汽車(chē)關(guān)鍵零部件之一——車(chē)橋在車(chē)輛行駛系統(tǒng)中具有重要的作用。汽車(chē)行駛時(shí)，車(chē)橋需要承受來(lái)自驅(qū)動(dòng)輪的各種作用力、反向力、力矩等，汽車(chē)車(chē)橋會(huì)保持左右車(chē)輪位置相對(duì)固定；同時(shí)，車(chē)橋殼還要承擔(dān)車(chē)本身的重量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)每年汽車(chē)車(chē)橋加工量為幾百萬(wàn)根，數(shù)控機(jī)床對(duì)汽車(chē)車(chē)橋的加工工藝在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了比較固定的加工方案，各生產(chǎn)廠(chǎng)家基本上形成了專(zhuān)業(yè)化、系列化、批量化生產(chǎn)的局面。車(chē)橋行業(yè)的應(yīng)用范圍特定，其發(fā)展和汽車(chē)制造及維修行業(yè)息息相關(guān)，汽車(chē)由于單價(jià)較高，屬于較重的固定資產(chǎn)，一般在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)需求量較高。從近幾年各地區(qū)的汽車(chē)市場(chǎng)情況來(lái)看，華東、華南和華北地區(qū)仍是汽車(chē)行業(yè)的主要市場(chǎng)。

從目前國(guó)內(nèi)車(chē)橋企業(yè)發(fā)展來(lái)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(lái)以勞動(dòng)密集型的價(jià)格取勝優(yōu)勢(shì)將逐漸弱化，技術(shù)創(chuàng)新將成為動(dòng)力增長(zhǎng)的源泉，相比目前的加工方式，車(chē)橋自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低人工操作帶來(lái)的差錯(cuò)；（2）減少人工投入，降低勞動(dòng)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(lái)。因此自動(dòng)化加工顯得極其重要。結(jié)合目前的各類(lèi)技術(shù)，車(chē)橋自動(dòng)化加工的發(fā)展趨勢(shì)如下：（1）通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程的智能化控制；（2）機(jī)器人輔助應(yīng)用，解放部分人力勞動(dòng)，提高效率；（3）虛擬仿真技術(shù)，降低真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)；（4）智能制造技術(shù)的應(yīng)用，將產(chǎn)品的全過(guò)程信息進(jìn)行共享，實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同[1]。

對(duì)于一個(gè)企業(yè)而言，企業(yè)需要考慮如何以低成本獲得高效益。對(duì)于產(chǎn)品而言，不僅需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行改善，如專(zhuān)用夾具需與新產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)適應(yīng)配套。下面針對(duì)車(chē)橋?qū)Ｓ脭?shù)控車(chē)床在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中加工掛車(chē)車(chē)橋的案例，將其中的關(guān)鍵點(diǎn)為讀者進(jìn)行介紹[2−3]。

1. 工藝方案及自動(dòng)化要求

1.1 設(shè)備選用

圖1(a)為掛車(chē)車(chē)橋圖片，根據(jù)工藝要求，需要加工車(chē)橋兩端外圓部分，為保證零件精度及加工效率，選用車(chē)橋類(lèi)專(zhuān)用數(shù)控車(chē)床CQ550，見(jiàn)圖1(b)，該數(shù)控車(chē)床為雙刀架數(shù)控車(chē)床，可按用戶(hù)需要配置成單刀架機(jī)床，主要用于汽車(chē)橋殼兩端和大規(guī)格軸類(lèi)零件的粗、精加工。機(jī)床具有以下特點(diǎn)：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(diǎn)。整機(jī)采用封閉式全防護(hù)結(jié)構(gòu)，符合人機(jī)工程學(xué)原理，門(mén)玻璃為耐沖擊防爆玻璃板，機(jī)床宜人性好，便于操作。機(jī)床采用機(jī)、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(chē)床配置左、右雙刀塔，可一次性裝夾，同時(shí)加工車(chē)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(cè)裝置，使用該裝置對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，既可以實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)定位，又可以保證加工尺寸的一致性，加工精度可達(dá)到IT6級(jí)。

CQ550系列車(chē)床為模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶(hù)不同的需要進(jìn)行選配。作為通用型機(jī)床，特別適合汽車(chē)、摩托車(chē)、電子、航天、軍工等行業(yè)對(duì)大規(guī)格軸盤(pán)零件進(jìn)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(shí)進(jìn)行加工，可以提高1倍的加工效率，同時(shí)刀架上配備工件檢測(cè)裝置，無(wú)需人工參與檢測(cè)，避免了檢測(cè)誤差。加工前，工件檢測(cè)裝置先對(duì)車(chē)橋進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量出車(chē)橋的外圓直徑尺寸，數(shù)控車(chē)床根據(jù)加工程序?qū)?chē)橋進(jìn)行加工，加工完成后，檢測(cè)裝置再次對(duì)車(chē)橋進(jìn)行檢測(cè)，并將信息反饋給上級(jí)單元[6]。

