摘要：后橋殼是安裝了傳動(dòng)系統(tǒng)、差速系統(tǒng)和車輪部分等傳動(dòng)軸裝置的車輛重要組成部分之一。為解決國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)廠商加工效率低和加工精度低的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一套汽車后橋殼體工藝夾具，在滿足尺寸精度、零件幾何形狀和定位精度技術(shù)要求的前提下，精確規(guī)定批量生產(chǎn)的要求和使用檢驗(yàn)工序以提高生產(chǎn)效率。通過(guò)對(duì)銑床定位元件夾緊力的設(shè)計(jì)計(jì)算，在4把刀具同時(shí)加工時(shí)需滿足至少50 kN的夾緊力。在夾具設(shè)計(jì)時(shí)需采用合理的動(dòng)力源來(lái)進(jìn)行裝夾，選擇更為清潔綠色的氣壓裝置，符合低碳綠色環(huán)保的工業(yè)化要求。
關(guān)鍵詞：后橋殼；工藝夾具；加工精度；傳動(dòng)軸裝置
由于后橋殼在動(dòng)力總成中的特殊地位，汽車制造商必須在保證整機(jī)質(zhì)量的前提下，擁有自主的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)線，降低成本以提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)汽車制造商研發(fā)部門以國(guó)產(chǎn)原材料為基礎(chǔ)，結(jié)合中國(guó)國(guó)情，成功開(kāi)發(fā)出了一系列先進(jìn)的制造工藝生產(chǎn)線。由此生產(chǎn)出的高質(zhì)量后橋殼，不僅替代了部分依賴進(jìn)口的汽車零部件，還出口到歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家[1]。
后車橋的主要部分是一個(gè)橢圓形柱體，在動(dòng)力輸出（Power Take-Off, PTO）軸周圍有最終驅(qū)動(dòng)裝置、差速器和車輪驅(qū)動(dòng)裝置，后部有一個(gè)變速箱，其主要功能是最大限度地提高PTO軸和變速箱的扭矩，并在左右驅(qū)動(dòng)輪之間進(jìn)行動(dòng)力分配。除了將變速箱與主變速箱連接起來(lái)之外，齒輪差速器和半軸還能確保兩個(gè)車輪以不同的速度旋轉(zhuǎn)，抵抗路面和車身或底盤之間力的相互作用，因此主要軸承部件尺寸較大[2]。
1 加工需求分析
1.1 零件工藝分析
橋殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示，汽車后橋殼的加工表面可分為三組：第一組包括前后表面、內(nèi)腔、左右端面和面部外周的加工表面；第二組包括側(cè)表面和內(nèi)腔的加工表面；第三組包括前后表面、兩個(gè)端面和面部外周的加工表面。第一組可加工表面包括外表面和孔的表面、孔徑、凸緣、邊緣和外徑，其主要在兩個(gè)平面上加工，孔的大小在加工過(guò)程中相對(duì)難以處理，對(duì)零件質(zhì)量影響較大。第二組是在平面兩側(cè)對(duì)零件進(jìn)行鉆孔加工。這一組包括表面加工：分別為四個(gè)平面、四個(gè)孔和孔徑。第三組是工件內(nèi)部孔的加工，該組孔的加工要滿足粗糙度和軸向公差要求?？准捌浔砻嬉约氨砻婀ぷ髋_(tái)按軸向公差進(jìn)行加工。
1.2 加工基準(zhǔn)面選擇
選擇基準(zhǔn)面是最重要的加工任務(wù)之一。選擇正確合理的基準(zhǔn)面可以確保加工質(zhì)量、優(yōu)化生產(chǎn)率，否則加工過(guò)程將無(wú)法順利進(jìn)行，許多零件可能會(huì)被報(bào)廢。因此，在選擇基準(zhǔn)面時(shí)應(yīng)慎之又慎[3]。
生產(chǎn)后橋殼體所需的主要部件是軸頭兩端和所有外圓表面、中心孔和鉆孔表面。除了尺寸精度和粗糙度外，還要求外殼內(nèi)孔的邊緣與內(nèi)孔軸線平行（縱向測(cè)量）且軸向?qū)ΨQ。其中平行度要求為0.05 mm，兩側(cè)套管孔的同軸度要求為0.1 mm。因此有必要確定處理加工順序，必須先加工軸頭的兩個(gè)外圓，之后是孔，最后是中心孔和兩個(gè)邊緣，這樣軸頭就遵循先粗加工后精加工的要求。車身孔的粗加工屬于半精密鉆孔，中心孔兩端和中心孔末端的粗加工屬于精密鉆孔，其余工序?qū)儆诨竟ば?，安插在主要工序之間進(jìn)行。用鋼板彈簧磨削閥座會(huì)產(chǎn)生較大間隙，從而導(dǎo)致橢圓形扁平軸孔。因此，應(yīng)在制作細(xì)孔前進(jìn)行磨削加工，根據(jù)軸承表面選擇原則，可選擇盲孔表面或外圈法蘭盲孔表面作為后橋殼的未處理軸承表面。
1－半軸套管；2－法蘭盤；3－板簧鉤；4－螺栓；5－上懸掛支架；6－減速器安裝孔；7－殼體；8－下懸掛支架。
圖1 橋殼體結(jié)構(gòu)
