董世全

摘? 要：半軸齒輪是汽車差速器內的重要零件，市場需求量很大。半軸齒輪的加工過程中，定位方式大多使用傘齒和齒模定位，夾緊方式分手動夾緊、自動夾緊，自動夾緊又分為車床拉桿座做動力和液壓直接驅動。各個公司的情況不同，加工方式也不同。隨著《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中對自動化、數字化概念的提出，對工業(yè)自動化的需求會日益增多。半軸齒輪的加工特征：加工量大、節(jié)拍短、裝夾重復性強，特別適合自動線上下料，會有越來越多的廠家選擇使用自動線加工半軸齒輪。

關鍵詞：半軸齒輪;卡盤;自動線;Solidworks

引言：汽車轉彎過程中，驅動軸的左、右驅動輪的轉彎半徑不同，弧度一致，則軌跡長度不一致。若兩輪的轉速一致必然會造成其中一個輪胎打滑，造成輪胎的磨損。解決這個問題就要求左、右驅動輪在轉彎過程中的轉速不一樣。這一要求促使了汽車差速器的產生。差速器的作用就是以不同轉速向車輪傳遞動力。本文的零件半軸齒輪就是差速器內特別重要的一個零件，汽車的每一個驅動軸均有兩個半軸齒輪。

1 半軸齒輪卡盤設計需要考慮的要素

隨著經濟的發(fā)展，人力成本必然越來越高，人對于工作環(huán)境的要求也越來越高，并且人工作業(yè)時存在的多種不確定性（比如心情、健康狀態(tài)、請假等）。越來越多的公司采用柔性自動線代替人工作業(yè)，可以顯著提高產品的生產效率，改善勞動強度，提高產品質量和一致性，降低勞動成本。此卡盤用于半軸齒輪柔性自動線，設計的過程中需要比傳統(tǒng)的夾具多考慮一些因素：

（1）自動線代替人工上下料，缺少了人工對加工情況的自主判斷。需在正常的液壓或氣動夾具上增加松開、夾緊到位檢測功能。待自動線接收到信號反饋的時候方可進行下一步的作業(yè)，代替人對工件裝夾狀態(tài)的判斷。以免因松開不到位造成機械手、設備的損壞，或因夾緊不到位造成工件裝夾不牢發(fā)生事故;

（2）切屑的堆積會對裝夾或加工產不利生影響。需要在卡盤上增加除屑功能，用來清理切屑和半軸齒輪安裝面、定位面;

（3）卡盤質量、體積大，工作轉速介于900～1200rpm。轉動的過程中會產生振動，影響半軸齒輪的加工質量。設計過程中需要考慮質量、重心、動平衡問題;

（4）半軸齒輪多種多樣，不可能針對每一種半軸齒輪均設計、制造一個卡盤。需要考慮半軸齒輪間的通用性問題?？梢砸粋€卡盤體加工幾個規(guī)格的半軸齒輪，通過調整部件達到通用的目的;

（5）半軸齒輪自動線夾具的管路對，包括液壓2路、啟動1路，切削液1路。普通旋轉接頭會產生內泄的情況。這個現象對于單介質的使用情況沒有影響。對于多介質的情況，內泄的情況可能造成油、氣、液混合。嚴重的情況會影響卡盤動作。設計時旋轉接頭的選擇尤為重要。

2 半軸齒輪卡盤的設計流程

（1）信息資料收集：確認半軸齒輪卡盤的需求，先期在沈陽機床股份有限公司生產的i5T5.2整體斜床身車床上使用。安裝前拆下車床上的標配卡盤，然后安裝上半軸齒輪卡盤。設計時需要考慮后期自動線需求，需要增加自動線需要的功能。功能主要有動作到位檢測、切削與齒模清理、多介質旋轉接頭;

（2）加工精度和工藝性分析：首先應分析半軸齒輪加工的工藝性，了解半軸齒輪的用途、性能和工作條件，明確半軸齒輪在差速器中的位置和作用，進而了解半軸齒輪各項技術要求，確定主要技術要求和加工過程中的關鍵點，研究零件裝夾、加工過程中可能產生的變形，對加工過程中的難點提前準備解決方案?？ūP的設計過程中應保證加工半軸齒輪時進刀、退刀方便無阻礙，盡量采用標準刀具就可以加工，減少刀具數量。下圖為示意圖，未標注具體尺寸、表面要求和精度要求，加工下圖標注表面粗糙度的部位，采用車床可以一次性完成該零件所需加工，如圖一所示;