1.3 自動(dòng)化要求

使用自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)加工車(chē)橋，要求機(jī)床上的各類(lèi)工裝必須同步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工功能，另外從提高生產(chǎn)效率和降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度方面考慮，工件的整個(gè)定位和裝夾過(guò)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(jī)床設(shè)計(jì)專(zhuān)用托料架，托料架可升降，可左右移動(dòng)。機(jī)械手將工件放在托料架上后自動(dòng)向主軸方向移動(dòng)。將工件送入漲套，然后尾臺(tái)移動(dòng)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(kāi)；然后托料架返回原位，機(jī)械手取走工件，加工完成。

此外，在運(yùn)行過(guò)程中，只需要在機(jī)床上執(zhí)行相應(yīng)的代碼，整個(gè)加工過(guò)程就會(huì)自動(dòng)完成，不需要人為調(diào)整，同時(shí)機(jī)床配備刀具壽命管理系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)電流，即可反映出刀具的破損情況，達(dá)到自動(dòng)監(jiān)測(cè)的目的。提醒加工者及時(shí)更換刀具，避免出現(xiàn)大批量零件報(bào)廢的情況，降低了產(chǎn)品的報(bào)廢率，節(jié)約了成本，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加工。

2. 專(zhuān)用工裝

2.1 浮動(dòng)漲塊式夾具

圖2為加工車(chē)橋的浮動(dòng)漲塊式專(zhuān)用夾具裝配圖。夾具體安裝在機(jī)床主軸上，以主軸短錐形式定位，通過(guò)螺釘緊固在主軸上。過(guò)渡套安裝在夾具體上，可以根據(jù)車(chē)橋內(nèi)孔不同，實(shí)現(xiàn)夾具的快速互換。定位套安裝在過(guò)渡套上，起到軸向定位作用。錐套通過(guò)小軸安裝在導(dǎo)向體上，導(dǎo)向體通過(guò)拉桿連接尾部油缸。漲塊通過(guò)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(jìn)入夾具，大角度錐角可以方便工件裝夾時(shí)的進(jìn)入，避免與工件產(chǎn)生刮碰。

液壓油通過(guò)油缸推動(dòng)拉桿向右移動(dòng)，錐套在拉桿的推動(dòng)下，通過(guò)錐面使?jié)q塊在徑向方向移動(dòng)，直至漲緊工件內(nèi)孔。由于漲套與小軸之間存在間隙，會(huì)避免出現(xiàn)過(guò)定位現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)夾緊，反之，則松開(kāi)工件。

由于工件是掛車(chē)車(chē)橋，工件相對(duì)質(zhì)量小，而且整體質(zhì)量分布比較均勻，不會(huì)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(tái)端使用專(zhuān)用合金頂尖頂緊工件。這樣既能滿(mǎn)足精度要求，同時(shí)也降低了夾具成本。

2.2 受力分析及夾緊力計(jì)算

如圖3所示，為漲塊在推力作用下的受力分析簡(jiǎn)圖，可以按照斜楔式夾緊的原理來(lái)分析其所受的作用力，其中P為對(duì)漲塊所加的推力；Q為對(duì)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(jì)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(duì)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(huì)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(shí)，為了便于夾緊力的計(jì)算，估算夾緊力時(shí)往往將工件和夾具作為一個(gè)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(guò)程中對(duì)夾緊最不利的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，先通過(guò)切削力的計(jì)算軟件，得出切削時(shí)的理論車(chē)削力，再將理論車(chē)削力乘以安全系數(shù)作為實(shí)際車(chē)削力，并將其作為夾緊力校核的依據(jù)，其表達(dá)式為：

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

車(chē)削時(shí)，若要保證工件不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或者移動(dòng)，則要求工件夾緊時(shí)的摩擦力扭矩大于實(shí)際車(chē)削力所產(chǎn)生的扭矩，而阻止工件轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)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(guò)下式計(jì)算：