2 加工工藝路線設(shè)計(jì)
2.1 工藝方案選擇
在開(kāi)發(fā)生產(chǎn)線時(shí)，首先必須滿足尺寸精度、零件幾何形狀和定位精度等技術(shù)要求。生產(chǎn)工藝方案應(yīng)盡可能精確地規(guī)定批量生產(chǎn)的要求和使用特殊機(jī)械設(shè)備以提高生產(chǎn)率的要求。工藝流程的構(gòu)思和設(shè)計(jì)要盡可能高效，這不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量方面，也體現(xiàn)在生產(chǎn)規(guī)劃方面，當(dāng)然還包括確保工藝流程的集中化，同時(shí)考慮到降低生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[4]。因此，結(jié)合上述分析，開(kāi)發(fā)出了如圖2所示的兩種流程控制方案。
這兩種加工方案的區(qū)別在于，在方案一中，可以先加工軸體外圈的兩個(gè)表面，然后再加工孔；在方案二中，首先淬火法蘭外圈的外表面，然后淬火車身，其次淬火法蘭外圈，最后進(jìn)行半精加工處理。
圖2 流程控制方案
方案一在板上加工孔后對(duì)彈簧槽進(jìn)行表面磨削時(shí)，磨削力較大，且孔已被填滿，因此磨圓誤差略呈橢圓形，加工誤差大于方案二。在第二種方案中，淬火和精加工是分開(kāi)進(jìn)行的，但是為了確保外環(huán)和主體鉆孔時(shí)的必要鋒利度，將開(kāi)槽和精加工結(jié)合在一起，以縮短時(shí)間并避免零件裝配時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。最后，經(jīng)過(guò)上述分析過(guò)程，選擇方案二作為流程控制的主方案。
2.2 加工階段的劃分和檢驗(yàn)工序安排
對(duì)于精度和表面質(zhì)量要求較高的零件，可以進(jìn)行先粗加工后精加工。例如，軸頭和外環(huán)在粗加工工序一中，在精加工工序三中。淬火和精加工工序分開(kāi)進(jìn)行，有助于消除殘余應(yīng)力，可有效降低報(bào)廢率，從而實(shí)現(xiàn)精確生產(chǎn)和提高生產(chǎn)率。
后橋外殼的制造過(guò)程可分為兩個(gè)階段。第一階段是基本加工，在工序六之前完成軸和外殼孔外表面的加工，為后續(xù)加工創(chuàng)建一個(gè)精確的參考點(diǎn)。第二階段緊接著進(jìn)行工序六，利用機(jī)械參考點(diǎn)完成其余表面的加工。
第一道工序結(jié)束后，還要進(jìn)行中間檢查，以確保關(guān)鍵點(diǎn)得到正確加工，避免出現(xiàn)次品。在后軸箱體的最終生產(chǎn)過(guò)程中，還要進(jìn)行進(jìn)一步的檢查，以驗(yàn)證工序二加工表面，并根據(jù)加工設(shè)備的反饋確定每個(gè)參數(shù)的檢查次數(shù)。這種安排確保了后橋殼體在殼體沖壓之前就已定位，從而避免了殼體沖壓后的后續(xù)維修。
3 夾具設(shè)計(jì)
3.1 銑床夾具
本夾具是用來(lái)銑削面積為110 mm×90 mm的后橋殼體兩側(cè)面，該平面對(duì)于精度和表面質(zhì)量要求不高，所以主要考慮的是提高工作效率和降低工作強(qiáng)度。
1.定位元件
銑削面是平面，刀具可在該平面延伸方向上任意位移。由于彈簧座平面的形位公差要求，必須限制平面U軸和W軸的自由度。根據(jù)尺寸要求，需限制零件在垂直于平面和設(shè)計(jì)原點(diǎn)的方向上的移動(dòng)（參照Z(yǔ)軸），以便原點(diǎn)重合且不會(huì)出現(xiàn)誤差。換句話說(shuō)，要設(shè)計(jì)一個(gè)不完全定位裝置，約束一個(gè)移動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。
定位器的設(shè)計(jì)可以使用外圈或內(nèi)圈和固定定位平面，只要內(nèi)圈和固定定位平面在零點(diǎn)處重合即可。同樣，如果外圈的兩端面或定位裝置的錐體部分（毛坯表面）與之在零點(diǎn)處重合，并滿足工藝要求即可。由于該工序要求四面同時(shí)銑削，因此施加在工件上的力相對(duì)較大，除了輕夾緊力等因素外，還用于定位殼體零件的兩個(gè)圓錐面（空心面）、端面和內(nèi)面。由于工件在加工過(guò)程中處于懸臂圓形空間，磨削振動(dòng)較大，因此使用附加支撐可提高剛性。
2.夾緊機(jī)構(gòu)
該裝置采用手動(dòng)杠桿夾緊結(jié)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)杠桿和螺栓夾具夾緊外圈，杠桿與外環(huán)端部的連接為過(guò)渡弧，杠桿不能增加或減少夾緊行程。但是，由于杠桿和銷釘可以繞其端部旋轉(zhuǎn)，因此可以快速裝卸工件，從而提高工人的工作強(qiáng)度和效率[5]。
