切削力作用下汽車(chē)輪轂柔性加工夾具設(shè)計(jì)與分析

石磊

摘要：傳統(tǒng)的裝夾尺寸固定單一，限制了規(guī)模化的汽車(chē)輪轂柔性生產(chǎn)。從經(jīng)濟(jì)角度和適用性考慮，設(shè)計(jì)了一種汽車(chē)輪轂柔性加工夾具，以旋轉(zhuǎn)直線(xiàn)組合式液壓缸作為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)夾爪對(duì)不同型號(hào)輪轂的自動(dòng)定心和夾緊。首先，建立夾具結(jié)構(gòu)的物理模型，分析夾具的夾緊行程;其次，分析切削力作用下對(duì)夾具與被加工輪轂間的夾緊力性能進(jìn)行分析;最后，以A365鋁合金汽車(chē)輪轂的實(shí)際加工驗(yàn)證夾具設(shè)計(jì)的性能。

關(guān)鍵詞：切削力作用;汽車(chē)輪轂; 柔性加工; 夾具; 夾緊力; 夾緊行程

1 ?夾具結(jié)構(gòu)及工作原理

基于切削力作用下的汽車(chē)輪轂柔性加工夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

結(jié)構(gòu)說(shuō)明：夾具的三角平臺(tái)與三角拉盤(pán)垂直相對(duì)，中間通過(guò)與定位爪相連的拉臂支撐，使用T形槽綁定拉臂，拉臂的中間有可以延伸的導(dǎo)向通槽;定位爪位于U形墊塊上方，其下方與輪轂的凸緣相配;使用夾具時(shí)，拉桿牽引滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使定位爪可以沿著T形槽導(dǎo)軌向中心孔靠攏;兩個(gè)主動(dòng)架分別在活塞桿兩頭，三根拉桿連接著三個(gè)拉臂，拉桿的兩端分別接連拉臂和主動(dòng)架。當(dāng)液壓缸活塞桿旋轉(zhuǎn)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，牽動(dòng)主動(dòng)架，主動(dòng)架帶動(dòng)拉桿完成輪轂裝夾。提供動(dòng)力源的液壓缸結(jié)合了雙螺旋擺動(dòng)與往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)液壓缸的應(yīng)用原理，整體結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)鍵部件材料耐磨性高，可以提高控制精度。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

汽車(chē)輪轂柔性加工夾具的工作原理為：

①夾具裝夾輪轂時(shí)，首先通過(guò)液壓缸活塞桿帶動(dòng)主動(dòng)架旋轉(zhuǎn)，拉桿帶著定位爪和拉臂按T形槽導(dǎo)軌向三角平臺(tái)的中心橫向平移，按照輪轂大小收縮調(diào)整完成自動(dòng)定位;定位夾緊后，液壓缸活塞桿帶動(dòng)三角拉盤(pán)垂直運(yùn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)拉臂夾緊輪轂，完成裝夾操作。

②夾具松開(kāi)輪轂時(shí)，首先通過(guò)液壓缸活塞桿的垂直運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)三角拉盤(pán)隨之運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)對(duì)輪轂的固定;其次，液壓缸活塞桿帶動(dòng)主動(dòng)架朝相反的方向旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)定位爪和拉臂按T形槽導(dǎo)軌遠(yuǎn)離中心，直至完成松夾操作。

2 ?夾具定位精度分析

2.1 精度要求

輪轂的定位的精度直接關(guān)系著其生產(chǎn)質(zhì)量高低，定位精度又分為軸向定位和徑向定位兩種：徑向定位精度確定要求輪緣邊距到中心距離一樣，正面輪緣寬窄控制在3.0～4.5mm范圍內(nèi);對(duì)于軸向定位精度要求外側(cè)動(dòng)平衡≤35g。

2.2 精度實(shí)現(xiàn)

夾具俯視結(jié)構(gòu)如圖3所示，定位裝置主要由定位爪、拉桿、U形墊塊和主動(dòng)架構(gòu)成，主要利用其中的定位爪和U形墊塊保證精度。夾具在工作時(shí)，通過(guò)定位爪向架中心靠攏完成輪轂的徑向定位;然后通過(guò)耐熱耐磨的特殊材料制成的U形墊塊來(lái)實(shí)現(xiàn)輪轂的精準(zhǔn)的軸向定位。

3 ?夾具行程計(jì)算與分析

不同于傳統(tǒng)夾具，輪轂柔性加工夾具可以適用于不同規(guī)格的輪轂，可以自動(dòng)調(diào)整直徑大小，不需要人工干預(yù)，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率。以18～24英寸的汽車(chē)輪轂進(jìn)行研究。

