整体式汽车转向节夹具结构设计

第8期2013年8月组合机床与自动化加工技术MODULARMACHINETOOLAUTOMATICMANUFACTURINGTECHNIQUENO8AUG2013文章编号10012265201308012703整体式汽车转向节夹具结构设计桑瑶烁一，汪韶杰，李旗号合肥工业大学A机械与汽车工程学院；B汽车技术研究院，合肥230009摘要基于汽车转向节结构复杂、加工精度要求高、定位困难、生产批量大等特点，对整体式汽车转向节加工工艺问题进行了研究针对加工过程中某一工序设计了一套翻转式铣面钻孔夹具，并运用三维图形软件PROE对所设计夹具结构进行建模和虚拟装配检验夹具空间布置和零件尺寸干涉性问题并修改同时对夹具的夹紧力和定位误差进行分析计算以确保该夹具可以满足汽车转向节大批量、高效、高精度的加工要求，提高了该转向节的生产效率和加工精度。关键词转向节；翻转式；虚拟装配；定位误差分析中图分类号TH16；TG65文献标识码ATHESTRUCTURALDESIGNOFINTEGRALSTEERINGKNUCKLEFIXTURESANGYAOSHUO，WANGSHAOJIE，LIQIHAOASCHOOLOFMACHINERYANDAUTOMOBILEENGINEERING；BAUTOMOBLETECHNICALINSTITUTE，HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，HEFEI230009，CHINAABSTRACTBASEDONTHECARSSTEERINGKNUCKLEFEATURESSUCHASCOMPLICATEDSTRUCTURE，HIGHREQUIREMENTSOFPROCESSINGACCURACY，DIFFICULTTOLOCATE，LARGENUMBEROFSTEERINGKNUCKLENEEDTOPRODUCTANDSOON，THEARTICLERESEARCHONTHEPROCESSINGCRAFTOFSTEERINGKNUCKLEACCORDINGTOONEOFTHEPROCESSINGSTEPTODESIGNASETOFFIXTUREFORMILLINGSURFACEANDDRILLINGANDUSINGTHREEDIMENSIONALGRAPHICSSOFTWAREPROETOMODELINGANDVIRTUALASSEMBLYUSINGPROETOMODELINGANDVIRTUALASSEMBLYCANOBSERVESPATIALARRANGEMENTANDEXAMINETHEPARTSSIZEHAVEINTERFERENCEORNOTATTHESAMETIMECALCULATINGTHECLAMPINGFORCEANDANALYZEPOSITIONERRORTOENSURETHEFIXTURECANMEETLARGENUMBER，HIGHEFFICIENCY，HIGHPRECISIONREQUIREMENTSANDENHANCETHEPRODUCTIONEFFICIENCYANDMACHININGPRECISIONKEYWORDSSTEERINGKNUCKLE；TURNOVER；VIRTUALASSEMBLY；POSITIONERRORANALYZE0引言转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，它的主要作用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮转向，其可以使汽车灵敏的传递行驶方向。由于转向节在汽车的行驶状态下要受到多变的冲击载荷，所以要求其具有很高的强度。转向节按节体和轮轴的组合方式，分为整体式和分体式两种，整体式主要用于商用车货车，分体式则主要用于乘用车轿车。由于转向节的结构复杂，属于空间异性件，如图1所示，其结构比较复杂，加工精度要求较高，且加工时无法直接精确定位，所以需要设计专用的夹具实现在加工过程中的准确定位和夹紧。本文主要针对如图1所示的整体式转向节，提出合理的加工方案，并设计铣面钻孔的夹具。1转向节加工工艺分析本课题是为如图1所示转向节第二个工序所设计的夹具，在第一道工序加工完转向节轴相关尺寸以及螺纹孔M8和123的通孔所在平面后的工序，这一工序所需加工尺寸如图2所示，主要加工尺寸有2个M8的螺纹孑L，有效螺纹深度为13MM，位置度要求为4,02；2图整体式转向节个4,123的通孔，位置度要求为4,02；2个4,12的通孔，在基准E下位置度要求为4,01，AB联合基准下的位置度要求为西02，表面粗糙度要求为RA63；铣4,12通孔所在的平面，表面粗糙度要求为RA63。