变速器换档轴钻孔通用可调夹具设计与应用

zhang407212520

汽车变速器中的换档轴类产品品种多，精度要求高，在变速器换档轴加工过程中，通过对夹具部分元件的简便安装、调整，可以以较强的通用性达到专用夹具的高效率、高精度并具有组合夹具的灵活多变性。
, z, [! W, j+ B) n6 b, c: j# s& n换档轴孔加工一般采用普通钻床、组合机床、加工中心等设备。其中，组合机床生产效率高，适合大批量生产，但设备一次性投资大、加工调整时间长，不适宜多品种、中小批量的生产方式，并具有很大的设备投资风险，目前应用较少；加工中心机床调整方便、工序相对集中，但夹具设计及制造要求高，且设备投资大，大批量生产相对成本高，小批量生产夹具调整繁琐，目前应用不太广泛；普通钻床设备投资小，生产效率高，对操作者的操作技能要求低，结合不同的夹具使用，适合不同类型企业的大批量、中小批量的生产，因此在行业中应用较广。我厂自20世纪60年代一直沿用普通钻床钻孔方式。
目前，适于批量法的变速器杂件类专用夹具经过几十年的探索效果显著，在日趋激烈的新产品竞争中，中小批量轮番生产和新产品试制，依然沿用传统方法已经不太适宜。其中换档轴钻夹具存在的主要问题如下：
1.专用钻夹具
（1）夹具等待时间长（设计、制造周期一般需3～4个月）；
（2）夹具需求数量多，使用成本高（每工序均设计、制造一套夹具）；
( B& ~2 D) J% }* r（3）夹具制造成本高（每套3000元以上）；
0 {; d5 L/ M) c- z8 n（4）随着产品寿命周期愈来愈短，夹具淘汰率高，浪费大；
0 f4 t7 v4 X. z, j$ s（5）夹具占用大量库存，不便管理。
2.组合钻夹具
( q9 {4 x; r. B5 \# z' Y% C& x2 g（1）夹具租赁频繁、租用周期长，费用高（我厂轴类钻夹具年租赁费最高约3～5万元）；
: K( Z, I) X" B+ _0 R3 h（2）夹具刚性不足，加工精度不稳定，产品废品率高；
2 Z3 |  X# S) t7 B9 S（3）夹具元件多，组装精度低，生产中常需专业人员反复调整，浪费大量时间；
（4）成套夹具采购成本高。
典型换档轴类钻孔夹具
1. 换档轴类钻孔夹具典型结构
典型组合夹具见图1，传统专用夹具见图2。

图1  典型组合夹具示意图（槽定位）

+ ?& f' U6 f' `3 a- J+ z. x; v) A图2  传统专用夹具示意图（孔定位）
) o$ q7 Z9 v5 m5 d( F& w2.换档轴类产品主要特征尺寸及典型工艺路线
! t0 y5 H# ]' S* ]/ \- U（1）典型换档轴钻孔工序图见图3，其中孔、槽的数量、位置和角度不定。

图3  典型换档轴钻孔工序
& c6 I! Y  @- E& V" C, `2 G7 Y（2）典型产品工艺路线
' t9 v/ n" d7 U; z# B1 C工艺路线为：下料粗加工→粗精磨外圆→铣多槽→铣单槽→钻直孔→钻斜孔→孔口倒角→热处理及校直→粗、精磨外圆→涂油入库；工件材料为：冷拉圆钢，表面硬度小于HB285，心部硬度大于HB179。
) ~' m; F! Y* m+ f（3）产品特征尺寸及精度归类分组（见下表）
工件特征尺寸及精度一览表

