動力轉向器輸入軸鉆斜油孔專用夾具設計*

陳 誠，顧 晉，王生懷

(1.湖北汽車工業學院機械工程學院，湖北 十堰 442002；2.東科克諾爾商用車制動技術有限公司，湖北 十堰 442003)

0 引言

輸入軸是動力轉向器的核心零件，外圓表面均布油槽和油孔，形狀復雜，加工時不易選擇可靠的定位基準來保證加工質量。鉆外圓均布的3個斜油孔時，為減少裝夾次數，要在夾具上設計分度機構[1]。一般夾具上的分度裝置主要是由圓形分度定位盤和分度定位器所組成[2-3]，采用手拉式對定方式，定位精度不夠，生產效率低下。目前夾具的設計多采用傳統的經驗設計方式，夾具體比較笨重，造成材料浪費。設計合理的工藝和專用夾具，采用數控分度裝置，并進行輕量化設計，可以保證工序質量和生產效率，提高機械加工自動化水平，降低夾具的制造成本。

1 輸入軸斜油孔加工工藝分析

1.1 工藝要求

如圖1所示，輸入軸外圓上均布6個油槽，每2個油槽之間形成凸棱。銷孔用于與扭桿相連，鍵槽則與閥套連接并起角度限位作用，共有3個圓周均布的斜油孔，與內腔導通，構成液壓回路[1]，相關尺寸和相互位置精度都會直接影響到動力轉向器的工作性能。

圖1 動力轉向器輸入軸

動力轉向器輸入軸材料為20CrMnTi，表面需要滲碳淬火，其斜油孔加工技術要求如圖2所示。

圖2 輸入軸斜油孔技術要求

1.2 工藝分析

輸入軸是典型的軸類零件，毛坯為鍛件，熱處理前的外圓和兩端面在數控車床上車削，遵循基面先行原則鉆出兩端中心孔作為后續工序的定位基準。在滾軋機上滾壓花鍵后銑出花鍵平面，利用成型銑刀分別銑出鍵槽和油槽；鉆鉸銷孔，鉆斜油孔后滲碳淬火；熱處理后在中心孔刮研機上研磨兩端中心孔，最后在數控外圓磨床上精磨外圓。

斜油孔尺寸精度要求為IT13級，粗糙度為Ra6.3，在數控鉆床上鉆孔即可達到要求[5-6]。但因6個均布的油槽形成凸棱，外圓表面并不規則。鉆斜油孔工序在保證孔中心軸線與凸棱對稱面成30°角的技術要求時，如果要嚴格遵循基準重合原則，則必須選用凸棱側面作為定位基面。而凸棱側面面積過小，定位并不可靠，會帶來較大的定位誤差。斜油孔軸向尺寸6.7±0.2的設計基準是銷孔中心，由于銷孔很小，只有φ4mm，選其作為定位基準，會造成零件裝夾困難，生產效率低下，而且配套使用的定位銷因直徑過小，強度不夠，容易因磕碰而損壞。選擇合理的定位基準是鉆斜油孔工序必須解決的問題。

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2 定位方案設計

2.1 定位方案分析

定位就是在加工前，使工件在機床或夾具上占據某一正確位置的過程，定位基準選擇是否合理意義十分重大，它不僅影響到工件裝夾是否準確、可靠和方便，工件的加工精度是否易于保證，而且影響到零件各個加工表面的加工順序，甚至還會影響到所采用的工藝裝備的復雜程度[7]。通過分析輸入軸結構，發現利用鍵槽更能可靠地實現角度定位，便于設計定位元件。可以利用兩端中心和鍵槽限制工件6個自由度，實現完全定位。但因為斜油孔軸向尺寸基準為銷孔中心，采用中心孔定位導致基準不重合，且中心孔加工精度并不高，無法保證尺寸精度。考慮到輸入軸端面與銷孔中心軸向尺寸如圖2所示為86.2±0.05，精度較高，因此采用該端面作為定位基準限制工件軸向自由度。其他工序也可以采用這一定位方案，使零件加工定位基準的選擇遵循基準統一原則，不僅可以簡化夾具設計，還能可靠保證零件位置精度[8]。具體定位方案如圖3所示。

圖3 鉆斜油孔工序定位方案簡圖

2.2 定位誤差分析與控制

夾具定位誤差是工件產生加工誤差的主要因素之一，當工件的定位基準和尺寸工序基準不重合時產生基準不重合誤差，而工件定位面和定位元件的制造公差及定位副配合間隙會導致基準位移誤差。由于斜油孔設計基準為凸棱，而定位基準為鍵槽，存在基準不重合誤差。如圖2所示斜油孔與凸棱角度為30°，根據標準將其公差確定為±45′[9]。

如圖4所示，鉆斜油孔之前已銑削出了凸棱和鍵槽，凸棱相對于鍵槽對稱度要求為0.10。

利用兩個活動頂尖限制工件4個自由度。設計如圖6所示的撥塊，利用其凸鍵與輸入軸鍵槽配合實現角度定位，而軸向定位面與圖3所示輸入軸的左端面接觸后限制軸線平移自由度，從而實現了完全定位。

在ZKJ5140B立式數控鉆床上采用正弦波形交流永磁同步伺服電機，額定轉矩3.2 N·m、額定轉速3000 r/min，分度頭減速比90：1，在數控系統里作為X軸實現3個斜油孔加工的分度。

