摘要：本文對(duì)FPT（菲亞特動(dòng)力科技）橋殼柔性加工液壓夾具的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，分析了FPT橋殼柔性加工工藝和VMC2060與VCM-H58加工中心性能，設(shè)計(jì)了一種提高工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)柔性加工的FPT橋殼加工液壓夾具。該夾具經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，較先前的加工方式，提高了工件加工精度，加工尺寸穩(wěn)定可靠，工序合格率100%，生產(chǎn)效率是使用以前夾具的1.5倍以上。

關(guān)鍵詞：自由度；定位；液壓夾具；夾緊

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2023.03.005

0引言

重型商用車(chē)中、后橋殼的機(jī)加工質(zhì)量是保證驅(qū)動(dòng)橋總成裝配質(zhì)量的關(guān)鍵重要因素之一，受到公司設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量部門(mén)的高度重視。過(guò)去，在加工該中、后橋殼上推力桿及制動(dòng)分室支座的連接端面及定位、螺栓連接孔，以及加工兩端連接鋼板彈簧用的定位銷(xiāo)孔和騎馬螺栓連接孔或板簧滑板座連接用孔、定位孔及上下端面時(shí)，所使用的夾具都是手動(dòng)找正夾緊方式，，橋殼加工平面精度及孔加工精度全靠操作者的經(jīng)驗(yàn)保證，且加工過(guò)程中橋殼的軸向移動(dòng)自由度僅靠夾具一端限位，如果橋殼夾持力不足夠大，工件加工過(guò)程中必定會(huì)向未限位的一端移動(dòng)，而軸向回轉(zhuǎn)自由度的限位由操作者手動(dòng)調(diào)節(jié)夾具上調(diào)節(jié)支承保證，使得橋殼在加工過(guò)程中由于夾具震動(dòng)或調(diào)節(jié)支承調(diào)節(jié)不到位等原因，產(chǎn)生軸向回轉(zhuǎn)偏移，從而使平面和孔加工質(zhì)量下降。另外，操作者每加工一件橋殼，需要仔細(xì)將橋殼一端靠緊軸向定位塊，手動(dòng)找正工件加工平面的定位基準(zhǔn)后通過(guò)手動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)支承進(jìn)行固定，左右來(lái)回手動(dòng)擰緊翻轉(zhuǎn)壓板將橋殼夾緊，夾具方面的橋殼加工質(zhì)量的穩(wěn)定性主要依靠該夾持力實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)目前的生產(chǎn)方式，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，加工質(zhì)量不高，急需對(duì)該工序所用夾具進(jìn)行改進(jìn)提升以滿足大規(guī)模多品種生產(chǎn)需要。文章基于VMC2060與VCM-158加工中心針對(duì)汽車(chē)中、后橋殼的本次工序設(shè)計(jì)要求，引出滿足本工序加工要求所需的定位組件、夾持組件、工件舉升與回轉(zhuǎn)、液壓系統(tǒng)等，并對(duì)每個(gè)單元逐一進(jìn)行分析說(shuō)明。

1工序設(shè)計(jì)分析

1.1工序設(shè)計(jì)

