機加工工藝。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、成形工藝以及工件裝夾等原因，傳統(tǒng)的扭桿力臂成形需要經(jīng)過拔長、折彎、成形及切邊等多次分段成形工藝，在鉆削螺紋底孔前還要制造夾具來銑削該平面。如圖2所示，扭桿力臂外形是空間形狀的不規(guī)則圖形，鍛造難度必然加大，銑削表面粗糙度值為12.5μm的螺紋孔斜面同樣難度比較大，因為要制造一個銑夾具，不但需要時間比較長，而且制造成本明顯提高。

圖2 扭桿力臂

國內(nèi)生產(chǎn)廠家通常采用的鍛造工藝路線有以下4個方面。

進行自由鍛造拔長（見圖3）。首先，需要把加熱中頻電壓調(diào)整在600V±20V，并要每小時記錄1 次，發(fā)現(xiàn)電壓超出規(guī)定范圍時進行及時調(diào)整。其次，把送料時間調(diào)整為22s，并且送料要及時，每送進一件工件去加熱，應(yīng)及時在料架上補放一件工件。再次，當(dāng)工件加熱完畢時要及時迅速拔長制坯，避免由于溫度下降到低于鍛造溫度而給下道工序帶來不便。制坯時空氣錘鍛壓要輕重適宜，坯料鍛造要勻稱平整。

圖3 扭桿力臂拔長

2）折彎（見圖4）。首先，要把拔長好的坯料迅速放進折彎模中，并且在模具中的擺放位置要準(zhǔn)確。其次，折彎過后應(yīng)迅速去除坯料表面的氧化皮，為下一步成形做好準(zhǔn)備。

圖4 扭桿力臂折彎

3）扭桿力臂成形（見圖5）。

圖5 扭桿力臂成形

4）切邊（見圖6）。首先，在切邊模中擺放坯料時，要仔細觀察毛坯是否完全放進切邊模中，在確認(rèn)無誤后方可進行開機鍛造切邊。其次，如發(fā)現(xiàn)切邊后毛坯有明顯毛刺時，應(yīng)及時正確修復(fù)或更換模具[1]。

圖6 扭桿力臂切邊

2.需制作復(fù)雜的銑削夾具

銑削表面粗糙度值為12.5μm的螺紋孔斜面的夾具結(jié)構(gòu)介紹如下（見圖7）。

圖7 銑削扭桿力臂螺紋孔斜面夾具結(jié)構(gòu)示意

本夾具提供了一種汽車扭桿力臂螺紋斜面的銑削加工，目的在于：汽車扭桿力臂螺紋斜面的銑削精度更高，效率更高，制造成本降低，確保扭桿力臂符合駕駛室翻轉(zhuǎn)實際需要。為了達到此目的，本夾具采取的技術(shù)方案是一種用于汽車扭桿力臂螺紋斜面的銑削夾具，其結(jié)構(gòu)包括上底板、下底板和支承板。上底板與下底板固定連接，下底板、上底板固定在工作臺上，支承板與上底板固定連接。下底板上設(shè)置預(yù)緊芯軸與定位芯軸，預(yù)緊芯軸上設(shè)置偏心輪，偏心輪上設(shè)有手柄，偏心輪與預(yù)緊芯軸可調(diào)節(jié)連接，上底板上設(shè)置定位柱。上底板、下底板、支承板上開設(shè)連接通孔。下底板通過內(nèi)六角螺釘固定在工作臺上。內(nèi)六角螺釘依次貫穿支撐板、上底板和下底板后固定在工作臺上。實現(xiàn)支承板與上底板的固定以及將上底板、下底板固定在工作臺上。上底板與下底板之間使用圓錐銷定位固定。支承板通過螺釘固定在上底板上。

在此種連接方式下，下底板通過內(nèi)六角螺釘穩(wěn)定地固定在工作臺上，上底板通過內(nèi)六角螺釘、圓錐銷與下底板固定連接，支承板通過螺釘與上底板固定。支承板與上底板之間的連接關(guān)系、上底板與下底板之間的連接關(guān)系以及下底板與工作臺之間的連接關(guān)系都是穩(wěn)定的。整個裝置在工作臺上的連接是穩(wěn)定的。

本夾具通過預(yù)緊芯軸和定位芯軸的配合解決了扭桿力臂不同角度的放置問題。通過偏心輪的轉(zhuǎn)動調(diào)整實現(xiàn)對不同彎曲弧度的扭桿力臂的夾緊動作，提高了整體加工作業(yè)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。其具體調(diào)整過程如下。

首先，夾具維修者根據(jù)扭桿力臂的大小和形狀不同，將上底板通過內(nèi)六角螺釘固定在下底板上；將定位柱、預(yù)緊芯軸、定位芯軸裝配在上底板和下底板上；將上底板、下底板通過內(nèi)六角螺釘固定在機床工作臺面上，并通過圓錐銷定位；將支承板通過螺釘固定在上底板上。

其次，加工者將扭桿力臂的內(nèi)孔套裝在定位芯軸的外圓上，扭桿力臂的尾部緊靠在定位柱外圓上。

再次，加工者依次將偏心輪、墊圈、六角螺母裝在預(yù)緊芯軸上，將手柄裝在偏心輪上，然后轉(zhuǎn)動手柄通過偏心輪頂緊扭桿力臂，同時將六角螺母擰緊在預(yù)緊芯軸上，從而固定住扭桿力臂。由于偏心輪的的形狀特性，針對不同彎曲程度的扭桿力臂，只需要旋轉(zhuǎn)偏心輪到不同的角度就可以實現(xiàn)扭桿力臂的夾緊。

