汽車關(guān)鍵零部件之一——車橋在車輛行駛系統(tǒng)中具有重要的作用。汽車行駛時，車橋需要承受來自驅(qū)動輪的各種作用力、反向力、力矩等，汽車車橋會保持左右車輪位置相對固定；同時，車橋殼還要承擔車本身的重量。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)每年汽車車橋加工量為幾百萬根，數(shù)控機床對汽車車橋的加工工藝在國內(nèi)已經(jīng)有了比較固定的加工方案，各生產(chǎn)廠家基本上形成了專業(yè)化、系列化、批量化生產(chǎn)的局面。車橋行業(yè)的應(yīng)用范圍特定，其發(fā)展和汽車制造及維修行業(yè)息息相關(guān)，汽車由于單價較高，屬于較重的固定資產(chǎn)，一般在經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)需求量較高。從近幾年各地區(qū)的汽車市場情況來看，華東、華南和華北地區(qū)仍是汽車行業(yè)的主要市場。

從目前國內(nèi)車橋企業(yè)發(fā)展來看，技術(shù)創(chuàng)新一直是企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的重要發(fā)展方向，未來以勞動密集型的價格取勝優(yōu)勢將逐漸弱化，技術(shù)創(chuàng)新將成為動力增長的源泉，相比目前的加工方式，車橋自動化生產(chǎn)線具有以下優(yōu)勢：（1）提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低人工操作帶來的差錯；（2）減少人工投入，降低勞動成本；（3）改善生產(chǎn)環(huán)境，將工人從有害環(huán)境中解放出來。因此自動化加工顯得極其重要。結(jié)合目前的各類技術(shù)，車橋自動化加工的發(fā)展趨勢如下：（1）通過人工智能技術(shù)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)過程的智能化控制；（2）機器人輔助應(yīng)用，解放部分人力勞動，提高效率；（3）虛擬仿真技術(shù)，降低真實生產(chǎn)環(huán)境的風險；（4）智能制造技術(shù)的應(yīng)用，將產(chǎn)品的全過程信息進行共享，實現(xiàn)高效協(xié)同[1]。

對于一個企業(yè)而言，企業(yè)需要考慮如何以低成本獲得高效益。對于產(chǎn)品而言，不僅需要結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝方面必要的變革，而且在工藝裝備方面也需要將不利因素進行改善，如專用夾具需與新產(chǎn)品的生產(chǎn)特點適應(yīng)配套。下面針對車橋?qū)Ｓ脭?shù)控車床在自動化生產(chǎn)線中加工掛車車橋的案例，將其中的關(guān)鍵點為讀者進行介紹[2−3]。

1.   工藝方案及自動化要求

1.1   設(shè)備選用

圖1(a)為掛車車橋圖片，根據(jù)工藝要求，需要加工車橋兩端外圓部分，為保證零件精度及加工效率，選用車橋類專用數(shù)控車床CQ550，見圖1(b)，該數(shù)控車床為雙刀架數(shù)控車床，可按用戶需要配置成單刀架機床，主要用于汽車橋殼兩端和大規(guī)格軸類零件的粗、精加工。機床具有以下特點：回轉(zhuǎn)直徑大、高剛性、高精度、高效率及精度保持性好等特點。整機采用封閉式全防護結(jié)構(gòu)，符合人機工程學(xué)原理，門玻璃為耐沖擊防爆玻璃板，機床宜人性好，便于操作。機床采用機、電、液一體化結(jié)構(gòu)，整體布局緊湊合理，便于保養(yǎng)和維修。

數(shù)控車床配置左、右雙刀塔，可一次性裝夾，同時加工車橋兩端，既可以保證加工精度，也可以提高效率。另外左、右刀塔上均安裝工件檢測裝置，使用該裝置對工件進行檢測，既可以實現(xiàn)工件自動定位，又可以保證加工尺寸的一致性，加工精度可達到IT6級。