夾緊力為4 kN，其計(jì)算參考金屬切削刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)[6]：
（1）式中，Gz為切削力系數(shù)；az為切削層尺寸；d0為銑刀直徑；af為每齒進(jìn)給量；ap為切削深度；為修正系數(shù)。
水平分力為4 393 N，其計(jì)算公式如下：
Fy=(1～1.2)Fz=1.1Fz （2）
垂直分力為1 198 N，其計(jì)算公式如下：
Fx=0.3Fz （3）
故工件沿安裝軸線方向的最大銑削力為 152 051 N，其計(jì)算公式如下：
（4）夾緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的夾緊力為13 284 N，滿足：
P=KF=K(K1K2K3K4) （5）
式中，K為穩(wěn)定安全系數(shù)；K1為基本安全系數(shù)；K2為加工安全系數(shù)；K3為刀具壽命系數(shù)；K4為累計(jì)切削系數(shù)。
4把刀同時(shí)加工銑削平面時(shí)，產(chǎn)生的銑削力為53 136 N，其計(jì)算公式如下：
P4=4P （6）
由式（6）可知，夾具所需的夾緊力很大。為使夾具結(jié)構(gòu)方便裝卸，提高生產(chǎn)效率，決定選擇旋轉(zhuǎn)式起重機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾具的夾緊功能。
3.2 鉆床夾具
1.定位元件設(shè)計(jì)
工序十三是將鉆12×M12孔的鉆床夾具，用于鉆孔和攻絲組合機(jī)床的加工，使用刀具為硬質(zhì)合金鉆頭。由零件圖可知，鉆12×M12孔應(yīng)完全定位。對(duì)于孔有位置度要求時(shí)，加工時(shí)夾具起到定位和支撐作用，孔的位置由鉆模板控制，機(jī)床本身加工精度確定刀具（鉆頭）的均勻分布[7]。
2.鉆削力計(jì)算
刀具采用硬質(zhì)合金鉆頭，工件材料為鑄鐵。切削扭矩計(jì)算參考金屬切削刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)[6]：
M=0.098D×2.2S×0.8Kp （7）
P=319D×1.2S×0.75Kp （8）
式中，M為切削扭矩；D為刀具直徑；d為孔徑；P為軸向切削力；S為每轉(zhuǎn)進(jìn)給率；Kp為修正系數(shù)，取0.87。
3.3 動(dòng)力源設(shè)計(jì)
由于加工部件的尺寸較大、受加工環(huán)境的影響、氣動(dòng)夾緊裝置的使用以及對(duì)夾緊力的需求，動(dòng)力源選擇氣壓裝置，氣動(dòng)原理圖如圖3所示，可通過(guò)三位四通換向閥實(shí)現(xiàn)氣缸的伸縮功能。
1－氣動(dòng)馬達(dá)；2－過(guò)濾器；3－直動(dòng)式減壓閥；4－油霧器；5－三位四通換向閥；6－左氣缸；7－右氣缸。
圖3 氣動(dòng)原理圖
在設(shè)計(jì)氣缸時(shí)，應(yīng)考慮密封和防塵措施。工件靠氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置將工件壓到平整的上支架上，氣缸行程合理，工作壓力必須大于工作負(fù)荷[8]。
對(duì)于氣缸，應(yīng)在缸筒和缸蓋、活塞桿和柱塞（靜態(tài)密封）、缸筒和活塞、活塞桿和缸蓋、阻尼套筒和缸蓋（動(dòng)態(tài)密封）上使用密封件。液壓密封件使用O形圈密封件；使用O形圈密封件時(shí)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，摩擦阻力小。由于接觸面積小會(huì)降低密封效率，因此，可以通過(guò)使用更多的單元環(huán)來(lái)提高效率（如果活塞厚度超過(guò)28mm，則可以使用兩個(gè)密封件）。本設(shè)計(jì)增加兩個(gè)密封圈是因?yàn)榛钊瘢枰膲毫Ω遊9]。如果使用靜態(tài)密封，則需要添加密封墊以確保防漏。
4 結(jié)束語(yǔ)
汽車后橋殼體作為汽車底盤的關(guān)鍵零部件，既是承載件又是傳力件，其加工精度和強(qiáng)度對(duì)于汽車的整體性能和安全性具有至關(guān)重要的作用。為減少加工誤差，提高加工效率，本文采用對(duì)零件加工工藝路線進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而在滿足加工精度的前提下，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)能效率；在夾具設(shè)計(jì)時(shí)采用合理的動(dòng)力源來(lái)進(jìn)行裝夾，選擇更為清潔綠色的氣壓裝置，符合低碳綠色環(huán)保的工業(yè)化要求。
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