FPT驅(qū)動(dòng)橋殼工序圖圖1所示。

1.2工序目的

從工序圖圖1中分析，該工序總共需要完成4種橋殼的加工，橋殼的2法蘭間距分別為1323 mm、1350 mm、1366 mm（其中2種橋殼長(zhǎng)度一樣），主視圖所示的橋殼上平面①-②和下平面③-④中的2-20定位孔間距都為1035*0.5 mm，其中3種橋殼的法蘭外圓尺寸均為220，另一種橋殼的法蘭外圓尺寸為250橋殼以?xún)啥朔ㄌm外圓定位，限制橋殼的4個(gè)自由度，分別是Z軸的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、Y軸的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，同時(shí)確保2定位法蘭公共軸心線水平，以右端法蘭的右側(cè)面限制X軸的移動(dòng)自由度，X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度由橋殼下平面（主視圖所示）③-④限制。從工序的三視圖不難理解，平面①、②共面，平面③、④共面，平面①-②與平面③-④平行且水平，兩平行平面與鉛垂面⑤垂直。工件圖示定位完成，以液壓力推動(dòng)壓板對(duì)兩端法蘭外圓上端面實(shí)現(xiàn)壓緊后，首先完成工件上平面①-②的加工，然后加工俯視圖所示除8-24通孔外所有孔系并保證相應(yīng)位置度和精度要求。工件上端面及孔系加工完成后，液壓夾持退出，工件在舉升機(jī)構(gòu)的作用下向上舉升到設(shè)定位置，然后繞工件公共軸心線A-B旋轉(zhuǎn)180°，然后工件下降到設(shè)定位置，以平面①-②限制工件在×軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其余5個(gè)自由度的限制方式與前述定位一致，工件完全定位后液壓夾持機(jī)構(gòu)啟動(dòng)完成對(duì)工件的夾持，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)工件8-24通孔及M22x1.5螺孔的加工并保證相應(yīng)精度要求。

2工件定位

2.1工件的定位方式

工件定位精度直接影響到工件加工質(zhì)量，為此，工件在加工前，必須保證工件6個(gè)自由度被完全限制，同時(shí)確保所有工件重復(fù)定位誤差在控制范圍內(nèi)。從上述工序圖不難看出，工件以?xún)啥?20（或205）法蘭的公共軸線限制工件的4個(gè)自由度，為此，我們不難想到限制該4個(gè)自由度所采用的限位方式為兩端各使用1個(gè)V形定位塊，根據(jù)工件相關(guān)加工孔系的位置度要求結(jié)合工件定位尺寸公差，可以確定得到該2個(gè)V形定位塊的220（或205）測(cè)量棒外圓不同軸度允差不大于0.02 mm，同時(shí)保證公共軸心線與水平面的不行度不大于0.02 mm，從工序圖主視圖可見(jiàn)，由于不同橋殼其兩端法蘭外端面間距是不相同的，所以，工件2定位V形塊間距必須根據(jù)所加工橋殼的對(duì)應(yīng)參數(shù)而能作相應(yīng)調(diào)整。工件軸向（X方向）移動(dòng)自由度的限位只需1個(gè)限位釘或限位塊即可，根據(jù)橋殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇采用定位塊實(shí)現(xiàn)對(duì)工件右側(cè)法蘭外端面限位，同時(shí)保證該定位件的鉛垂定位面與2個(gè)V形定位塊220（或205）的公共軸心線不垂直度不大于0.01mm，為確保定位穩(wěn)定可靠，該軸向定位塊必須與右側(cè)V形塊通過(guò)螺釘剛性連接。為了使工件可靠地與軸向定位塊接觸，保證工件定位準(zhǔn)確，必須在工件軸向左端施加一個(gè)沿工件軸向向右的推力，實(shí)現(xiàn)工件定位加工時(shí)啟動(dòng)，加工完成后自動(dòng)解除。

從工序圖中分析，加工面①、②與定位面③-④平行，所有加工孔系均與所在平面垂直，因此，定位面③-④只限制X軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度是不夠的，必須在限制X軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的同時(shí)保證該定位面③-④與水平面平行，為此，該工件的關(guān)鍵點(diǎn)是采用一個(gè)機(jī)構(gòu)，既能限制工件的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度也能保證工件定位面③-④處于水平狀態(tài)，要實(shí)現(xiàn)定位面③-④處于水平狀態(tài)，采用剛性定位平面對(duì)工件③-④平面進(jìn)行定位是可以實(shí)現(xiàn)的，但是，由于工件已經(jīng)使用2個(gè)V形定位塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件4個(gè)自由度的限制，而剛性定位平面對(duì)工件限制了3個(gè)自由度，使工件在Z軸向的移動(dòng)自由度和Y軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度出現(xiàn)了過(guò)定位而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)。如果將工件③-④平面的平面定位塊采用鉛垂方向可以上下移動(dòng)，定位塊的定位面始終保持水平就可以達(dá)到滿意的定位效果。由于工件外形不規(guī)則，要實(shí)現(xiàn)對(duì)工件工件③-④平面的定位，必須克服工件自重對(duì)工件定位軸線方向的轉(zhuǎn)矩同時(shí)滿足工件在v形塊上的精確定位，因此工件③-④平面定位塊在鉛垂方向上的向下移動(dòng)阻力既要小于工件自重又要大于工件自重對(duì)軸線的轉(zhuǎn)矩力。

