陳 創(chuàng)，陳 誠，余寶玉

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

搖臂軸是液壓助力循環(huán)球式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的核心零件，前后長短軸承受較大載荷并要求可靠密封[1]，位于中間部位的扇形齒，由于精度要求高，銑齒后必須進(jìn)行插齒加工[2]。采用手動(dòng)定位夾緊，不僅效率低下，夾具設(shè)計(jì)困難，而且難以保證零件加工精度。設(shè)計(jì)合理的工藝和專用夾具，采用液壓缸作為動(dòng)力源和自動(dòng)定心夾緊機(jī)構(gòu)[3]，可以保證插齒工序質(zhì)量和生產(chǎn)效率，提高機(jī)械加工自動(dòng) 化水平。

1 搖臂軸插齒加工工藝分析

1.1 工藝要求

如圖1所示，搖臂軸主要由前后長短軸和扇形齒組成，長軸端還加工有花鍵，用于與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的垂臂連接。

圖1 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器搖臂軸

圖1 所示的扇形齒的齒頂圓為一錐面，沿軸向任一截面得到的扇形齒截形都不相同，因此，每個(gè)截面的變位系數(shù)也不同。插齒加工時(shí)插齒刀主運(yùn)動(dòng)方向與工件外圓軸線呈一定夾角。

轉(zhuǎn)向器搖臂軸材料為20CrMnTiH3，以某型號(hào)搖臂軸為例，其扇形齒零變位截面處技術(shù)要求如圖2所示。

圖2 搖臂軸零變位截面扇形齒技術(shù)要求

在圖2所示截面上，齒頂圓半徑R56.22單一零件變動(dòng)量不大于0.025。

1.2 工藝分析

搖臂軸毛坯為鍛件，屬于典型的軸類零件，對(duì)于兩段外圓的加工主要采用車削和磨削，長軸端花鍵采用滾銑的加工方法；對(duì)于扇形齒的加工，由于并沒有將齒形直接模鍛成型，為了提高生產(chǎn)效率并保證加工精度，先用成型銑刀粗銑齒扇，再在插齒機(jī)上進(jìn)行插齒加工。在加工順序安排上遵循基面先行原則，先銑兩端面打中心孔，兩中心孔作為后續(xù)工序的定位基準(zhǔn)，用兩頂尖組合定位，增加工件裝夾后的剛性。再粗車扇形齒側(cè)面和頂面、短軸外圓及長軸外圓，半精車短軸外圓、鉆鏜短軸端面孔并車螺紋，半精車長軸外圓及齒扇，粗銑齒扇，半精插齒和精插齒，滾銑漸開線花鍵；熱處理后研磨中心孔，最后在外圓磨床上精磨長軸和短軸外圓。

扇形齒與長、短軸外圓有位置要求，插齒時(shí)為了保證加工余量均勻，必須限制工件圓周方向自由度，因此，選擇合理的定位基準(zhǔn)是插齒加工必須解決的問題。

2 定位方案設(shè)計(jì)

定位是對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械加工前，使工件在機(jī)床或夾具上占據(jù)正確位置的過程，定位基準(zhǔn)的選擇是否合理非常重要[4]。通過分析搖臂軸結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)利用模鍛成型的齒扇兩側(cè)面能夠可靠地實(shí)現(xiàn)角向定位，齒扇臺(tái)階面及長軸外圓也可作為定位基準(zhǔn)。因此，決定選用長軸外圓限制四個(gè)自由度，齒扇臺(tái)階面和側(cè)面各限制一個(gè)自由度，總共限制六個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)完全定位。選用長軸外圓限制四個(gè)自由度的目的是遵循基準(zhǔn)重合原則，保證外圓與齒扇的位置度要求。具體定位方案如圖3所示。

如圖3所示，齒扇零變位0-0截面距離臺(tái)階面5 mm，選用此臺(tái)階面為軸向定位基準(zhǔn)，也遵循了基準(zhǔn)重合原則，因此，不存在定位誤差。銑齒與插齒兩道工序都選用齒扇側(cè)面作為定位基準(zhǔn)限制角向自由度，遵循了基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，可獲得較高的定位精度。