為了便于計(jì)算，將車(chē)橋等效為外徑?300 mm，長(zhǎng)2100 mm，壁厚12.5 mm的圓柱筒料，則車(chē)橋內(nèi)徑r和外徑R分別為0.1375 m和0.15 m，計(jì)算摩擦力產(chǎn)生的扭矩M1=15.4×0.1375=2.1175 kN·m =2117.5 N·m，實(shí)際切削力產(chǎn)生的扭矩M2=4×0.15=0.6 kN·m=600 N·m。實(shí)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(chē)削時(shí)不會(huì)引起工件的滑移或者轉(zhuǎn)動(dòng)。

車(chē)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(shí)間（t）為1 s，根據(jù)公式：

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

2.4 自動(dòng)托料架

圖4為自動(dòng)托料架三維圖，共分為3層，最下層為基礎(chǔ)板，通過(guò)滑塊與機(jī)床床身的直線(xiàn)導(dǎo)軌連接在一起，可在導(dǎo)軌上自由移動(dòng)。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(guò)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(zhǎng)短，可用專(zhuān)用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，通過(guò)齒輪齒條來(lái)調(diào)整左右支架的距離，使支架移動(dòng)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(jìn)行調(diào)整，適合長(zhǎng)度在此范圍內(nèi)的車(chē)橋進(jìn)行加工。最上層為中心架層，也是通過(guò)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(zhuān)用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，通過(guò)齒輪齒條來(lái)調(diào)整左右中心架支架的距離，使支架移動(dòng)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(guò)長(zhǎng)過(guò)細(xì)工件時(shí)，可以通過(guò)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(guò)液壓控制實(shí)現(xiàn)的，再配合桁架機(jī)械手就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上、下料。托料架上料順序如下：機(jī)械手夾持工件觸碰到專(zhuān)用的壓觸開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，機(jī)械手松開(kāi)，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(dòng)基礎(chǔ)板（實(shí)現(xiàn)Z軸方向的上料），使工件進(jìn)入漲塊式夾具，尾臺(tái)專(zhuān)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(shí)下降，工件開(kāi)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(shí)上升托住工件，夾具松開(kāi)，液壓尾臺(tái)撤回，基礎(chǔ)板下面的Z軸油缸向右推動(dòng)基礎(chǔ)板（實(shí)現(xiàn)Z軸方向的下料），桁架機(jī)械手取走工件。同時(shí)，機(jī)床配置了工件測(cè)量裝置，可對(duì)工件進(jìn)行位置標(biāo)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(shí)例

圖5為車(chē)橋自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中工廠(chǎng)的專(zhuān)用車(chē)橋數(shù)控車(chē)床的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片。在工件換產(chǎn)時(shí)，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(shí)只需更換墊塊，實(shí)現(xiàn)快速換產(chǎn)。

綜上所述，從最初的工藝方案制定、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)方案確定，到最后應(yīng)用，車(chē)橋自動(dòng)線(xiàn)項(xiàng)目取得成功，所設(shè)計(jì)的專(zhuān)用浮動(dòng)夾具以及自動(dòng)托料架均采用液壓控制，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全可靠。滿(mǎn)足自動(dòng)化需求。同時(shí)在加工節(jié)拍，加工精度等方面也都達(dá)到要求，值得在汽車(chē)車(chē)橋類(lèi)零件加工中推廣應(yīng)用，同時(shí)也為以后的車(chē)橋自動(dòng)化加工設(shè)計(jì)，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

4. 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)汽車(chē)零部件行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展和自動(dòng)化生產(chǎn)需求的日趨強(qiáng)烈，使得車(chē)橋自動(dòng)化加工的研究迫在眉睫。通過(guò)分析車(chē)橋的加工工藝以及自動(dòng)化要求，選取了專(zhuān)用的加工設(shè)備，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用夾具及自動(dòng)托料架，并將其應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中驗(yàn)證了方案的可行性，以及專(zhuān)用夾具的可靠性，對(duì)于車(chē)橋的自動(dòng)化加工意義重大，主要研究結(jié)論如下：

（1） 針對(duì)工件特點(diǎn)，選用了雙刀架數(shù)控車(chē)床，可同時(shí)進(jìn)行加工，加工效率提高一倍。

（2） 制定有針對(duì)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(cè)設(shè)備，保證了自動(dòng)化加工的可靠性。

（3） 根據(jù)車(chē)橋加工的定位、裝夾特點(diǎn)，采用了浮動(dòng)漲塊式專(zhuān)用夾具，運(yùn)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(duì)車(chē)橋工件進(jìn)行了受力分析及夾緊力計(jì)算、校核等，保證理論上的可靠性。最終通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明此種裝夾方式能達(dá)到定量分析的效果。

（4） 根據(jù)自動(dòng)化要求，在原有托料架的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，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(lái)源——金屬世界