（3）設備選型：設備采用沈陽機床股份有限公司生產的i5T5.2臥式車床。該車床為整體斜床身結構，剛型好。主軸單元A2-6，主軸通孔直接φ65。最大切削直徑350mm，最大旋轉直徑360mm。經過與設計部門、工藝部門溝通，卡盤的質量應限制在75Kg以下（含半軸齒輪），卡盤直徑控制在360mm以內;

（4）定位方案：為了保證車削后的半軸齒輪中心孔軸線與半軸齒輪傘齒的同軸度滿足要求，定位選擇半軸齒輪的送齒定位，保證齒模的精度即可保證半軸齒輪的定位要求。夾具按調時需要對齒模的安裝位置進行找正，齒模上需要設計專用的找正區(qū)域。根據不同的半軸齒輪設計、制造專用的齒模，選取圓周上均布的3處齒貼合。依靠半軸齒輪與齒模的精確貼合，實線半軸齒輪的軸向和圓周的定位;

（5）夾緊方案：采用半軸齒輪背錐部分壓緊，圓周選取均布的3個壓緊點。旋轉油缸選擇Pascal的三點檢測旋轉油缸CTM04-LS10T，活塞桿總行程16.5mm（轉角行程6.5mm，夾緊行程10mm），過夾緊行程0.5mm。單個旋轉油缸夾緊4MPa壓板80mm長時夾緊力為1400N;

（6）卡盤總裝配圖簡圖：根據所需卡盤總體零件確定卡盤總裝配圖，包括定位元件、夾緊元件、卡盤體等，確定零件尺寸配合精度、技術要求、材料;

（7）卡盤零件圖繪制：根據總裝配圖各零件的分布位置、尺寸，繪制零件三維圖紙。

3 半軸齒輪卡盤設計思想

（1）卡盤的設計思路：卡盤的夾緊與松開采用檢測性的液壓旋轉油缸，定位采用齒模定位，旋轉接頭采用5路多介質（松開夾緊2油、松開夾緊檢測2氣、卡盤中心噴水1液），旋轉油缸到位檢測功能排氣位置，卡盤中心噴切削液沖屑以及清理安裝面切屑，卡盤重量限制在75Kg以下，直徑在360mm以下，半軸齒輪卡盤工作時，壓板夾壓的部分不能高于半軸齒輪的加工面，壓板與加工面的距離為1-2mm為夾具制作的難點，采用的解決方案是配磨壓板長度的方式解決。后期用戶現場驗證了此方案的可行性。若不涉及自動線則采用2路單介質旋轉接頭即可?？ūP成品如圖二所示。

（2）卡盤體的設計：整個半軸齒輪卡盤最關鍵的部位就是卡盤體?？ūP體通過連接板連接到主軸上，其它零部件也直接安裝在卡盤體上。卡盤各動作所需要的油、氣、液在卡盤體內通過4層管路傳遞，為了保證卡盤體成品的質量，管路之間最小留有3mm薄壁，避免加工過程中造成管路互通。

為了降低卡盤體的加工難度，卡盤體的設計考慮了兩點：一是降低旋轉油缸安裝部位的加工難度，即將旋轉油缸座與卡盤體分開設計。旋轉油缸座與旋轉油缸配合部分采用車床加工，在提高加工精度的境況下降低了加工難度;二是卡盤體內的管路孔深330mm，設計成從兩端加工。這樣更改的好處是可以使用五軸加工中心從兩端加工管路（孔深160mm），降低了鉆頭損壞的風險，但是帶來的缺點是卡盤體四周多了很多油堵，影響卡盤體的美觀?？紤]到加工能力最終確定了加工通孔的方案。由于鉆深孔長徑比過大，鉆頭細長，剛性差，工作時易發(fā)生偏斜和振動，孔內壁的粗糙度特別差，不過對于管路來說不影響使。切屑為長屑，需要采取啄鉆退刀的方式斷屑及排屑，以免由于切屑堵塞導致鉆頭損壞。鉆削的過程中注意鉆頭的散熱問題，密封的環(huán)境會使鉆頭切削產生的熱量無法散出加速鉆頭磨損。多查看鉆頭狀態(tài)，免得因鉆頭損壞造成卡盤體加工廢。