2转孔铣面夹具的设计21定位基准与夹紧方案的确定由于在进行此工序加工之前已经完成转向节轴收稿日期20121206作者简介桑瑶烁1987一，男，安徽六安人，合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生，主要研究方向为机械制造计算机综合自动化EMAILSYS19871114163COM。128组合机床与自动化加工技术第8期相关尺寸以及螺纹孔M8和4,1234通孑L所在平面尺寸的加工，所以选用尺寸为349O，的轴段外圆面和螺纹孔M8和4,123通孔所在平面做为精定位基准，限制工件的4个自由度，同时利用转向节长弯臂做为粗定位基准，限制工件其余的2个自由度。该工序的夹具根据夹紧方案的不同，有两种不同的结构。2012_001655图2转向节加工尺寸要求1采用整体式结构，通过一个铰链连接的压板进行夹紧。这种结构的优点是结构简单，成本低，且装夹工件迅速，可以有效地提高生产效率。但由于需要将转向节从夹具的底部插入，使得夹具底部要留下足够的空间，导致整个夹具的高度过高，不利于在加工中心上使用；2采用翻转式结构，通过螺旋杠杆夹紧装置进行夹紧。这种结构比较复杂，设计较为困难，投入成本较高。但所设计夹具整体高度比较适中，且装夹工件也比较方便迅捷，可以有效地提高生产效率。经过综合分析，考虑到翻转式结构的尺寸更为合理，且可以很好地保证加工精度和生产效率的前提下，决定采用第二种设计方案。22夹具结构的设计设计的铣面打孔夹具结构如图3所示，夹具主要由底板1、翻转平板2、夹紧臂5、螺杆14、定位销L2、压杆16等组成。底板L和翻转平板2通过转轴8连接，衬套3内圆表面与转向节434900013的轴段外圆面配合做为定位基准，将转向节装入衬套3内，通过夹紧臂5上的螺钉进行粗定位，并用由螺杆衬套L3、螺杆14、六角螺母15、压杆16、螺栓17和垫片18组成的螺旋杠杆夹紧装置夹紧转向节。在确认转向节完全固定后，将转向节和翻转平板2以2个转轴的轴心连线为转轴中心旋转180。，并用定位销12定位，同时通过活节螺栓9和六角螺母10将翻转平板2固定，整个装夹过程完成。61718L920国CC1底板2翻转平板3衬套4、7内六角螺钉5夹紧臂6定位臂8转轴9活节螺栓1O、15、21六角螺母11定位销衬套12定位销13螺杆衬套L4螺杆16压杆17螺栓18垫片L9开口销2O销轴22内六角夹紧螺钉图3铣面钻孔夹具装配圈23夹具结构的三维建模利用PROE对夹具的零件图进行三维建模，并且利用PROE中的虚拟装配功能对夹具进行虚拟装配，虚拟装配图如图4所示。通过三维建模可以直观的观察所设计的夹具，使设计者可以更有效的了解空间情况，进行空间布局，同时节省了对于零件的绘制时间，在实体修改时，装配件可以随实体位置变化而变化，而且不通过实际生产调试就可在设计过程中检测出零件之间是否存在干涉等问题。基于三维造型生产成本低、设计周期短的特点，所以在现今对设计后的夹具结构进行三维建模已经逐步成为了主流。3夹具夹紧力与误差分析计算31夹具夹紧力的计算夹紧的目的，是保证工件在夹具中的定位，不至于因加工时所受到切削力、重力或伴生力离心力、2013年8月桑瑶烁，等整体式汽车转向节夹具结构设计129惯性力、热应力等的作用而产生移动或振动。夹紧装置时夹具完成夹紧作用的一个重要而不可缺少的组成部分，夹紧装置设计的优劣，对于提高夹紧的精度和工作效率、减轻劳动强度都有很大的影响。A翻转前B翻转后图4铣面钻孔夹具的虚拟装配由于转向节体积较小。重量较轻，所以在计算夹紧力可以不考虑转向节的重力，且在铣销时所需夹紧力较小，所以主要考虑钻销时的夹紧力。在钻销时工件受力情况如图5所示。图5用压板夹紧工件受力图1钻销所需夹紧力为WKMA式中，所需夹紧力N；一安全系数；一切削转矩NMM；一夹紧元件、定位元件各自与工件接触表面的摩擦系数。由上式可知当N值与夹紧力成反比，所以为了获得钻销时所需最大夹紧力应该取最小的N值，即050MM，同时经过查机械手册取K35，M2011NM，025，016，带入上式得MA丢S4SSN2在夹具的结构设计中，采用螺旋杠杆夹紧装置，其受力情况如图5所示，夹紧力按下式计算式中，一杠杆机构的杠杆比；L2叩一机构的传递效率，此处取叼09；9一螺母压力。初选螺杆的直径是M16，代人数值可得3200_9_576N由1、2可知，WW，所设计的压紧结构满足所需夹紧力的要求，该结构合理，可以应用于实际生产中。32定位误差分析在夹具的结构设计中，定位误差的计算是必不可少的一个环节，通常在夹具的设计当中，都会利用定位误差的数值来判断所设计的结构是否合理。