汽車鋁合金車輪一刀車夾具設(shè)計(jì)

孫洪勝 郭云松 李靈鳳

(①燕山大學(xué)，河北秦皇島066004；②沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110807)

鋁合金車輪由于具有重量輕、散熱好、平衡性能優(yōu)良等顯著的行駛性能，加之外觀精美大氣、造型豐富多樣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在轎車、輕型客車等乘用車范疇內(nèi)成為客戶首選，并占有絕對(duì)的市場(chǎng)領(lǐng)先地位。即使在客車、卡車等商用車范疇內(nèi)，鋁合金車輪也持續(xù)發(fā)力，且后來(lái)居上，逐漸取代部分商用車的傳統(tǒng)鋼制車輪。甚至在高鐵、軍工、航空領(lǐng)域，性能卓越的鋁合金車輪也正在突破一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難題，并取得顯著成果。

1 鋁合金車輪的接刀棱及其產(chǎn)生原因

鋁合金車輪是按照鋁錠熔煉、毛坯鑄造、機(jī)械加工、噴涂、成品包裝等工藝流程進(jìn)行制造的。在機(jī)械加工階段，一般又分為三道工序，國(guó)內(nèi)一般稱之為機(jī)加一序、機(jī)加二序、機(jī)加三序，也有稱之為一工程、二工程、三工程的。三道工序的順序并沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定，或者稍有交叉，但大同小異。下面簡(jiǎn)介如下。

(1)機(jī)加一序。如圖1所示，在數(shù)控車床上，使用一序?qū)Ｓ脢A具，將毛坯定位、夾緊，接著按照工步A1→A2、B1→B2、C1→C2的走刀軌跡，進(jìn)行車削加工。

(2)機(jī)加二序。如圖2所示，在數(shù)控車床上，使用二序?qū)Ｓ脢A具，將毛坯調(diào)頭定位、夾緊，接著按照工步D1→D2、E1→E2的走刀軌跡，進(jìn)行車削加工。

(3)機(jī)加三序。如圖3所示，在加工中心上，使用三序?qū)Ｓ脢A具，將毛坯定位、夾緊，接著分別鉆削螺栓孔、氣門(mén)孔、裝飾孔等。

根據(jù)以上工藝路線，不難看出，鋁合金車輪的外輪輞部位是由機(jī)加一序的工步A1→A2和機(jī)加二序的工步D1→D2組合而成的，是分別在兩臺(tái)機(jī)床上加工的。

在鋁合金輪轂的整個(gè)金屬切削過(guò)程中，加工變形是不可避免的，同時(shí)，由于存在二次裝夾造成的定位誤差，于是，在幾乎所有的機(jī)加成品中，都有圖4所示的接刀痕跡(臺(tái)階)，行業(yè)內(nèi)稱之為“接刀棱”。接刀棱的存在，一般會(huì)導(dǎo)致車輪徑向跳動(dòng)不好、輪輞壁厚不均勻、局部尺寸超差、動(dòng)平衡不好等質(zhì)量缺陷。

在上述的走刀軌跡中，接刀棱是不可避免的，雖然有各種整改措施，但仍無(wú)法根本杜絕。對(duì)于常規(guī)的乘用車和商用車來(lái)說(shuō)，接刀棱的存在并不會(huì)對(duì)車輪質(zhì)量、整車性能帶來(lái)過(guò)多的影響。因此，在保證車輪性能指標(biāo)的前提下，汽車廠也認(rèn)可接刀棱的存在，并給出具體的接收指標(biāo)。

2 一刀車夾具的結(jié)構(gòu)組成

但是對(duì)于高端客戶或者其他有特殊技術(shù)指標(biāo)要求的客戶來(lái)說(shuō)，就不允許接刀棱的存在了。如高速行駛、極度輕量化的賽車，輪輞壁厚很薄的高端乘用車，特殊要求的軍用車輛等，這就要求在機(jī)械加工過(guò)程中，必須根治接刀棱。