' b- a8 ]9 Y. X4 T. d+ `3.夹具共性问题
( [1 Z% I  F! ^/ P9 y+ Q$ \7 i0 N& [" V我厂轻型变速箱换档轴类产品常年生产的有几十种，每年新产品试制近20种，其产品的结构要素、工艺要素、工件特征尺寸要素相似，且新产品具有良好的相似性和继承性。其钻夹具具有以下共性：
  x. R* A% b3 n, G（1）工件加工部位相似，孔径、粗糙度相似，可以全部采用立式钻床钻孔，通过选用不同的快换钻套（厂标）及钻头，保证孔加工精度；
（2）工件基准结构相似，全部为孔、槽或轴端面定位，可以采用V型块及定位轴或角度板、挡板定位；
. i' R+ r3 a8 o# L" A（3）工件加紧部位相似，可以采用压板上压紧；
" A- o2 K( o; Y  H6 y( y2 ?（4）工件工艺要素相似，可以采用定位、夹紧类似的元件；
; I' F/ z' c5 x& a（5）工件特征尺寸工艺要素相似，可以采用类似的夹具结构。
4.通用可调夹具方案提出
3 i8 w9 k' E  T2 S" a# Y通用可调夹具由通用基体和可调换元件组成，对同族类产品加工具有良好的继承性，当更换相似被加工零件时，仅需对个别元件进行调整或更换，便可投入生产使用，具有投产快、适用广的特点，是为相似零件加工而服务的现代机床夹具。
针对上述工件特征参数及共性问题，根据通用可调夹具工件相似原则和尺寸段归类划分，一套通用可调夹具就可实现我厂换档轴系列产品的孔加工。
换档轴钻孔通用可调夹具设计方案
& _! Q2 ?" ~7 d8 g0 J1.设计原则
$ C1 v& \# `+ `: Y, Z" ~- `（1）夹具具有满足工艺要求的刚性、精度和寿命；
（2）夹具结构紧凑、简明，适用厂内同族类产品，并具拓展空间；
（3）夹具定位元件与同期设计的铣槽通用可调夹具可相互借用；角度板定位面特征尺寸类同组合夹具，能满足必要时的元件租赁代用，整体设计符合低制造成本要求；
（4）夹具导向元件借用厂标，具有较强互换性，定位元件设计融入标准化元素；
（5）夹具安装、调整、测量便利，可替代组合夹具，适用于大中小批量产品的生产。
2.夹具结构总图
夹具结构总图见图4、P向定位机构见图5、定位机构2见图6。
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  V9 c0 b% E0 A; a/ E) ^* ~2 W图4  夹具结构总图