CQ550系列車床為模塊化設(shè)計，可根據(jù)用戶不同的需要進行選配。作為通用型機床，特別適合汽車、摩托車、電子、航天、軍工等行業(yè)對大規(guī)格軸盤零件進行高效、大批量、高精度的加工[4−5]。

1.2   加工工藝方案

采用雙刀架同時進行加工，可以提高1倍的加工效率，同時刀架上配備工件檢測裝置，無需人工參與檢測，避免了檢測誤差。加工前，工件檢測裝置先對車橋進行檢測，測量出車橋的外圓直徑尺寸，數(shù)控車床根據(jù)加工程序?qū)嚇蜻M行加工，加工完成后，檢測裝置再次對車橋進行檢測，并將信息反饋給上級單元[6]。

1.3   自動化要求

使用自動化生產(chǎn)線加工車橋，要求機床上的各類工裝必須同步實現(xiàn)自動化加工功能，另外從提高生產(chǎn)效率和降低操作者的勞動強度方面考慮，工件的整個定位和裝夾過程全部由液壓系統(tǒng)完成。具體的操作流程如下：工件采用兩邊漲緊形式；機床設(shè)計專用托料架，托料架可升降，可左右移動。機械手將工件放在托料架上后自動向主軸方向移動。將工件送入漲套，然后尾臺移動將工件頂緊，夾具漲緊工件。加工完成后托料架抬升，接住工件，漲套松開；然后托料架返回原位，機械手取走工件，加工完成。

此外，在運行過程中，只需要在機床上執(zhí)行相應(yīng)的代碼，整個加工過程就會自動完成，不需要人為調(diào)整，同時機床配備刀具壽命管理系統(tǒng)，通過實時監(jiān)控電機電流，即可反映出刀具的破損情況，達到自動監(jiān)測的目的。提醒加工者及時更換刀具，避免出現(xiàn)大批量零件報廢的情況，降低了產(chǎn)品的報廢率，節(jié)約了成本，進一步實現(xiàn)了自動化加工。

2.   專用工裝

2.1   浮動漲塊式夾具

圖2為加工車橋的浮動漲塊式專用夾具裝配圖。夾具體安裝在機床主軸上，以主軸短錐形式定位，通過螺釘緊固在主軸上。過渡套安裝在夾具體上，可以根據(jù)車橋內(nèi)孔不同，實現(xiàn)夾具的快速互換。定位套安裝在過渡套上，起到軸向定位作用。錐套通過小軸安裝在導(dǎo)向體上，導(dǎo)向體通過拉桿連接尾部油缸。漲塊通過錐面與錐套配合，外側(cè)的環(huán)槽內(nèi)用彈簧鋼絲將其緊固，保證漲塊與漲套始終貼合。端蓋可以防止鐵屑等進入夾具，大角度錐角可以方便工件裝夾時的進入，避免與工件產(chǎn)生刮碰。

液壓油通過油缸推動拉桿向右移動，錐套在拉桿的推動下，通過錐面使?jié)q塊在徑向方向移動，直至漲緊工件內(nèi)孔。由于漲套與小軸之間存在間隙，會避免出現(xiàn)過定位現(xiàn)象，實現(xiàn)浮動夾緊，反之，則松開工件。

由于工件是掛車車橋，工件相對質(zhì)量小，而且整體質(zhì)量分布比較均勻，不會產(chǎn)生較大的離心力，因此采用主軸端漲塊式結(jié)構(gòu)夾具，尾臺端使用專用合金頂尖頂緊工件。這樣既能滿足精度要求，同時也降低了夾具成本。

2.2   受力分析及夾緊力計算

如圖3所示，為漲塊在推力作用下的受力分析簡圖，可以按照斜楔式夾緊的原理來分析其所受的作用力，其中P為對漲塊所加的推力；Q為對工件產(chǎn)生的理論夾緊力；f為錐套與漲塊之間的摩擦力；N為錐套的反作用力。夾緊力計算公式如下：

式中，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;">?</span>}$為錐套圓錐角的一半；${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;">1</span>}}$為漲塊與錐套之間的摩擦角[7−8]。