工件所有6個(gè)自由度被完全限制后，由于工件③-④平面的定位機(jī)構(gòu)不是剛性定位，工件加工過(guò)程中由于切削力矩的作用，可能使定位失效，因此必須在工件定位夾持完成后再對(duì)工件③-④平面增加4個(gè)液壓輔助支承，每個(gè)輔助支承距離工件軸心線的距離及支撐力的大小必須通過(guò)計(jì)算并考慮安全系數(shù)而確定。

3工件夾持

3.1工件夾持組件結(jié)構(gòu)

工件夾持結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2工件夾持方式和夾持力

本工裝夾持力源于液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的方式，針對(duì)工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工件的定位部位、加工位置關(guān)系方面考慮，工件重量在152-195 kg，體積比較大，工件轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)需要借助行車(chē)才能進(jìn)行起吊，因此，夾具正上方必須要留有足夠的空間以滿足工件起吊進(jìn)出夾具，工件的夾持受力點(diǎn)在工件兩端的法蘭外圓柱面上，為保證工件進(jìn)出夾具方便安全，夾具的夾持機(jī)構(gòu)共兩組，采用浮動(dòng)式V形壓塊的V形面對(duì)工件法蘭外圓柱面施加夾持力，浮動(dòng)式V形壓塊通過(guò)圓柱銷(xiāo)與杠桿中的弧形槽配合一起，杠桿的另一端通過(guò)鉸鏈組件、內(nèi)螺紋鉸鏈支座與液壓油缸的活塞桿的外螺紋連接并可調(diào)，油缸的另一端通過(guò)螺釘與夾具底座剛性連接，杠桿的中部通過(guò)鉸鏈組件與搖臂連接，搖臂下端通過(guò)鉸鏈組件與鉸鏈座連接，鉸鏈座通過(guò)螺釘與夾具底座剛性連接，工件夾持之前，液壓油缸活塞桿縮回油缸，在搖臂的限位作用下，迫使杠桿跟浮動(dòng)V形壓塊一起離開(kāi)V形定位組件中的V形槽，給工件讓出足夠的空間從而保證工件起吊順利，進(jìn)出夾具方便快捷，浮動(dòng)式V形壓塊可以滿足多種外圓尺寸法蘭的夾持需要。

文中所述夾具中的輔助支承組件在工件加工過(guò)程中抵御工件繞軸線（X軸）轉(zhuǎn)動(dòng)，單個(gè)輔助支承缸安全支承力為420 kgf（按輔助支承缸最大耐受力7 MPa計(jì)算），考慮液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)液壓力衰減或波動(dòng)現(xiàn)象，輔助支承缸安全支承力必須在理論支承力的基礎(chǔ)上乘上一個(gè)矯正系數(shù)0.6-0.7，本文計(jì)算取矯正系數(shù)為0.6，由于工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，夾具輔助支承缸受力支撐點(diǎn)距工件回轉(zhuǎn)中心（X軸）97 mm，每次加工過(guò)程中有4個(gè)輔助支承缸同時(shí)作用于工件平面定位兩側(cè)，共分2組以工件軸線（X軸）對(duì)稱(chēng)分布，2組油缸承載的工件扭矩大小相等方向相反，扭矩大小為T(mén)'=798.5Nm?？紤]工件加工過(guò)程中出現(xiàn)沖擊載荷的可能性，實(shí)際計(jì)算工件夾持力時(shí)需要將切削扭矩乘一個(gè)安全系K1K的取值范圍在1.5-3.0之間，本文中K=1.5，因此，計(jì)算用切削扭矩M1=KT=1.5x655 Nm=982.5 Nm，減去輔助支承缸承受的扭矩T'后，M=Mt-T'=184 Nm。工件夾持力W計(jì)算如下：