圖3 搖臂軸插齒工序定位方案簡圖

3 專用夾具設(shè)計(jì)

為適應(yīng)不同型號(hào)搖臂軸的加工要求，應(yīng)將插齒加工專用夾具部分元件系列化設(shè)計(jì)，通過更換少數(shù)幾個(gè)元件即可實(shí)現(xiàn)成組加工，以滿足產(chǎn)品品種變化和低成本高質(zhì)量的要求。

3.1 彈簧夾頭設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)控插齒機(jī)機(jī)床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)和定位方案綜合考慮，采用彈簧夾頭式定心夾緊機(jī)構(gòu)，依靠定心夾緊元件本身作均勻的彈性變形，從而實(shí)現(xiàn)定心夾緊。設(shè)計(jì)如圖4所示的彈簧夾頭，當(dāng)彈簧夾頭相對(duì)于錐套移動(dòng)時(shí)，簧瓣向心收縮，從而將搖臂軸長軸外圓定心夾緊[5]。與標(biāo)準(zhǔn)彈簧夾頭不同的是，圖4所示的彈簧夾頭是通過液壓缸將其拉緊，因此，其尾部設(shè)計(jì)有與活塞桿相連接的結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)銷子從徑向穿過彈簧夾頭尾部外圓，從而將彈簧夾頭和活塞桿連接在一起并傳遞拉力。

圖4 彈簧夾頭

不同型號(hào)搖臂軸外圓直徑不同，更換不同內(nèi)徑的彈簧夾頭即可，某型號(hào)搖臂軸插齒工序所適用的彈簧夾頭如圖5所示，圖中D1尺寸為φ51.1 mm。

圖5 彈簧夾頭零件圖

3.2 錐套設(shè)計(jì)

與彈簧夾頭配合使用的重要零件為錐套，其內(nèi)錐面精加工后還應(yīng)與彈簧夾頭外錐面最后進(jìn)行配磨，保證兩者的配合精度。

為了保證錐套內(nèi)孔與彈簧夾頭配合精度，15°錐孔需要用涂色法進(jìn)行檢查，接觸面積應(yīng)大于80%，且錐孔與基準(zhǔn)A的同軸度為0.01。

3.3 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

銑齒后的插齒加工分為半精插齒和精插齒兩次走刀完成。半精插齒采用的切削用量為切削速度Vc=204 m/min，進(jìn)給量f=0.33 mm/沖程，背吃刀量ap=2.5 mm；精插齒采用的切削用量為切削速度Vc=245 m/min，進(jìn)給量f=0.28 mm/沖程，背吃刀量ap=0.85 mm。顯然半精插齒時(shí)產(chǎn)生的切削力更大，因此，只需計(jì)算和校核半精插齒時(shí)的夾緊力即可。

查表后計(jì)算可得插齒時(shí)單位切削力kc= 1962 N/mm2，切削層公稱橫截面接AD=apf= 0.825 mm2，則考慮在不同切削條件下的修正系數(shù)后計(jì)算可得主切削力Fc=2153 N，進(jìn)給力Ff=861 N。

插齒加工產(chǎn)生的主切削力為軸向力，進(jìn)給力為切向力，均與夾緊力的計(jì)算有關(guān)。背向力為指向圓心的徑向力，由于彈簧夾頭定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而無需計(jì)算和校核。

圖6 錐套零件圖

以某型號(hào)搖臂軸為例，齒輪模數(shù)m=8.5，整圓齒數(shù)z=11，齒頂高h(yuǎn)a=6.8 mm，因此，齒頂圓半徑ra=55.25 mm，由進(jìn)給力產(chǎn)生圓周方向的扭矩Me=Ffra=47.57 N·m。在粗銑齒扇和插齒之前，搖臂軸長軸外圓作為定位基面已經(jīng)加工至直徑為φ55 mm。由機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，使用彈簧夾頭夾緊時(shí)，有軸向定位的情況下，為防止工件在切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削力的作用下打滑而轉(zhuǎn)動(dòng)所需徑向夾緊力計(jì)算公式為