夾具夾緊行程的S計(jì)算如式1所示。

式中：R1和R2代表輪轂半徑，mm;W代表夾緊余量，mm。

夾具夾緊行程的可行性驗(yàn)證：由主動(dòng)架、連桿和T形槽導(dǎo)軌組成一個(gè)簡(jiǎn)化的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。夾具在通過(guò)夾緊行程S后，主動(dòng)架會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，記為θ。

根據(jù)正弦公式可以得到式2：

式2中：a：主動(dòng)架一端到中心的長(zhǎng)度，mm;b：拉桿長(zhǎng)度，mm;L：拉臂到主動(dòng)架轉(zhuǎn)動(dòng)中心長(zhǎng)度，mm。

由余弦公式可以得到式3：

其中：L=R1/2=228.6mm，取a=150mm，b=204.8mm，把L、a和b代入式3中可得θ=61.4°<90°，因此可以判定基于此條件下的行程S的夾具在理論上滿(mǎn)足規(guī)格型號(hào)18～24英寸輪轂的可靠裝夾。

4 ?確定夾緊力

在實(shí)際的輪轂的生產(chǎn)過(guò)程中，不但要求輪轂被夾緊，而且不能產(chǎn)生變形和受壓表面遭到破壞，一定要在合理的控制的范圍內(nèi)。因此夾緊力大小一定要適中，夾緊力過(guò)小，會(huì)在夾具中發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，影響輪轂的定位精度，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢和安全事故的發(fā)生;夾緊力過(guò)大，則容易導(dǎo)致加工輪轂的形變，嚴(yán)重時(shí)甚至損傷輪轂表面，嚴(yán)重影響了輪轂質(zhì)量。需要指出的是，汽車(chē)輪轂在切削加工過(guò)程中容易受多種因素干擾，包括離心力、慣性力和刀具切削力等;要使輪轂在這些因素干擾下仍能保證精確定位和機(jī)械穩(wěn)定性，對(duì)夾緊力的范圍確定十分必要，包括最小夾緊力確定和最大夾緊力的確定。

4.1 最小夾緊力的確定

在能夠保證輪轂不會(huì)在切削力作用下產(chǎn)生移動(dòng)的前提下所產(chǎn)生的夾緊力，即指最小夾緊力。最小夾緊力的確定原則為，最小夾緊力在輪轂凸緣表面所產(chǎn)生的摩擦力矩必須大于刀具帶給輪轂的切削力矩。

4.2 最大夾緊力的確定

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，工件被夾具夾緊固定后，在其受壓表面未發(fā)生塑性變形或損傷的最大力稱(chēng)為最大夾緊力。

汽車(chē)輪轂材料選用A365鋁合金，其平均屈服極σs=216.65MPa。輪轂表面不發(fā)生破壞的臨界條件為：夾具與輪轂接觸表面間的最大應(yīng)力值σmax？燮σs，即：

根據(jù)最大夾緊力的定義，通過(guò)式（4）可以計(jì)算出單個(gè)拉臂允許施加在輪轂凸緣表面夾緊力的最大值。

夾具選用超高強(qiáng)度鋼42CrMo材料，其屈服極限σs=930MPa，泊松比μ=0.33，彈性模量E=196GPa。

①建立有限元模型。利用ANSYS18.0軟件，對(duì)本夾具的夾緊元件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

②給定邊界條件。給定五種不同加工工況，每個(gè)工況條件下單個(gè)拉臂所對(duì)應(yīng)的夾緊力如表1所示。其中工況1是使汽車(chē)輪轂表面不發(fā)生破壞時(shí)的最大夾緊力。拉臂有軸承座一側(cè)和與夾具三角拉盤(pán)相連接部分保持固定。

③應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析。在不同的工況條件下，對(duì)應(yīng)不同夾緊力Fm的夾緊元件，所受到的最大應(yīng)力值σmax如表2所示。

5 ?結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于切削力作用下的汽車(chē)輪轂柔性加工夾具，緊湊的設(shè)計(jì)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，定位可靠，并以旋轉(zhuǎn)直線(xiàn)組合式液壓缸作為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)夾爪對(duì)不同型號(hào)輪轂的自動(dòng)定心和夾緊。最后通過(guò)輪轂加工過(guò)程中的最小夾緊力、最大夾緊力、夾具行程的計(jì)算和夾緊元件應(yīng)力分析，得出該汽車(chē)輪轂柔性加工夾具在實(shí)際加工過(guò)程中各種工況下的可行性和實(shí)用性。

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