卡盤體與旋轉接頭間的連接，使用5根φ8的硬管連接。為了防止管在卡盤體與旋轉接頭間產生竄動，卡盤體與旋轉接頭與管配合部分設計成階梯孔，形成孔肩，對硬管形成軸向定位，達到限制其竄動的目的。

半軸齒輪卡盤裝配完成時需要做動平衡試驗，需要在卡盤體沿圓周方向增加M6螺紋孔。做動平衡試驗時可以通過磨削M6螺釘的長度更改卡盤體的質量分布。

整個半軸齒輪卡盤重量65Kg，在加工、裝配時人力無法直接搬運。需要在卡盤體正面及圓周方向加工吊裝孔，即可滿足加工、裝配時的對翻轉調運需求。

為了減少卡盤體質量，并且質量分布均勻，在卡盤體上盡量切除掉與功能、精度無關的部分，并且切除區(qū)域要按圓周均勻分布，最終卡盤體質量為42Kg。

卡盤體設計主要精度為：

①與主軸連接盤的配合：采用一孔一面定位，需要保證安裝止口的圓度以及與連接盤配合面的平面度，注意止口的清根;

②卡盤工藝基準：在機床上裝配半軸齒輪卡盤時，需要在半軸齒輪卡盤上找基準，確定卡盤軸線。為了去重，僅卡盤下邊為整圓。則將其作為卡盤裝配時的基準面。需要保證其圓度以及與連接盤配合止口的同軸度;

③卡盤體與齒模座的配合：采用一孔一面定位，需要保證孔的圓度、連接盤配合止口的同軸度、齒模座配合面的平面度、與連接盤結合面的平行度，注意止口清根;

④與旋轉油缸座的配合：采用一面兩銷的定位方式，需要保證兩銷的位置度、旋轉油缸座接合面的平面度、連接盤配合面的平行度。

（3）旋轉油缸座的設計：旋轉油缸座與卡盤體間采用一面兩銷定位，4個螺釘固定。采用液壓旋轉油缸。普通的旋轉油缸輸入、輸出有2個管路，半軸齒輪自動線卡盤選用的旋轉油缸輸入、輸出管路共有5個。其中旋轉油缸的松開、夾緊采用液壓控制，因旋轉油缸輸入、輸出孔有孔徑限制，油孔采用階梯孔，上端連接旋轉油缸（鉆孔φ3深3），下端連接卡盤體孔（鉆孔φ5至于φ3孔相通），連接部分采用O型圈密封;旋轉油缸的到位檢測功能是活塞桿上的檢測槽與鋼球的配合控制管路的通斷，從而達到檢測旋轉油缸活塞桿位置的作用。氣源的接入點位于旋轉油缸的側面，旋轉油缸在兩孔之間采用上、中、下三個O型圈密封，形成2個空腔，連通旋轉油缸與對于管路。加工的時候為了保證密封圈的密封性、可加工性，旋轉油缸座采用與卡盤體分體的模式，既保證了O型圈的密封要求，也降低了加工難度。旋轉油缸座與卡盤體分界點位于下端O型圈下面（不能小于樣本推薦值）。為避免旋轉油缸安裝時O型圈損傷，在旋轉油缸座內與O型圈接觸的凸臺必須加工30°倒角。側面氣源入口處也需要做好倒鈍處理，以免損傷O型圈，造成內泄或檢測功能失效。

在卡盤的使用過程中，兩氣路處于一直工作的狀態(tài)，氣源關閉時會因為檢測器誤判造成自動線設備報警停機。旋轉油缸到位檢測氣體需要通過卡盤體上旋轉油缸部位底部φ5通孔將氣體排放至卡盤后方，再通過連接盤上加工的槽直接排放到主軸中，最后經由主軸后方的旋轉接頭（留空路，不接管，外部接消音器）排至空氣中，主軸后方無鐵屑與切削液，無需增加單向閥阻止鐵屑及切屑液進入旋轉油缸。

