汽車轉向節鉆孔夾具結構設計

朱文峰，李旗號，汪韶杰

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009;2.合肥工業大學汽車技術研究院，安徽合肥230009)

0 引言

轉向節是汽車上重要的安全零部件之一，它能夠使汽車靈敏地傳遞行駛方向并穩定行駛。轉向節的作用是承受汽車前部的載荷，支撐和帶動前輪使汽車轉向。在汽車行駛狀態下，它承受多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強度。

轉向節分為整體式和分體式兩種，分體式則主要用于乘用車 (轎車)，整體式主要用于商用車 (貨車)。由于轉向節的結構比較復雜，屬于空間異形件，加工精度要求較高，并且加工時無法直接精確定位，所以需要設計專用的夾具實現加工過程中的準確定位和夾緊。從機加工藝來講，轉向節分為桿部、法蘭盤和叉部等3個部分加工。叉部加工是轉向節加工的難點，采用兩銷一面定位，是整個加工工藝的投資重點和設備選型的關鍵。大部分轉向節在此部位還有橫拉桿裝配用的錐孔，這更增加了叉部加工難度，錐孔加工是許多廠家難以100%合格的項目，應予重視。筆者主要針對如圖1所示轉向節的短彎臂錐孔加工，提出合理的加工方案，并設計錐孔加工的專用夾具。

1 錐孔加工工藝分析

為轉向節短彎臂錐孔加工所設計的夾具，在之前工序加工完轉向節短彎臂側面相關尺寸以及通孔φ12.2、孔和及其所在平面后的工序，這一工序所需加工尺寸如圖2所示，孔錐度為1∶8，錐孔軸線與豎直方向的夾角為3°53'±10'，錐孔小端直徑 φ 14.，錐孔的位置尺寸81.1±0.2、58.5±0.15。加工中錐孔位置可以通過控制錐孔中心線到兩個工序基準的交點的距離來確定。轉向節加工工藝路線為鉆—粗鉸—精鉸，使用該工藝方案孔徑精度可達到IT6～8，表面粗糙度 R a0.8～1.6 μm，滿足錐孔加工的精度要求，該工藝合理可行。

2 錐孔加工夾具的設計

2.1 定位基準與夾緊方案的確定

由于在進行此工序加工之前已經完成轉向節短彎臂側面相關尺寸以及通孔φ12.2、孔和及其所在平面尺寸的加工，所以選用尺寸為的孔和孔左側端面做為定位基準，限制工件5個方向的自由度，同時采用與支撐面安裝孔相配合的菱形銷作為定位元件，限制工件其余的自由度，工件達到完全定位。

由于轉向節為大批量生產，因此采用螺旋夾緊裝置，結構簡單，夾緊動作迅速、操作方便、省力和安全。

2.2 夾具結構的設計

設計的錐孔加工夾具結構如圖3所示，夾具主要由螺桿、六角螺母、壓板、襯套、定位軸、快換鉆套、彎板、菱形銷等組成。

導向裝置設計，分析錐孔加工工藝可知，由于在鉆鉸1∶8錐度的孔時，采用的刀具為鉆頭和1∶8錐度的鉸刀，所以需要設計導向裝置。通過開槽盤頭螺釘壓緊在彎板上的襯套和快換鉆套，對鉆頭以及鉸刀起導向作用。

因為該錐孔軸線與豎直方向的夾角為3°53'±10'，所以通過定位軸與彎板上傾斜孔的配合，將該孔軸線方向轉換為與豎直方向平行，以滿足鉆孔加工。

左右轉向節對稱布置，在一道工序中加工完成各自的錐孔，減少夾具數量，提高生產效率。

2.3 夾具結構的三維建模

采用三維軟件Pro/E對夾具的各零件進行建模，并且利用軟件的虛擬裝配功能對夾具進行虛擬裝配，虛擬裝配圖如圖4所示。設計者通過三維建模可以直觀地觀察所設計的夾具，更有效地了解夾具的空間情況，進行空間布局，同時節省了零件的繪制時間，在實體修改時，裝配件可以隨實體位置變化而變化，可在設計過程中檢測出零件之間是否存在干涉等問題而無需通過實際生產調試。三維造型生產成本低、設計周期短，在現今對設計的夾具結構進行三維建模和虛擬裝配已經逐步成為了主流。

3 夾具定位誤差計算分析

定位誤差的計算是夾具結構設計中必不可少的一個環節，定位誤差的數值也是判斷夾具的結構設計是否合理的依據。工件在夾具中加工時，引起加工尺寸產生誤差的主要原因有兩類:一是由于定位基準本身的尺寸和幾何形狀誤差，以及定位基準與定位元件之間的間隙所引起的工件定位基準沿加工尺寸方向的最大位移，稱為定位基準位移誤差，以Δy表示;二是由于工序基準與定位基準不重合，引起的工件工序基準相對于定位基準而言沿加工尺寸方向的最大位移，稱為基準不重合誤差，以Δb表示。兩類誤差之和為定位誤差Δd，即Δd=Δy+Δb。

(2)由定位軸定位面的位置度引起的角度誤差

式中:Δ為定位面位置度誤差，mm;a為定位面寬度，mm。

式中:Dmax為定位孔的最大直徑，mm;

dmin為定位軸的最小直徑，mm;

L為定位軸孔接觸長度，mm。

由夾具定位誤差引起的最大轉角誤差為

由于定位誤差小于加工誤差的1/3，所以該夾具的精確度可以保證零件的加工精度要求。

4 結束語

通過對夾具結構及定位誤差的分析，該夾具可以實現空間異形件轉向節大批量、高效、高精度的生產。實踐證明，夾具結構設計完全滿足零件的高精度加工要求，使用效果良好，并能減輕操作者的勞動強度，對同類零件的加工具有一定的指導意義。

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