最后，加工者根據(jù)扭桿力臂的尺寸大小和到機床刀具的距離，移動機床工作臺并鎖緊，開始銑削加工。加工完成后，轉(zhuǎn)動六角螺母，同時轉(zhuǎn)動手柄通過偏心輪松開扭桿力臂，取下工件扭桿力臂，清理各處鐵屑，準(zhǔn)備下次加工。

3.需制作復(fù)雜的鉆削夾具

汽車扭桿力臂內(nèi)孔鉆削夾具如圖8所示。本夾具提供了扭桿力臂內(nèi)孔鉆削專用夾具，采取的技術(shù)方案如下。

圖8 鉆削扭桿力臂內(nèi)孔夾具結(jié)構(gòu)示意

汽車扭桿力臂內(nèi)孔鉆削新型夾具，包括上模板、下模板和底座。上模板與下模板固定連接，上模板設(shè)有鉆套，鉆套通過螺套連接上模板，鉆套與螺套之間活動連接，鉆套與螺套之間設(shè)置壓縮彈簧，鉆套上端設(shè)有調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)螺母與螺套連接，上模板與下模板之間設(shè)有定位螺釘，定位螺釘與下模板活動連接，

下模板上設(shè)有定位塊以及支承板，下模板通過支塊焊接在底座上。下模板中心開設(shè)臺階內(nèi)孔，支承板安裝在臺階內(nèi)孔里，支承板安插在下模板中心開設(shè)的臺階內(nèi)控內(nèi)，然后使用緊釘螺釘固定，實現(xiàn)支承板與下模板的固定。上模板與下模板通過固定柱連接。具體來講，上模板與下模板上分別開設(shè)三組相對應(yīng)的連接孔，固定柱的上端和下端開設(shè)臺階，固定柱下端穿過下模板開設(shè)的連接孔，在固定柱下端的臺階上使用墊圈和六角螺母固定在下模板上，固定柱上端的臺階穿過上模板開設(shè)的連接孔，使用螺釘將固定柱上端與上模板固定連接。

下模板上設(shè)置定位支塊，定位支塊內(nèi)開設(shè)螺紋孔，定位螺釘通過螺紋孔與定位支塊連接。定位支塊焊接在下模板上，定位螺釘穿過螺紋孔之后，使用防松六角螺母緊固，防松六角螺母固定在定位螺釘上。

調(diào)節(jié)螺母上設(shè)置有手柄，手柄用于提高調(diào)節(jié)螺母的調(diào)節(jié)便利性。螺套呈臺階狀，螺套上部圓周直徑大于螺套下部的圓周直徑，壓縮彈簧設(shè)置在螺套上部內(nèi)側(cè)。由于鉆套的下部外圓面無臺階，而螺套呈臺階狀，在鉆套套接在螺套內(nèi)的時候，螺套上部內(nèi)側(cè)與鉆套的下部連接位置留有空隙，將壓縮彈簧設(shè)置在所述空隙內(nèi)，鉆套的上端面設(shè)置沿圓周向外圍凸起的凸臺，彈簧的底部連接螺套內(nèi)側(cè)的臺階處，壓縮彈簧的頂部連接鉆套頂端的凸臺。

螺套設(shè)有外螺紋，螺套底部通過螺紋與上模板連接，螺套上部通過螺紋與調(diào)節(jié)螺母連接。鉆套套接在螺套內(nèi)部，并不與螺套內(nèi)部固定，當(dāng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母的時候，調(diào)節(jié)螺母沿著螺套上部向下移動，帶動鉆套向下移動，當(dāng)松開調(diào)節(jié)螺母的時候，壓縮彈簧的彈力將鉆套彈起復(fù)位。

本夾具優(yōu)點：使用螺紋調(diào)節(jié)鉆套以及定位螺釘對待加工扭桿力臂進行限位，將原本的直線方向的位移量轉(zhuǎn)化為螺紋的螺距，從圓周調(diào)節(jié)來控制鉆套下移以及定位螺釘水平的位移量，提高了定位精度，汽車扭桿力臂內(nèi)孔鉆削精度更高，效率更高，制造成本降低，同時能避免因為下壓過度或者緊固過度對待加工扭桿力臂的損傷。其具體調(diào)整過程如下。

首先，加工者將所述汽車扭桿力臂內(nèi)孔鉆削新型夾具安放在鉆床工作臺上，通過底座上的U形缺口將夾具固定住。

其次，加工者根據(jù)扭桿力臂形狀大小，調(diào)節(jié)定位螺釘，然后通過防松六角螺母固定。

再次，加工者把扭桿力臂裝在上模板和下模板的空間內(nèi)，外圓周緊靠定位螺釘端部，側(cè)面靠緊定位塊，轉(zhuǎn)動手柄帶動鉆套向下運動壓緊扭桿力臂端面，開始鉆削加工。

最后，加工者向相反方向轉(zhuǎn)動手柄，通過壓縮彈簧回彈帶動鉆套向上運動，松開扭桿力臂并取出。清理夾具內(nèi)各處鐵屑，準(zhǔn)備下次加工。

結(jié)語

從以上鍛造扭桿力臂毛坯四道工藝路線、銑削表面粗糙度值為12.5μm的螺紋孔斜面及鉆削內(nèi)孔可以看出，同一個扭桿力臂要經(jīng)過多個鍛造模具進行鍛造、銑削和鉆削，在汽車及零部件研發(fā)制造或小批量試裝階段，如采用此方案，制造成本高，如果扭桿力臂需改變形狀，所有鍛造模具、銑削夾具和鉆削夾具便全部報廢，制造成本更高。但汽車及零部件研發(fā)制造或小批量試裝階段如果采用3D打印技術(shù)，在扭桿力臂需改變形狀時，只需修改3D文件重新打印即可。定型后采用CNC加工技術(shù)，零部件精度提高，成本降低，并且適合大批量生產(chǎn)。