（4）旋轉油缸夾緊部分設計：為了適用不同產品的裝夾，需要針對各零件定制長度、高度各異的壓板。就涉及到更換壓板便捷性的問題。常見的壓板與旋轉油缸的安裝直接使用錐孔定位、外六角螺母鎖緊，更換扳手時需要使用扳鉗、六角扳手，作業(yè)性差。使用六角扳手固定活塞桿，固定不充分，活塞桿將承受過大扭矩而使活塞桿導向槽差生壓痕，從而影響夾緊松開動作的靈敏度，甚至動作失效。采取的解決辦法為將常見的外六角螺母更改成Pascal的理想螺母，其原理為螺母旋入至于活塞桿上端平齊后，使用圓周均勻分布的頂絲對理想螺母和壓板間產生預緊力，達到固定壓板的作用，拆卸時僅需以很小的扭力即可松開頂絲繼而拆下螺母。極大降低了螺母的拆卸難度，延長了旋轉油缸的使用壽命。這對于需要頻繁更換壓板的場合非常使用。

（5）齒模座的設計：齒模座的作用為連接卡盤體與齒模座，保證卡盤體與齒模的位置關系。最關鍵的精度為卡盤體接合面與齒模接合面的平行度。由于連接板、卡盤體、齒模座以及齒模加工、裝配存在誤差，需要一個配合去消隙。齒模座與齒模間徑向不做直接配合，而是通過均勻分布的6個M6螺栓通過人工檢測齒模工藝面跳動的方式，調整齒模的位置。齒模座與卡盤體間采用O型圈密封，形成一個與切削液管路相通的空間。齒模座底部加工3個螺紋孔與此空間相通。螺紋孔上安裝角度可調節(jié)的噴嘴，形成卡盤中心出水功能，可以達到輔助沖屑、清理齒模配合面的目的。

（6）壓板的設計：壓板屬于消耗品，需求量比較大。設計一個便于加工、量產的方案很重要。設計思路為在一塊板料上加工出12個壓板（4套），然后通過線切割的方式將12個壓板割開。壓板之間的區(qū)別主要有高度、長度方面的區(qū)別。同樣高度的壓板可以做成一樣的長度，并在一塊板料上加工。長度方向的調整，裝配時根據半軸齒輪的大小使用砂輪修磨。壓板的材料需要選則硬一些的材料。此方案選的是P20模具鋼，預先硬化處理（30～36HRC）。加硬度夠，加工性能好，無需熱處理縮短工期。

（7）旋轉油缸的處理：由于管路的設計、加工、裝配等問題，可能會造成3個旋轉油缸動作不同步的情況可以再旋轉油缸上加裝流量控制閥，控制旋轉油缸的動作速度，使旋轉油缸動作一致。

（8）夾具材料：半軸齒輪卡盤零件分為自制件、外購件、標準件。所需的自制件如表一所示。

（9）計算機輔助夾具設計：機械夾具的設計都要以經驗為主。但是在尺寸巨大、結構復雜等情況下，使用計算機輔助夾具設計可以根據產品設計需要，提前評估一些參數是否達可以到要求以及在理想的范圍內，能避免很多設計過程中的一些失誤，減少損失，并且可以進行有限元分析。本卡盤設計三維建模使用Solidworks 2018，三維模型完成后，進行設計評審，繼而使用Solidworks 2018生成二維圖，最后使用AutoCad 2016改成標準二維圖用于組織生產。使用Solidworks 2018設計，例如此次卡盤的設計，涉及的質量和重心的兩個重要參數，使用人工計算特別復雜，使用Solidworks 2018特別容易得出?？ūP質量69.207Kg<75Kg符合要求，重心位置（X=-0.072mm;Y=-0.012mm）處于理想范圍內。

4 結論

本文列舉了半軸齒輪卡盤設計過程中的一些注意事項以及設計經驗。改革和創(chuàng)新是可持續(xù)發(fā)展的源動力。為了達到《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》的自動化、數字化要求，會有越來越多的自動線夾具出現。計算機輔助設計軟件的使用會加速中國制造的發(fā)展。

參考文獻

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