按要求對漲塊施加P為30 kN的推力，漲塊夾具的錐套圓錐角為20°（不會產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象），因而θ=10°；假設(shè)漲塊與錐套之間的摩擦系數(shù)${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;">1</span>}}$=0.2，根據(jù)摩擦力公式：

2.3   夾緊力校核

夾緊力校核時，為了便于夾緊力的計算，估算夾緊力時往往將工件和夾具作為一個整體的剛性系統(tǒng)。根據(jù)工件所受不同的切削力及夾緊力的作用情況，以加工過程中對夾緊最不利的狀態(tài)進行計算，先通過切削力的計算軟件，得出切削時的理論車削力，再將理論車削力乘以安全系數(shù)作為實際車削力，并將其作為夾緊力校核的依據(jù)，其表達式為：

式中，Q2為實際車削力，Q1為理論車削力，K為安全系數(shù)，通常粗加工時的數(shù)值取2.5~3，精加工時的數(shù)值取1.5~2[9]，本次取2。由于車削力的計算比較復(fù)雜，本文根據(jù)實際的切削參數(shù)，通過切削力的計算軟件，得出理論車削力Q1=2 kN，則實際車削力為Q2=2 kN×2=4 kN。

車削時，若要保證工件不會發(fā)生轉(zhuǎn)動或者移動，則要求工件夾緊時的摩擦力扭矩大于實際車削力所產(chǎn)生的扭矩，而阻止工件轉(zhuǎn)動和移動的力為漲塊夾緊力所產(chǎn)生的摩擦力${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;">1</span>}}$，通過下式計算：

為了便于計算，將車橋等效為外徑?300 mm，長2100 mm，壁厚12.5 mm的圓柱筒料，則車橋內(nèi)徑r和外徑R分別為0.1375 m和0.15 m，計算摩擦力產(chǎn)生的扭矩M1=15.4×0.1375=2.1175 kN·m =2117.5 N·m，實際切削力產(chǎn)生的扭矩M2=4×0.15=0.6 kN·m=600 N·m。實際切削力產(chǎn)生的扭矩小于摩擦力產(chǎn)生的扭矩，因此，夾具的夾緊力是安全的，車削時不會引起工件的滑移或者轉(zhuǎn)動。

車橋工件質(zhì)量（m）180 kg，主軸轉(zhuǎn)速（n）從0加速到300 r/min，所需要的時間（t）為1 s，根據(jù)公式：

式中，J為轉(zhuǎn)動慣量，計算出轉(zhuǎn)動慣量J≈0.32 kg·m2=0.32 N·m·s2，根據(jù)角速度（ω）計算公式ω=2πn和角加速度（α）計算公式α=ω/t計算出角加速度α=31.4 r/s2，則計算出離心力扭矩M3=Jα=0.32×31.4=10.05 N·m。夾緊時摩擦力產(chǎn)生的扭矩M1=2117.5 N·m，可見此扭矩遠大于轉(zhuǎn)動時的離心力的扭矩，因此在此轉(zhuǎn)數(shù)下旋轉(zhuǎn)，工件不會產(chǎn)生滑移。

2.4   自動托料架

圖4為自動托料架三維圖，共分為3層，最下層為基礎(chǔ)板，通過滑塊與機床床身的直線導(dǎo)軌連接在一起，可在導(dǎo)軌上自由移動。中間層為支架層，分別安裝有左右支架，左右油缸等。左右支架均為可調(diào)整支架，通過燕尾槽形式與基礎(chǔ)板連接在一起，用T型螺栓固定在基礎(chǔ)板上。根據(jù)零件的長短，可用專用手柄轉(zhuǎn)動調(diào)整機構(gòu)，通過齒輪齒條來調(diào)整左右支架的距離，使支架移動至適合的位置，之后鎖緊T型螺栓。支架可在1900~2500 mm的范圍內(nèi)進行調(diào)整，適合長度在此范圍內(nèi)的車橋進行加工。最上層為中心架層，也是通過燕尾槽形式與支架層連接在一起，用T型螺栓固定在支架板上，可用專用手柄轉(zhuǎn)動調(diào)整機構(gòu)，通過齒輪齒條來調(diào)整左右中心架支架的距離，使支架移動至適合的位置，之后鎖緊T型螺栓。支架層及中心架層均為模塊式結(jié)構(gòu)，可隨意更換，在加工過長過細工件時，可以通過燕尾安裝中心架等附件輔助支撐，方便快捷。