N-單個(gè)輔助支承缸安全支承力（kgf），取420 kgf；

t-活動(dòng)式平面定位機(jī)構(gòu)彈簧支承力（kgf）取60 kgf；

G-工件重量（kgf），取152 kgf；

將所有取值代入上式可得，W=3 127.5 kgf。代人數(shù)據(jù)計(jì)算，W=工件夾持組件共分2組分別對(duì)應(yīng)于工件兩端法蘭，因此，工件單個(gè)法蘭所需夾持力為W÷2=1 563.75 kgf，考慮油路系統(tǒng)的不穩(wěn)定和衰減因素，工件實(shí)際單個(gè)法蘭所需夾持力設(shè)定值為1 563.75÷0.6=2 606.25 kgf，依據(jù)夾持婦件結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的尺寸參數(shù)（見(jiàn)圖4），取油缸缸徑80 mm，油缸行程150 mm，設(shè)定油壓7Mpa即可滿足工件進(jìn)出夾具方便，加工過(guò)程安全、穩(wěn)定、可靠。

4工件舉升與工件回轉(zhuǎn)

工件定位、夾持完成后便進(jìn)入工件加工階段，加工完成后，如果工件需要繞軸線（X軸）回轉(zhuǎn)1800然后再定位夾緊加工另一面，此時(shí)就必須使用升降機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的回轉(zhuǎn)和再定位。下面就工件的升降與回轉(zhuǎn)作一個(gè)簡(jiǎn)要分析說(shuō)明：

舉升機(jī)構(gòu)分左右2部分，2部分結(jié)構(gòu)除連接板稍許不同外，其余組成零件完全相同，左右2部分的V形測(cè)量棒軸心線在夾具中處于同軸狀態(tài)，圖4為右側(cè)舉升機(jī)構(gòu)，由斜面支承塊、鉸鏈組件、滑塊、連接板、限位板、舉升油缸、U形塊、雙頭螺栓婦件等部分組成。

2件斜面支承板通過(guò)鉸鏈組件與滑塊連接組成一個(gè)120°角度的V形定位組件，工件兩端的140 mm外圓柱面分別擱置在左右舉升機(jī)構(gòu)中的120°角度的V形定位面上，滑塊被限制在由U形塊、限位板構(gòu)成的矩形孔中，除了可以上下移動(dòng)外，其余自由度被完全限制。U形塊與限位板通過(guò)連接螺釘牢固地連接一起，連接板通過(guò)連接螺釘分別與V形定位組件中的V形塊（圖3所示）和U形塊連接。滑塊通過(guò)雙頭螺栓組件與舉升油缸連接，調(diào)節(jié)雙頭螺栓可以調(diào)節(jié)滑塊與舉升油缸的高度距離，調(diào)節(jié)完成后通過(guò)鎖緊螺母鎖定。舉升油缸通過(guò)油管接頭與高壓油管連接從而獲得液壓力推動(dòng)與其連接的滑塊作上下運(yùn)動(dòng)。

工件加工結(jié)束后，夾具左側(cè)的轉(zhuǎn)角軸向推力油缸動(dòng)作，活塞桿帶動(dòng)軸向壓緊件向左退回到設(shè)定位置并停止，與此同時(shí)，舉升油缸獲得液壓力將滑塊向上推送到設(shè)定位置后，與滑塊連接構(gòu)成的120°角度的V形定位組件將工件托舉，此時(shí)，工件在重力矩的作用下繞工件軸線旋轉(zhuǎn)到一定角度后停止，操作者通過(guò)專(zhuān)門(mén)的平衡力杠將工件轉(zhuǎn)動(dòng)到使工件定位平面大致水平狀態(tài)并保持，控制舉升缸電磁換向閥動(dòng)作，工件在舉升作用下緩慢下降直到設(shè)定位置，此過(guò)程中，工件定位平面逐漸與浮動(dòng)式定位平面接觸，在工件自重和浮動(dòng)式平面定位組件的彈力相互作用下工件定位面自動(dòng)水平找正，同時(shí)工件繼續(xù)下降直到工件兩端法蘭外圓柱面被夾具兩端的V形定位組件的V形面完全限制而終止，從而完成工件的180°翻轉(zhuǎn)并再定位。