式中，K為安全儲(chǔ)備系數(shù)，取1.8；f為彈性夾頭與工件的摩擦系數(shù)，取0.15；r為工件被夾緊外圓半徑，27.5 mm；計(jì)算可得F=20757 N。

計(jì)算彈性夾頭每瓣在軸套上面的彈性力Rc為474 N，則夾緊工件所需軸向力Q按如下公式計(jì)算：

式中，ρ1為彈簧夾頭與錐套間摩擦角，取11.5°；ρ2為彈簧夾頭與工件間摩擦角，取8.5°；α為彈簧夾頭的半錐角，為7.5°。帶入相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得Q=10412 N。

由此可知，液壓缸拉緊彈簧夾頭時(shí)，應(yīng)提供相應(yīng)的軸向拉力約為10.41 kN。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[7]可知，若取油缸效率為0.8，則選取額定壓力為 3.5 MPa，缸徑為80 mm的拉桿式液壓缸最大推力為17.94 kN，可滿足使用要求。

3.4 夾具工作原理

夾具由夾具體、錐套、彈簧夾頭、定位端蓋、定位板和定位銷組成。如圖7所示，夾具體承裝各部件，通過螺釘與機(jī)床工作臺(tái)相連。錐套外圓與夾具體內(nèi)孔通過間隙配合實(shí)現(xiàn)定位，用螺釘固定為一體。彈簧夾頭外錐面與錐套內(nèi)錐面相配合，其下端通過銷與工作臺(tái)里面的液壓缸活塞連接桿相連。定位端蓋封住錐套和彈簧夾頭上端，實(shí)現(xiàn)軸向限位。定位板上表面加工有U型槽和兩個(gè)對(duì)稱分布的銷孔后安裝兩個(gè)定位銷，底部加工有鍵槽，而定位端蓋加工有與鍵槽相配合的凸鍵。插齒加工時(shí)，將待加工的搖臂軸長軸端朝下裝入夾具，操作者手持定位板通過U型槽穿過搖臂軸短軸端；再將定位板鍵槽從左往右（如圖7所示方向）滑進(jìn)定位端蓋的凸鍵，直至兩個(gè)定位銷同時(shí)與搖臂軸齒扇兩側(cè)面可靠接觸；在利用液壓缸拉緊彈簧夾頭夾緊工件后，手動(dòng)撤去定位板，避免插齒刀與之發(fā)生干涉。用定位板上的兩個(gè)定位銷同時(shí)與齒扇兩側(cè)面接觸，其實(shí)質(zhì)是確定齒扇對(duì)稱平面，保證插齒時(shí)加工余量均勻。

圖7 搖臂軸插齒夾具

傳統(tǒng)彈簧夾頭定心夾緊機(jī)構(gòu)一般采用螺母在錐套上旋轉(zhuǎn)，迫使彈簧夾頭相對(duì)于錐套產(chǎn)生軸向移動(dòng)，效率偏低，自動(dòng)化程度低[6]，因此，本設(shè)計(jì)采用液壓缸作為動(dòng)力源，將活塞桿與彈簧夾頭通過一個(gè)連接桿相連。液壓缸沒有工作時(shí)，彈簧夾頭呈放松狀態(tài)，其端面應(yīng)與錐套端面平齊；當(dāng)液壓缸向下運(yùn)動(dòng)拉緊彈簧夾頭時(shí)，彈簧夾頭外錐面相對(duì)于錐套內(nèi)錐面向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)簧瓣收縮將工件定心并夾緊。

在彈簧夾頭底部外圓上開有止動(dòng)槽，夾具體相應(yīng)位置設(shè)有止動(dòng)螺紋孔，用一止動(dòng)螺釘從夾具體擰入后進(jìn)入彈簧夾頭止動(dòng)槽，準(zhǔn)確限制彈簧夾頭向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限行程，避免產(chǎn)生過大的夾緊力。

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)向器搖臂軸插齒專用夾具定位方案合理，選用的彈簧夾頭定心夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作方便迅速，定心精度高。采用液壓缸作為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)夾具的定心夾緊，簡化了夾具設(shè)計(jì)，保證了工件能夠可靠地定心夾緊，提高了機(jī)械加工的自動(dòng)化水平。