轉向器搖臂軸插齒加工專用夾具設計

陳 創，陳 誠，余寶玉

（湖北汽車工業學院 機械工程學院，湖北 十堰 442002）

搖臂軸是液壓助力循環球式動力轉向器的核心零件，前后長短軸承受較大載荷并要求可靠密封[1]，位于中間部位的扇形齒，由于精度要求高，銑齒后必須進行插齒加工[2]。采用手動定位夾緊，不僅效率低下，夾具設計困難，而且難以保證零件加工精度。設計合理的工藝和專用夾具，采用液壓缸作為動力源和自動定心夾緊機構[3]，可以保證插齒工序質量和生產效率，提高機械加工自動 化水平。

1 搖臂軸插齒加工工藝分析

1.1 工藝要求

如圖1所示，搖臂軸主要由前后長短軸和扇形齒組成，長軸端還加工有花鍵，用于與轉向系統的垂臂連接。

圖1 動力轉向器搖臂軸

圖1 所示的扇形齒的齒頂圓為一錐面，沿軸向任一截面得到的扇形齒截形都不相同，因此，每個截面的變位系數也不同。插齒加工時插齒刀主運動方向與工件外圓軸線呈一定夾角。

轉向器搖臂軸材料為20CrMnTiH3，以某型號搖臂軸為例，其扇形齒零變位截面處技術要求如圖2所示。

圖2 搖臂軸零變位截面扇形齒技術要求

在圖2所示截面上，齒頂圓半徑R56.22單一零件變動量不大于0.025。

1.2 工藝分析

搖臂軸毛坯為鍛件，屬于典型的軸類零件，對于兩段外圓的加工主要采用車削和磨削，長軸端花鍵采用滾銑的加工方法；對于扇形齒的加工，由于并沒有將齒形直接模鍛成型，為了提高生產效率并保證加工精度，先用成型銑刀粗銑齒扇，再在插齒機上進行插齒加工。在加工順序安排上遵循基面先行原則，先銑兩端面打中心孔，兩中心孔作為后續工序的定位基準，用兩頂尖組合定位，增加工件裝夾后的剛性。再粗車扇形齒側面和頂面、短軸外圓及長軸外圓，半精車短軸外圓、鉆鏜短軸端面孔并車螺紋，半精車長軸外圓及齒扇，粗銑齒扇，半精插齒和精插齒，滾銑漸開線花鍵；熱處理后研磨中心孔，最后在外圓磨床上精磨長軸和短軸外圓。

扇形齒與長、短軸外圓有位置要求，插齒時為了保證加工余量均勻，必須限制工件圓周方向自由度，因此，選擇合理的定位基準是插齒加工必須解決的問題。

2 定位方案設計

定位是對工件進行機械加工前，使工件在機床或夾具上占據正確位置的過程，定位基準的選擇是否合理非常重要[4]。通過分析搖臂軸結構，發現利用模鍛成型的齒扇兩側面能夠可靠地實現角向定位，齒扇臺階面及長軸外圓也可作為定位基準。因此，決定選用長軸外圓限制四個自由度，齒扇臺階面和側面各限制一個自由度，總共限制六個自由度，實現完全定位。選用長軸外圓限制四個自由度的目的是遵循基準重合原則，保證外圓與齒扇的位置度要求。具體定位方案如圖3所示。

如圖3所示，齒扇零變位0-0截面距離臺階面5 mm，選用此臺階面為軸向定位基準，也遵循了基準重合原則，因此，不存在定位誤差。銑齒與插齒兩道工序都選用齒扇側面作為定位基準限制角向自由度，遵循了基準統一原則，可獲得較高的定位精度。

圖3 搖臂軸插齒工序定位方案簡圖

3 專用夾具設計

為適應不同型號搖臂軸的加工要求，應將插齒加工專用夾具部分元件系列化設計，通過更換少數幾個元件即可實現成組加工，以滿足產品品種變化和低成本高質量的要求。

3.1 彈簧夾頭設計

根據數控插齒機機床工作臺結構和定位方案綜合考慮，采用彈簧夾頭式定心夾緊機構，依靠定心夾緊元件本身作均勻的彈性變形，從而實現定心夾緊。設計如圖4所示的彈簧夾頭，當彈簧夾頭相對于錐套移動時，簧瓣向心收縮，從而將搖臂軸長軸外圓定心夾緊[5]。與標準彈簧夾頭不同的是，圖4所示的彈簧夾頭是通過液壓缸將其拉緊，因此，其尾部設計有與活塞桿相連接的結構，采用一個銷子從徑向穿過彈簧夾頭尾部外圓，從而將彈簧夾頭和活塞桿連接在一起并傳遞拉力。

