一種高效率汽車調(diào)整臂殼體夾具的設(shè)計(jì)與分析

曲興田 張 昆 王宏一 王學(xué)旭

(吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130025)

隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展，汽車成為重要的交通工具進(jìn)入千家萬(wàn)戶，從而推動(dòng)汽車零件加工工藝的飛速發(fā)展[1]。

汽車剎車系統(tǒng)中包括一組重要零件叫調(diào)整臂，其結(jié)構(gòu)主要包括調(diào)整臂殼體、蝸輪、蝸桿，通過旋轉(zhuǎn)蝸桿，可以調(diào)整剎車頻繁引起的制動(dòng)鼓和摩擦片之間的間隙[2]。其中調(diào)整臂殼體如圖1所示，起支撐和保護(hù)的作用，具有一定強(qiáng)度要求。在此我們根據(jù)殼體零件圖要求，結(jié)合加工工藝，對(duì)銑削前后兩平行端面工序進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)專用夾具。

1 夾具結(jié)構(gòu)分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)介紹

銑削前后兩平行端面是加工過程中的第三道工序，位于鏜削φ62 mm孔之后，因此可以選擇該孔作為加工精基準(zhǔn)。在此前的加工方式中，多采用基于立式銑床的簡(jiǎn)單夾具，分別銑削單個(gè)工件的前后兩平行端面，效率低下，浪費(fèi)工時(shí)。所以為提高生產(chǎn)效率，基于臥式銑床，提出一種快速夾緊的銑削夾具，可同時(shí)銑削2個(gè)工件的前后兩平行端面，大大縮短加工時(shí)間。

該夾具整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過定位軸、定位銷、夾具體平面限制殼體工件的6個(gè)自由度，并在加工前調(diào)整臥式銑床刀桿上2把三面刃銑刀之間的距離為殼體前后端面厚度，待夾緊后從左向右一次走刀，同時(shí)銑出前后端面。

為實(shí)現(xiàn)快速夾緊，提高生產(chǎn)效率，如圖2b所示，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸即可推動(dòng)移動(dòng)架前移，從而使兩側(cè)的壓緊頭壓緊工件，壓緊頭中安裝單桿形球頭關(guān)節(jié)軸承，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)使壓緊力垂直于工件表面。移動(dòng)架橫跨在L形板上，而L形板則可以繞著安裝在夾具體上的中樞軸旋轉(zhuǎn)，其目的在于，當(dāng)兩個(gè)工件厚度存在誤差時(shí)，可能導(dǎo)致一個(gè)壓緊頭已經(jīng)壓緊工件，而另一個(gè)未壓緊的情況，此時(shí)通過L形板的旋轉(zhuǎn)使兩側(cè)均壓緊殼體工件。后端擋板與L形板之間設(shè)置兩個(gè)彈簧，保證了夾具機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.2 夾緊力分析計(jì)算

初始狀態(tài)下，如圖3a，已知兩個(gè)壓緊頭之間的距離為l，當(dāng)兩個(gè)調(diào)整臂厚度存在誤差s時(shí)，L形板繞中樞軸旋轉(zhuǎn)，如圖3b所示，即繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度α，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸所輸出夾緊力F的方向沿角度α斜向下，并分解為兩個(gè)壓緊頭的水平壓緊力F1和F2。

根據(jù)夾緊力計(jì)算公式，M36螺紋產(chǎn)生的夾緊力F為19 776.7 N，將上述模型簡(jiǎn)化，如圖3c所示，可求解每個(gè)壓緊頭的壓緊力為:

1.3 夾具體模型有限元分析

S.Ratchev等[3]提出了一種利用有限元分析軟件預(yù)測(cè)夾具和工件在加工過程中行為變化的方法，模擬真實(shí)狀態(tài)，為夾具在實(shí)際生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性提供有效數(shù)據(jù)。在此我們首先對(duì)夾具體進(jìn)行分析，為簡(jiǎn)化過程，忽略兩個(gè)工件的厚度誤差s，每個(gè)壓緊頭的壓緊力為9 888.35 N，建立三維模型，添加材料為45號(hào)鋼，具體參數(shù)見表1。

表1 45號(hào)鋼性能參數(shù)

劃分網(wǎng)格后，進(jìn)行靜力學(xué)分析[4]，根據(jù)夾具的實(shí)際工作情況，對(duì)夾具體底面施加約束，對(duì)兩個(gè)壓緊頭施加壓緊力F1和F2的反作用力，并對(duì)夾具體豎直面施加總壓緊力F，得到總體變形和等效應(yīng)力分析云圖，如圖4所示，該夾具最大變形位于壓緊頭和夾具體豎直面上，變形量為0.025 mm，雖然該變形量較小，但也需要注重最大變形位置的磨損和變形，定期檢查壓緊頭的磨損程度及夾具體豎直面的垂直度，避免出現(xiàn)未壓緊或垂直度誤差過大造成加工精度偏低的情況。

2 調(diào)整臂工件有限元分析

2.1 調(diào)整臂模態(tài)分析

為保證調(diào)整臂工件的加工精度，本文也通過有限元對(duì)工件加工過程中的變形進(jìn)行研究，為該銑削工序提供理論依據(jù)[5-6]。該工件需要在此夾具上經(jīng)過粗銑和半精銑兩道工序，其中半精銑的去除量較小，銑削力較小，所以在此只分析粗銑過程中工件的變形和應(yīng)力。將導(dǎo)入殼體工件模型后，添加材料為HT200，具體參數(shù)見表2。

表2 HT200性能參數(shù)

首先對(duì)工件進(jìn)行模態(tài)分析，劃分網(wǎng)格后，對(duì)φ62 mm內(nèi)孔面、大端面、右側(cè)面添加約束，設(shè)置6階模態(tài)，各階振型固有頻率如表3所示，分析結(jié)果如圖5所示。根據(jù)結(jié)果，可以防止在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)生共振現(xiàn)象。

表3 調(diào)整臂工件的固有頻率

2.2 調(diào)整臂銑削變形分析

在該工序中，工件前后端面同時(shí)進(jìn)行銑削，過程中銑削力處于動(dòng)態(tài)變化，在此通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得每個(gè)工件中單面所受銑削力FV為207.4 N，工序基本時(shí)間25.91 s。假定該力恒定不變，并不考慮材料的去除對(duì)工件剛度的影響，對(duì)兩側(cè)加工表面均施加力FV，方向沿走刀方向。如圖6所示，分析得到調(diào)整臂工件在銑削力作用下的最大位移為1.04μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工件精度要求，可以忽略不計(jì)；同時(shí)銑削過程中產(chǎn)生的等效應(yīng)力最大值為2.868 9 MPa，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料HT200的抗拉強(qiáng)度，因此采用該夾具進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)可以達(dá)到加工精度要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)汽車剎車調(diào)整臂殼體工件的技術(shù)要求，對(duì)其工裝設(shè)計(jì)中銑削前后兩平行端面夾具進(jìn)行改進(jìn)，基于臥式銑床，設(shè)計(jì)了一種可以一次走刀同時(shí)加工兩個(gè)工件兩側(cè)表面的專用夾具，依靠旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，即可實(shí)現(xiàn)壓緊，具備快速夾緊的優(yōu)越性，縮短裝夾時(shí)間，提高加工效率。并通過單桿形球頭關(guān)節(jié)軸承和可旋轉(zhuǎn)L形板的配合使用，有效解決了此前工序中兩個(gè)工件厚度加工不均勻而導(dǎo)致的兩工件壓緊偏差，提高了加工精度和穩(wěn)定性。