5液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是整個(gè)夾具系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)力保證，其設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到整個(gè)夾具運(yùn)行的安全穩(wěn)定。由圖5可知，本液壓系統(tǒng)由高壓油輸出與回收系統(tǒng)、油路板、轉(zhuǎn)角油缸、舉升油缸、夾持油缸、輔助支承缸、順序閥、系統(tǒng)保護(hù)回路、轉(zhuǎn)角油缸供油回路、舉升缸供油回路、夾持油缸及輔助支承缸供油回路等部分組成。其中高壓油輸出與回收系統(tǒng)形成高壓油，保證油壓穩(wěn)定在10 MPa，液體流量32 L/min，油路板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)角油缸共計(jì)一個(gè)，自帶速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)角油缸的運(yùn)行速度可通過(guò)自帶調(diào)速機(jī)構(gòu)或供油回路的節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，其所需油壓的大小可在其供油回路中的減壓閥調(diào)節(jié)，與轉(zhuǎn)角油缸供油回路連接，在PLC控制信號(hào)的作用下，完成工件軸向推力組件對(duì)工件的軸向定位與壓緊或解除，舉升缸與其供油回路連接，在PLC控制信號(hào)的作用下，完成工件的舉升、回轉(zhuǎn)和再定位，其運(yùn)行速度和舉升力的大小可通過(guò)其供油回路中的調(diào)速閥和減壓閥實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。夾持油缸和輔助支承缸與其供油回路、順序閥有序連接，在控制信號(hào)的作用下，實(shí)現(xiàn)工件夾持后順序進(jìn)行工件的平面輔助定位或軸向{X軸）回轉(zhuǎn)輔助定位或者解除，其運(yùn)行速度、夾持力、輔助支承力的大小可通過(guò)供油回路的節(jié)流閥和減壓閥的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，其中輔助支承缸動(dòng)作滯后夾持缸動(dòng)作的時(shí)間可通過(guò)順序閥的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)由于輔助支承缸所承受的最大壓力為7 MPa，所以?shī)A持油缸獲得的最大壓力也不超過(guò)7 MPa，根據(jù)本文中的相關(guān)計(jì)算，夾持油缸所需的液壓力在7 MPa已經(jīng)滿足要求，超過(guò)7 MPa的運(yùn)行環(huán)境，夾持機(jī)構(gòu)中相關(guān)部件將會(huì)加速疲勞破壞，所以?shī)A持系統(tǒng)只需保證7 MPa的液壓力供應(yīng)就能安全穩(wěn)定地工作。系統(tǒng)保護(hù)回路確保在空載情況下避免高壓油對(duì)系統(tǒng)的破壞。

6夾具整體布置及其運(yùn)行

通過(guò)調(diào)整兩杠桿式壓板間的相對(duì)位置和調(diào)整更換相關(guān)輔助支承銷(xiāo)，能滿足4種中、后橋殼的銑、鉆加工要求，

通過(guò)變換定向釘及與機(jī)床的聯(lián)接螺釘組件，可在立式加工中心VCM2060（T形槽寬18 mm）、YCM-158B（T形槽寬22mm）使用。

7結(jié)束語(yǔ)

該液壓夾具顯著降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，單件加工節(jié)約工時(shí)198 s，勞動(dòng)生產(chǎn)效率是以前手動(dòng)夾具的1.6倍，按年產(chǎn)量20萬(wàn)根橋殼，單位勞動(dòng)力成本30元／h，單位能耗、油輔料、管理費(fèi)用50元／h計(jì)算，每年可節(jié)約相關(guān)費(fèi)用88萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)3個(gè)月的生產(chǎn)運(yùn)行，夾具運(yùn)行良好，無(wú)任何故障，工件機(jī)加工精度完全達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求且穩(wěn)定可靠，較以前的加工方式，工件的加工質(zhì)量得到了顯著提高。

（責(zé)任編輯：劉海帆）