在加工过程中，产生误差的因素有很多，例如定位误差、夹具误差、安装误差、对刀误差、加工方法误差等，这些误差之和不能超过工件的误差要求。在一般情况下，为了保证加工精度，一般规定定位误差不超过工件加工公差的1513，即D1513T式中，一定位误差，MM；卜工件的加工误差，MM。工件在夹具中定位时，产生定位误差的主要原因是基准不重合，而基准不重合又分为两个方面一是由于定位副的制造误差或定位副配合间隙所导致的定位基准在加工尺寸方向上最大位置变动量，称为基准位移误差，用表示；二是由于定位基准和工序基准不重合而产生的误差，称为基准不重合误差，用表示。定位误差。是基准位移误差和基准不重合误差的总和，即。1根据所设计的夹具结构可知，工序基准和定位基准均为尺寸为349U_。的轴段的中心线，所以基准不重合误差0；2如图7所示，由转向节6349U_。的尺寸和图3中衬套3的内孔尺寸6349。可知O0145Y一一一一U。式中，一基准位移误差，MM；D一孑L的最大直径，MM；DOMI一轴的最小直径，MM；6一孔的最大直径公差，MM；6一轴的最小直径公差，MM。图6螺旋杠杆夹紧机构受力分析图7基准位移误差综上所述，由1、2可知，。0O1450O36由于定位误差小于加工误差的15，所以该夹具的精确度可以保证零件的加工精度要求，可以实现该转向节大批量、高效、高精度的生产。4结语通过对夹具结构及定位误差的分析，可以看出该夹具适用于转向节这种批量大、结构复杂的空间异型件的加工，在加工过程中，可以减轻操作者的劳动强度，并能提高生产效率及加工精度，对类似复杂零件的加工具有一定的指导性。下转第132页132组合机床与自动化加工技术第8期的价格，则进行再制造是没有必要的。22零件拆解在对废旧机床进行拆解前，应掌握各个零件的结构特点以及连接件的关系，保证零件的质量。拆解前，要做好准备工作，制定拆解方案。在拆解阶段，将零件进行分类，并制定合理的拆解工艺。拆解下来的零件，避免随意堆放，以免零件生锈影响再制造性。23零件清洗对于能够进行再制造的零件，在进行再制造前应进行清洗。机床经过长期使用后，零件表面会有大量油污及锈痕，如果不进行正确的清洗，很难判断零件的磨损情况以及其他缺陷。可以采用机械、物理、化学的方法去除零件表面的污垢，为零件再制造做好准备。24废旧机床再制造机床不同部件或零件采用不同的修复手段。机床床身、立柱、工作台在经过长期的使用后，保持了较高的形状精度，因此进行简单的机械加工后即可重新使用。箱体机床长期使用后，可能存在漏油或密封不当等问题，因此也可采用机械加工法进行恢复。机床床面长期使用表面会有细小缺陷，采用微脉冲电阻焊技术进行修复。微脉冲电阻焊技术能够对零件的局部损伤进行修复。常用的微脉冲电阻焊设备为GM一3450A，其主要技术参数为电源为220V，频率为50HZ；单个脉冲的最大输出能量为125250J，一次的最大储能为125J；脉冲间隔为250300MS。机床导轨普通机床导轨属于铸造零件，旧的机床导轨对出现划伤现象。对于划伤的导轨，先将表层的划伤痕迹磨削后，再采用微脉冲电阻焊技术进行修复，为提高机床导轨的耐磨性及防腐性，可用电刷镀技术在其表面镀上金属水溶液。采用电刷镀技术的工艺流程为镀前准备一电净一一次活化一二次活化一镀后处理。机床主轴主轴是长期使用后会出现磨损与变形的情况，影响主轴的旋转精度以及直线度。因此在对主轴进行再制造时主要校正其直线度与旋转精度，对于轴承座孔的磨损情况，采用电刷镀技术进行修复。主轴属于精密件，在进行再制造时要注意主轴的圆角半径以及其表面粗糙度，否则会影响主轴的性能与寿命。3质量检测在对机床各个部分再制造修复后，要对再制造机床进行验收。首先，机床的各项安全性能必须达到国家标准，保证人身安全以及财产安全，这是机床再制造后必须遵循的原则；其次，机床的各项性能及精度满足客户的需求，可能某些精度达不到新品的标准，只要不影响客户的使用即可；再次，再制造机床寿命是客户关注的一个方面，在对机床各个零件进行再制造修复时，要严格遵循工艺流程，只有这样，才能保证再制造机床的寿命。4结论机床再制造是充分利用资源环境的机床制造新模式。提出废旧机床再制造闭环流程，对机床再制造过程有借鉴作用；设计废旧机床再制造性评估方法判断废旧机床是否值得再制造，并阐述废旧机床再制造过程；针对废旧机床不同零件提出了合理的再制造修复工艺及方法。参考文献1张小芬，何庆废旧机床的绿色冉制造及表面工程技术J绿色制造技术，20091033352曹华军废旧机床再制造关键技术及产业化应用J中国设备工程，2010793胡耀岭机床再制造产业发展国际比较及启示J再生资源与循环经济，2012，5241444朱胜，姚巨坤再制造设计理论及应用M北京机械T业出版社，20095史家迎机床再制造技术研