图5  P向定位机构
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6 ~2 t4 c& f; |) l/ t0 V' `: }图6  定位机构2
2 k9 Z0 L) f' u3.夹具主要组成部分
（1）夹具通用基体部分：本体1件、钻模板1件、衬套3件以及其它标准元件。
4 v! |( V' |0 o* U8 D* o& {* V（2）夹具可调换部分：V形块及挡板各2件、立柱支撑1件、钻套7件、垫块1件、偏心合件及压板1件、调整垫1件、直板式定向板1件、弯板式定向板1件、定位轴9件、定位销10件、角度板5件、定位块1件、定向键6件和定位键3件等。其他钻套、定向键、定位键等元件按厂标或国标选用。
* H! u( j% G# ^% D3 ~) d4.通用基体、关键可调换元件结构设计
（1） 通用基体
% y* o" ?% E' L钻模板通过定位销与本体紧固联结，配钻铰钻模板三孔并安装衬套，保证孔对V形块中心对程度d 0.02 mm。
钻模板三孔用于拓展不同产品的钻孔位置和夹紧空间。该方式保证了夹具关键元件具有类似专用夹具的刚性、精度和使用寿命。
; N' o; N9 i. `+ e0 p6 B（2）复合式调整元件（V形块、挡板、定位块）
6 i4 \# Y) y: [+ Q% b$ q6 A/ n5 g两种不同规格的V形块（适于轴径d16.3以下及d22以上）通过定位键与本体T型槽、通过凹形槽与定位块滑配联结，并与挡板紧定联结组成复合式调整元件。该组合方式定位误差相对较小，且在实际加工过程中，工件夹紧力、切削力部分可相互抵消，能够减少元件间受力后位移误差。
0 _' [& |" |' g7 M安装调整时移动V形块，保证凹形槽中心到钻模板距离，或调整挡板定位螺钉，保证轴端面到钻模板距离。
（3）角度板
" Z1 _# \" P9 y2 N3 u安装方式：根据工件定位角度要求，选择角度板及定向板，通过定向键与定位块及定向板连接。
工作原理：通过定向键使定向板在角度板上滑动或固定，保证工件定位槽或孔的角度要求。实现定位角度。
8 `# U3 w( g1 d! m（4）直板式定向板
! C# L2 \9 a+ s  b8 ~1 E# k安装方式：根据工件槽或孔的定位要求，选择定位轴或定位柱,通过定向键与定位块或角度板连接。
- p. G( F  h3 I/ P/ V& T; C工作原理：通过定向板在定位块或角度板上固定或滑动,定位工件槽或孔。槽定位时选择定位柱，满足7种定位要求；孔定位时选择定位轴，满足3种定位要求。
9 V3 b) X; ~* o# e* r5. 11种夹具定位方式
, |: C+ k4 g( w" f: H' Y. j跟据工件不同的工艺定位要求，通过变换夹具角度板及定位块并移动V形块及压板位置达到理想的夹具模式，夹具定位机构可实现11种定位方式。
（1）工件轴向端面定位（见图7）
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图7  工件轴向端面定位
. M! x# I0 r. w' t) d6 H+ K移动V形块及微调挡板螺钉，保证轴端面到钻模板孔中心距离。该定位方式适用于钻首个无夹角孔。
（2）工件槽向水平定位（见图8）
9 V% E. @" T" j- O& ?) q0 s
+ Q6 X+ v( u0 Z, Z# @, L& {图8  工件槽向水平定位
/ S  D$ @  ?4 y& ]2 r移动V形块保证工件槽（或孔）到钻模板孔中心距离后，推动定位块使定位销与工件槽（或孔）紧密接触，实现钻孔相应角度。含工件槽上定位、下定位、角度定位及孔定位4种定位方式。
9 j; R0 T  G  i（3）工件槽向垂直定位（见图9）