托料架的上、下料均是通過液壓控制實現(xiàn)的，再配合桁架機械手就可以實現(xiàn)自動上、下料。托料架上料順序如下：機械手夾持工件觸碰到專用的壓觸開關(guān)，開關(guān)發(fā)出信號，機械手松開，將工件放在托料架的V型塊上，基礎(chǔ)板下面的Z軸油缸向左推動基礎(chǔ)板（實現(xiàn)Z軸方向的上料），使工件進入漲塊式夾具，尾臺專用頂尖左移頂緊工件，到位后，夾具漲緊工件內(nèi)孔。然后左右支架上的油缸同時下降，工件開始加工。托料架下料順序如下：工件加工完成后，左右支架上的油缸同時上升托住工件，夾具松開，液壓尾臺撤回，基礎(chǔ)板下面的Z軸油缸向右推動基礎(chǔ)板（實現(xiàn)Z軸方向的下料），桁架機械手取走工件。同時，機床配置了工件測量裝置，可對工件進行位置標定，以避免與其它部件發(fā)生碰撞現(xiàn)象，保證加工安全可靠。

3.   應(yīng)用實例

圖5為車橋自動化生產(chǎn)線中工廠的專用車橋數(shù)控車床的現(xiàn)場應(yīng)用照片。在工件換產(chǎn)時，可根據(jù)工件的不同規(guī)格，將托料架上的墊塊制作成不同的厚度，換產(chǎn)時只需更換墊塊，實現(xiàn)快速換產(chǎn)。

綜上所述，從最初的工藝方案制定、設(shè)計結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計方案確定，到最后應(yīng)用，車橋自動線項目取得成功，所設(shè)計的專用浮動夾具以及自動托料架均采用液壓控制，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全可靠。滿足自動化需求。同時在加工節(jié)拍，加工精度等方面也都達到要求，值得在汽車車橋類零件加工中推廣應(yīng)用，同時也為以后的車橋自動化加工設(shè)計，積累了寶貴的經(jīng)驗。

4.   結(jié)束語

中國汽車零部件行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展和自動化生產(chǎn)需求的日趨強烈，使得車橋自動化加工的研究迫在眉睫。通過分析車橋的加工工藝以及自動化要求，選取了專用的加工設(shè)備，設(shè)計了專用夾具及自動托料架，并將其應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線中，在現(xiàn)實生產(chǎn)中驗證了方案的可行性，以及專用夾具的可靠性，對于車橋的自動化加工意義重大，主要研究結(jié)論如下：

（1） 針對工件特點，選用了雙刀架數(shù)控車床，可同時進行加工，加工效率提高一倍。

（2） 制定有針對性工藝方案、合理高效的加工節(jié)拍，并配備適合的刀具以及檢測設(shè)備，保證了自動化加工的可靠性。

（3） 根據(jù)車橋加工的定位、裝夾特點，采用了浮動漲塊式專用夾具，運用多種力學(xué)公式構(gòu)建了的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模型對車橋工件進行了受力分析及夾緊力計算、校核等，保證理論上的可靠性。最終通過現(xiàn)場進行驗證，結(jié)果表明此種裝夾方式能達到定量分析的效果。

（4） 根據(jù)自動化要求，在原有托料架的基礎(chǔ)上進行了改進，提出了在托料架上增加中心架的方法，建立了三維模型，生產(chǎn)集成式托料架。

文章來源——金屬世界