圖4 彈簧夾頭

不同型號搖臂軸外圓直徑不同，更換不同內徑的彈簧夾頭即可，某型號搖臂軸插齒工序所適用的彈簧夾頭如圖5所示，圖中D1尺寸為φ51.1 mm。

圖5 彈簧夾頭零件圖

3.2 錐套設計

與彈簧夾頭配合使用的重要零件為錐套，其內錐面精加工后還應與彈簧夾頭外錐面最后進行配磨，保證兩者的配合精度。

為了保證錐套內孔與彈簧夾頭配合精度，15°錐孔需要用涂色法進行檢查，接觸面積應大于80%，且錐孔與基準A的同軸度為0.01。

3.3 夾緊機構設計

銑齒后的插齒加工分為半精插齒和精插齒兩次走刀完成。半精插齒采用的切削用量為切削速度Vc=204 m/min，進給量f=0.33 mm/沖程，背吃刀量ap=2.5 mm；精插齒采用的切削用量為切削速度Vc=245 m/min，進給量f=0.28 mm/沖程，背吃刀量ap=0.85 mm。顯然半精插齒時產生的切削力更大，因此，只需計算和校核半精插齒時的夾緊力即可。

查表后計算可得插齒時單位切削力kc= 1962 N/mm2，切削層公稱橫截面接AD=apf= 0.825 mm2，則考慮在不同切削條件下的修正系數后計算可得主切削力Fc=2153 N，進給力Ff=861 N。

插齒加工產生的主切削力為軸向力，進給力為切向力，均與夾緊力的計算有關。背向力為指向圓心的徑向力，由于彈簧夾頭定心夾緊機構的結構特點而無需計算和校核。

圖6 錐套零件圖

以某型號搖臂軸為例，齒輪模數m=8.5，整圓齒數z=11，齒頂高ha=6.8 mm，因此，齒頂圓半徑ra=55.25 mm，由進給力產生圓周方向的扭矩Me=Ffra=47.57 N·m。在粗銑齒扇和插齒之前，搖臂軸長軸外圓作為定位基面已經加工至直徑為φ55 mm。由機床夾具設計手冊可知，使用彈簧夾頭夾緊時，有軸向定位的情況下，為防止工件在切削轉矩和軸向切削力的作用下打滑而轉動所需徑向夾緊力計算公式為

式中，K為安全儲備系數，取1.8；f為彈性夾頭與工件的摩擦系數，取0.15；r為工件被夾緊外圓半徑，27.5 mm；計算可得F=20757 N。

計算彈性夾頭每瓣在軸套上面的彈性力Rc為474 N，則夾緊工件所需軸向力Q按如下公式計算：

式中，ρ1為彈簧夾頭與錐套間摩擦角，取11.5°；ρ2為彈簧夾頭與工件間摩擦角，取8.5°；α為彈簧夾頭的半錐角，為7.5°。帶入相關參數計算可得Q=10412 N。

由此可知，液壓缸拉緊彈簧夾頭時，應提供相應的軸向拉力約為10.41 kN。由機械設計手冊[7]可知，若取油缸效率為0.8，則選取額定壓力為 3.5 MPa，缸徑為80 mm的拉桿式液壓缸最大推力為17.94 kN，可滿足使用要求。

3.4 夾具工作原理

夾具由夾具體、錐套、彈簧夾頭、定位端蓋、定位板和定位銷組成。如圖7所示，夾具體承裝各部件，通過螺釘與機床工作臺相連。錐套外圓與夾具體內孔通過間隙配合實現定位，用螺釘固定為一體。彈簧夾頭外錐面與錐套內錐面相配合，其下端通過銷與工作臺里面的液壓缸活塞連接桿相連。定位端蓋封住錐套和彈簧夾頭上端，實現軸向限位。定位板上表面加工有U型槽和兩個對稱分布的銷孔后安裝兩個定位銷，底部加工有鍵槽，而定位端蓋加工有與鍵槽相配合的凸鍵。插齒加工時，將待加工的搖臂軸長軸端朝下裝入夾具，操作者手持定位板通過U型槽穿過搖臂軸短軸端；再將定位板鍵槽從左往右（如圖7所示方向）滑進定位端蓋的凸鍵，直至兩個定位銷同時與搖臂軸齒扇兩側面可靠接觸；在利用液壓缸拉緊彈簧夾頭夾緊工件后，手動撤去定位板，避免插齒刀與之發生干涉。用定位板上的兩個定位銷同時與齒扇兩側面接觸，其實質是確定齒扇對稱平面，保證插齒時加工余量均勻。

圖7 搖臂軸插齒夾具

傳統彈簧夾頭定心夾緊機構一般采用螺母在錐套上旋轉，迫使彈簧夾頭相對于錐套產生軸向移動，效率偏低，自動化程度低[6]，因此，本設計采用液壓缸作為動力源，將活塞桿與彈簧夾頭通過一個連接桿相連。液壓缸沒有工作時，彈簧夾頭呈放松狀態，其端面應與錐套端面平齊；當液壓缸向下運動拉緊彈簧夾頭時，彈簧夾頭外錐面相對于錐套內錐面向下運動的同時簧瓣收縮將工件定心并夾緊。

在彈簧夾頭底部外圓上開有止動槽，夾具體相應位置設有止動螺紋孔，用一止動螺釘從夾具體擰入后進入彈簧夾頭止動槽，準確限制彈簧夾頭向下運動時的極限行程，避免產生過大的夾緊力。

4 結論

轉向器搖臂軸插齒專用夾具定位方案合理，選用的彈簧夾頭定心夾緊機構結構簡單、體積小、操作方便迅速，定心精度高。采用液壓缸作為動力源實現夾具的定心夾緊，簡化了夾具設計，保證了工件能夠可靠地定心夾緊，提高了機械加工的自動化水平。