4 B" h$ R' |- C3 m5 A5 ~' F图9  工件槽向垂直定位
方法同上，含工件槽右侧定位、左侧定位、角度定位、垂直孔定位及角度孔定位6种定位方式。
6.夹具安装与调整流程
( D- S& d0 J/ b" x2 `/ e! B/ B夹具安装与调整流程见图10。
! G5 s! B8 R- K1 A; b! P6 i/ G3 U# g
/ `3 \! j+ ~9 L# d! }图10  夹具安装与调整流程
夹具精度分析
/ I2 ~, S, K: k& h1.以205D变速器一二档拨叉轴钻2-φ5＋0.08孔为例，工序指导图见图11。
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9 G, Y+ U5 a$ }% }7 [图11  工序指导图
, X$ w6 ?/ a* x3 R3 j' h& Z2.夹具误差分析
  R) u( x; j7 y) _. G7 p- L以下以钻孔2为例，分析孔距、垂直度、对称度、夹角误差。
/ P7 H3 _: _6 n（1）夹具制造误差（制造）
钻套中心对V形块中心的制造偏差为φ0.02mm，V形块的理论轴线与本体定位基准面平行度0.02mm；10°角度板角度制造误差为±2′。即：钻套中心在工件轴的径向方向：制造=0.01mm；钻套中心在工件轴的垂直方向； 制造=16.3×0.02÷271=0.0012mm（轴截面）；钻套中心对工件轴的轴槽夹角 ：制造=2′。
" A4 u% E9 ]0 u* K' O# A3 |( V（2）夹具安装误差（安装）
7 @: u! H3 t, w6 o3 T夹具安装时，校准销由钻床夹套引入夹具钻套对正工件，校准销中心与钻套中心的最大偏移量为夹具的安装误差，校准销直径制造偏差为φ4.995～4.988mm，钻套选用厂标，内孔制造偏差为φ5.01～5.027mm ；复合式调整元件轴向安装误差0.02 mm；10°角度板安装综合误差约±2′，即：钻套中心在工件轴的径向方向： 安装=0.0195mm；钻套中心在工件轴的轴向方向 ：安装=0.02mm；钻套中心对工件轴的轴槽夹角：安装=2′。
（3）工件定位误差（定位）
, n4 X; N1 q8 d( T( {0 ?; K5 L% [/ gV形块定位基准与工序基准重合；工件直线度造成的定位误差极小；定位销与工件槽无间隙定位，因此定位误差为零，即：定位=0。
' D* z6 O" s5 ?. s* o（4）导向误差（导向）
钻套与钻头间隙形成的误差，钻头d5选用GB1436-85标准如图12所示，直径制造偏差为φ4.982 mm~φ5.0mm，钻套与钻头最大间隙0.045mm，即：钻头中心在工件轴的径向方向： 导向=0.045×(15+5+16.6÷2)÷(15×2)=0.0422mm；钻头中心在工件轴的垂直方向：导向=16.3×0.045/15=0.049mm（轴截面内）；钻头中心在工件轴的轴槽夹角：导向=tg-1 (0.045/15)=10.3′（轴截面内）。
2 N3 r6 i0 }, [. W/ U- t& J7 c
, K; _+ m+ r/ e# P3 w图12  导向误差图示
" v: a! Z$ _) `- Q0 x- Q（5）加工误差加工
5 C' _" C; \! U, R: I. B8 M被加工孔本身尺寸精度为孔径偏差，其轴线位置精度受夹具有关精度影响，加工=0。
由上分析得总偏差：孔对程度误差  （制造+定位+导向+加工）×2=（0.01+0.0422）×2=0.1044mm；孔垂直度误差：制造+定位+导向+加工=0.0012+0.049=0.0502 mm ；孔距误差：制造+定位+导向+加工+安装=0.02+0.0422=0.0622 mm；孔角度误差：制造+定位+导向+加工=2′+10.3′=12.3′。
上述分析中夹具上的中心距偏差取双向制。总偏差计算中导向误差低于夹具安装误差，取导向误差，故工件极限尺寸为：孔距162±0.062mm、对称度0.104mm、垂直度φ0.05mm、孔对轴槽夹角80°±12.3′。上述由夹具造成的误差基本在工件允许公差范围内，对称度虽略有超差，但经生产使用证明，出现的可能性极小，完全能满足工艺精度要求。
9 v. @0 A, l3 C. D1 r1 h/ f通用可调夹具的技术经济效果。
  t# [0 K$ U; ]- k3 u' R( `结束语
% M1 \& y" ~$ M" y( W) J通用可调夹具作为现代机床夹具之一，兴起于20世纪末，目前，通用可调夹具在汽车零部件制造行业的应用愈来愈得到重视和推广应用。
* |7 Y! n( |$ ~- L1 A/ s汽车变速器箱体类、杂件类零件形状各异，某一个零件往往需要配备几十套专用的夹具、检验夹具。在当前激烈的市场竞争环境中，制造企业面对多品种、中小批量生产中出现的大量工装设计、制造等待、快速淘汰等被动局面时，通用可调夹具就体现出了较好的市场应对能力。
实践证明，我们设计的该套夹具与同期设计的铣槽通用可调夹具一并投入使用后，大大提高了车间现场的应变能力，改善了生产现场的混乱状态，深受操作者和车间管理者的欢迎，实现了专用夹具柔性化、通用化的设计目标，是一种值得广泛推广应用的夹具设计方案。
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