理論上，使用前述的車床夾具，是無(wú)論如何也不能根除接刀棱的，其根本原因就是因?yàn)閵A具的夾緊位置限制了車刀走刀軌跡。

為了解決接刀棱的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種一刀車夾具，如圖5所示。該夾具端面定位環(huán)15和彈性漲套13固定在底座1上，起到為車輪提供端面(軸向)和徑向定位的作用，彈性漲套13上端開(kāi)口呈圓錐形，和錐形拉桿14頭部吻合，錐形拉桿14下端和聯(lián)結(jié)套3固定在一起，防轉(zhuǎn)銷12安裝在15上，起到帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，氣密膠圈11安裝在端面定位環(huán)15和底座1中間，形成氣密檢測(cè)回路，上盤(pán)10和下盤(pán)7通過(guò)螺釘6組合在一起，然后用螺栓5與底座1聯(lián)結(jié)，在外緣部位形成內(nèi)、外兩個(gè)環(huán)形回路，內(nèi)側(cè)回路安放鋼珠8，外側(cè)回路安放橡膠環(huán)9。

鋁合金車輪一刀車夾具結(jié)構(gòu)組成和特點(diǎn)如下。

(1)彈性漲緊部分。包含彈性漲套13、錐形拉桿14，和常規(guī)的芯軸定位方式不同，彈性漲套能夠根據(jù)車輪中心孔直徑的大小自動(dòng)漲緊，徹底消除中心孔徑向定位部分的定位誤差，使車輪的徑向跳動(dòng)更小。

(2)定位檢測(cè)部分。如圖5、圖6所示，在底座圓筒部位、端面定位環(huán)內(nèi)部，預(yù)先制作了通氣孔，形成氣路，將壓縮空氣從主軸鼻端引流到底座部分，并最終引導(dǎo)到端面定位環(huán)上表面。如果車輪定位不好、車輪放置不正、車輪法蘭面翹起，此時(shí)壓縮空氣會(huì)從氣孔泄漏。只有當(dāng)氣孔被車輪法蘭面貼平時(shí)，法蘭面堵住氣孔，使壓縮空氣不泄漏，機(jī)床才會(huì)正常工作。

(3)輔助支撐部分。為了避免車削過(guò)程中產(chǎn)生震刀、讓刀和切削變形，在夾具中間部位，設(shè)置了輔助支撐部分，即上盤(pán)、下盤(pán)、鋼珠、橡膠環(huán)組合。當(dāng)機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下，鋼珠向外側(cè)滑動(dòng)，并擠壓橡膠環(huán)9，使橡膠環(huán)9頂住車輪17下緣內(nèi)側(cè)，給車輪提供內(nèi)部支撐。

3 一刀車夾具的工作模式

工作之前，先將底座1用螺栓2聯(lián)結(jié)在數(shù)控車床的主軸101鼻端上，并用鎖緊螺釘4把聯(lián)結(jié)套3和數(shù)控車床的主軸拉桿102聯(lián)結(jié)在一起，這樣就可以正常工作了(圖6)。

工作時(shí)，首先安放待加工車輪工件17。此時(shí)，需要確保工件17法蘭面和端面定位環(huán)15接觸、貼平，如果貼不平，泄氣孔會(huì)漏氣，觸發(fā)機(jī)床報(bào)警；同時(shí)，防轉(zhuǎn)銷12需要插入到任意一個(gè)螺栓孔中。然后，錐形拉桿14在主軸拉桿102的作用下向下運(yùn)行，并將彈性漲套13向外漲開(kāi)，從而撐在工件中心孔部位，起到徑向定位和夾緊的作用。至此，工件的定位、夾緊工作基本完成。

然后啟動(dòng)數(shù)控車床，數(shù)控車床主軸旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)底座1旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的，安放在上盤(pán)10和下盤(pán)7外緣部位的鋼珠8，在離心力的作用下，向外側(cè)滑動(dòng)，并擠壓橡膠環(huán)9，使橡膠環(huán)9頂住車輪17下緣內(nèi)側(cè)，給車輪提供內(nèi)部支撐。

此時(shí)，就可以進(jìn)行車削加工了，X1→X2即為車刀的走刀軌跡。由圖6可以看出，車輪的外輪輞部位再也沒(méi)有夾具干涉了，可以由一把車刀連續(xù)加工而成了，因此，就不會(huì)出現(xiàn)接刀棱了。

4 結(jié)語(yǔ)

按照常規(guī)的加工工藝，接刀棱是不可避免的。這制約了鋁合金車輪品質(zhì)的提高，也或多或少地降低了產(chǎn)品的合格率。本文根據(jù)鋁合金車輪的加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的一刀車專用夾具，具有減震效果良好、裝夾可靠、定位誤差小等優(yōu)點(diǎn)。圖7即為現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)景，現(xiàn)場(chǎng)使用證明，該夾具能徹底消除接刀棱的困惑。