如圖5所示，因為存在對稱度誤差，凸棱對稱面相對于鍵槽會產生角度誤差α，這一誤差即為斜油孔加工時的基準不重合誤差。

圖4 鍵槽與凸棱位置要求 圖5 角度定位誤差計算簡圖

則其角度定位誤差為：

式（6）中，fst表示衛星發射的下行信號頻率。地面站綜合基帶接收信號由于受到下行多普勒的影響，接收頻率為:

計算結果滿足角度公差1/3的定位精度要求[10]。

3 專用夾具設計

不同型號輸入軸鍵槽寬度不同，更換撥塊即可，而不必重新設計夾具，某型號輸入軸鉆斜油孔工序所使用的撥塊如圖7所示。

3.1 定位元件

夫妻倆聊起天來，說的也都是些家長里短的瑣碎事，看不見半點風花雪月的影子。偶爾還拌嘴吵架，你一言我一語地抬杠，并非成親時許諾的“相敬如賓舉案齊眉”。過日子的成分，明顯要大于談情說愛。他們的結合過程也就不難猜了。

We thank L Yang, J Liu, Z C Chen and J Z Ling for their help. We are grateful for financial supports from the A*STAR, SERC 2014 Public Sector Research Funding (PSF) Grant (SERC Project No. 1421200080).

圖6 撥塊

為適應不同型號輸入軸的加工要求，應將鉆斜油孔專用夾具設計成部件相對位置可調，通過更換部分元件可實現成組加工，以滿足產品品種變化和低成本高質量的要求[11]。

圖7 撥塊零件圖

3.2 分度機構

為實現一次裝夾加工出3個圓周均布的斜油孔，傳統方法是在分度元件上鉆出圓周均布的定位孔，依次將分度銷插入相應定位孔實現分度。為了提高鉆孔加工自動化程度和生產效率，本設計方案使用伺服電機帶動如圖8所示的轉軸旋轉，從而實現數控分度[12]。

加強溫度控制，是預防發生混凝土裂縫現象的方法之一。通過控制溫度，在此基礎上對骨料配置進行優化，同時在施工過程中采用干硬性混凝土，能夠有效減少混凝土中水泥的成分，從而在一定程度上提高施工質量。此外，在攪拌混凝土時，在碎石中灑適量的水可達到有效降溫的目的，以此降低混凝土溫度。特別是在溫度較高的環境中澆筑的情況下，應減少澆筑厚度以便于散熱，從而達到全面降溫的效果。

圖8 轉軸

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3.3 夾具體設計

因鉆孔時麻花鉆軸線垂直，為了加工出斜油孔，如圖9所示，將夾具體底板上下平面設計成15°，零件定位夾緊后軸線與水平面也成15°夾角。采用調質45鋼，HRC26～31，表面發黑處理。夾緊機構安裝在夾緊支座上后，可以隨支座在夾具體的安裝滑槽里滑動，調整到合適的位置后再鎖緊，以彌補夾具元件制造和裝配誤差，并滿足加工不同型號軸向長度有差異的輸入軸的需求。

圖9 夾具體

3.4 夾具工作原理

夾具由夾具體、定位裝置、夾緊裝置、刀具引導裝置和分度機構組成。夾具體承裝各部件，調整好位置后通過T型螺栓及夾具體上的U型槽與機床工作臺連接。定位裝置由左頂尖、撥塊和右頂尖組成，如圖10所示，左頂尖8通過彈簧6可以伸縮，撥塊10端面和凸鍵、以及右頂尖15共限制工件6個自由度，實現完全定位。右頂尖15兼具夾緊功能，通過其外圓上的螺旋槽與螺釘17配合實現快速夾緊，因此夾具不需要另設夾緊元件。轉軸9通過連接軸1與伺服電機分度頭連接，其外圓與支座內孔之間使用2個深溝球軸承4和1個平底推力軸承7，使轉軸轉動靈活輕便。用鉆模板和鉆套作為刀具引導裝置，提高了鉆頭剛性和鉆斜油孔的定位穩定性。

1.連接軸 2.夾具體 3.端蓋 4.深溝球軸承 5.隔圈 6.彈簧 7.平底推力軸承 8.左頂尖 9.轉軸 10.撥塊 11.圓柱銷 12.鉆模板 13.鉆套 14.墊塊 15.右頂尖 16.襯套 17.螺釘 18.螺母 19.手柄 20.定位鍵

4 夾具體輕量化設計

在SolidThinking Inspire里將夾具體安裝平面留出必要的螺栓孔連接厚度后，定義設計空間與非設計空間，添加約束和工況，設置優化目標。由于夾具體材料采用調質45鋼，因此將設計空間材料定義為C45E，進行優化運算后得到結果如圖11所示。

圖11 夾具體優化結果

考慮夾具體制造工藝性要求，結合優化結果改進夾具體的設計，獲得最終結果如圖12所示。

圖12 結構優化的夾具體

對夾具體進行結構拓撲優化后，質量從原來的36.554 kg減少到17.958 kg，將近減少了50%。重新在SolidThinking Inspire里進行了有限元分析后發現，夾具體在切削力和夾緊力的作用下位移和應變值都非常小，并且遠小于輸入軸加工尺寸的公差，因此優化的結果是滿足加工要求的。

5 結論

動力轉向器輸入軸鉆斜油孔專用夾具采用了基準不重合定位方案，針對輸入軸結構特點合理選擇了零件中心孔和鍵槽等作為定位基準，定位準確可靠，精度完全滿足加工要求。轉產時調整方便，能夠滿足多品種加工和大批量生產要求。使用伺服電機實現數控分度，提高了生產效率和自動化水平。基于CAE工程軟件對夾具體進行拓撲優化，節省材料應用，降低了夾具的制造成本，實現了輕量化設計。