某变速箱壳体液压夹具设计与分析.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０６２ 收稿日期 ２０１４－０９－０４ 作者简介 郭宙 （１９８５）， 男， 硕士研究生， 工程师， 目前从事乘用车动力总成工艺装备设计工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｇｕｏｚｈｏｕ＠ ｂａｉｃｍｏｔｏｒ􀆱 ｃｏｍ。 某变速箱壳体液压夹具设计与分析 郭宙 （北京汽车动力总成有限公司技术中心， 北京 １０１１０８） 摘要 针对某变速箱壳体加工要求， 设计一种新型加工中心液压夹具。 为了达到壳体加工精度要求， 为夹具设计了增 压及可调压功能、 气密性检测及辅助支撑功能； 为了避免在交换夹具过程中由于漏油而导致工件从夹具脱落情况的发生， 为夹具设计了安全保压系统。 同时对该夹具在制造完成后调试过程中所发现的问题进行了分析和解决， 最终该夹具达到了 设计要求及产品生产精度要求。 关键词 加工中心； 变速箱壳体； 液压夹具 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－１９０－２ 近年来， 在汽车制造行业中， 随着产能需求的急 剧增加， 零件加工效率需要相应提高， 传统普通夹具 已不能满足生产要求， 需要用自动化高效液压夹具来 代替。 高效液压夹具在实际工作中可减少整个工件的 加工周期和辅助时间， 从而进一步提高企业的生产 率， 也减轻所有工人的整体劳动强度。 高效液压夹具 主要体现在夹具动作高速化、 自动化及采用液压系统 控制等， 并保证安全冗余性。 为了保证变速箱壳体 （含变速器壳体及离合器 壳体） 按期达到量产能力， 某司决定将现有 ３ 台 ＨＥＬＬＥＲ 单主轴双工位卧式加工中心利用起来， 决定 设计并制造 ６ 套加工中心液压夹具来实现壳体的自制 生产。 该变速箱为一款五速手动变速箱， 其壳体包括 变速器壳体、 离合器壳体及差速器壳体， 其中差速器 壳体委外制造， 离合器壳体及变速器壳体采用自制方 式。 关于该壳体采用何种夹具形式， 则通常由加工中 心精度情况、 产品特征、 工艺过程及产能等因素决 定。 为了满足前期试生产时人工上下料的要求， 同时 在后期量产时亦能够实现机器人上下料， 采用了人工 上下料及机器人上下料便利性转换装置； 为方便人工 上下料， 设计了导向柱， 在人工熟练掌握上下料后可 将其拆卸； 为了达到壳体生产要求精度， 对夹具设计 了增压及可调压功能、 气密性防错检测及辅助支撑功 能； 为了避免在夹具交换过程中由于漏油而导致壳体 从夹具脱落情况的发生， 对夹具设计了双重保压功 能； 为了消除壳体毛坯定位销孔一致性欠佳造成的影 响， 采用了圆销及菱销定位方式， 并使其具备可调整 功能； 此外， 该夹具采用一面两销定位、 三点夹紧方 式， 并采用辅助支撑以消除壳体受力不均导致加工精 度降低的影响。 １ 壳体夹具液压系统设计原理 整体来讲， 该司变速箱壳体加工中心夹具液压系 统的设计综合考虑了机床供油供气方式及相关参数、 加工工艺要求、 安全性要求等内容。 １􀆱 １ ＨＥＬＬＥＲ 加工中心相关数据 ＨＥＬＬＥＲ 加工中心为单主轴双工位卧式加工中 心， 产于２００１ 年， 采用 ＳＩＭＥＮＳ ８４０Ｄ 数控操作系统， 主轴最高转速为 １６ ０００ ｒ／ ｍｉｎ， 刀库最大容量为 ８１。 该加工中心有效加工范围如下 Ｘ 轴为－３１５ ～ ３１５ ｍｍ， Ｙ 轴为 １００～ ７３０ ｍｍ， Ｚ 轴为 １００～ ７３０ ｍｍ， 因 此夹具设计必须考虑工件位置在该范围之内。 此外， ＨＥＬＬＥＲ 加工中心集中供油泵出口压力为 ６ ＭＰａ， 机 床压缩空气进口压力为 ０􀆱 ６ ＭＰａ， 液压夹具与机床连 接方式为快换接头连接， 位于工作台回转中心， 并采 用机床推荐使用的快换接头。 该快换接头有 ５ 个接 口， 其中 ３ 个油路孔、 ２ 个气路孔。 在该变速箱壳体 加工中心液压夹具油路设计中将会用到全部 ３ 条油路 孔及其中一条气路孔 Ｄ， 这 ３ 条油路孔分别为夹紧供 油孔 Ａ、 松开供油孔 Ｂ、 控制油路孔 Ｃ。 １􀆱 ２ 工艺功能要求及设计实现及液压件选用 该变速箱壳体属于铝合金铸件， 且加工余量较 小， 既要保证能被夹具夹紧保证精度要求， 又要避免 由于夹紧力过大引起变形， 因此决定采用中低压夹 具， 夹紧力范围在 ６～ １８ ＭＰａ， 且能根据需求调整。 由于机床出口压力为 ６ ＭＰａ， 因此必须借用油压增压 器来达到所需压力要求， 目前选用增压倍数为 ３ 倍的 增压缸即可满足要求。 此外， 要实现工件夹紧压力可 调， 必须在油路中接入可调减压阀来满足压力可调要 求。 工件在夹紧过程中， 有一系列的动作顺序， 工件 首先被夹紧油缸夹紧后， 再由辅助支撑缸辅助支撑工 件， 力求达到壳体在加工时能均匀受力， 因此必须用 到顺序阀来实现各个动作的连续性。 另外， 在夹具夹 紧工件之后， 必须要告知机床控制系统上料已准备完 毕， 因此存在 １ 个夹具夹紧告知信号， 此时需要用到 上文中提到的控制油路孔 Ｃ 孔。 如何才能得到该控 制信号呢 答案就是让机床来检测到其控制油路中存 在油压， 即夹具夹紧工件后， 其夹紧油路 Ａ 口持续 供油， 在不影响工件夹紧的前提下， 多余的液压油需 要通过控制口 Ｃ 孔返回。 要实现该要求， 需要组合 使用顺序阀及液控换向阀， 具体见图 １。 图 １ 变速箱壳体加工中心夹具液压原理图 通过 Ｃ 孔返回的油路与夹紧油路 Ａ 之间存在 １ 个单向阀， 在单向阀与快换接头 Ｃ 孔油路之间装有 １ 个压力开关， 当压力到设定值时， 开关开始动作， 并 将开关信号传递至机床控制系统， 告知机床夹具已准 备完毕， 具体见图 ２， 其中 Ａ、 Ｂ、 Ｃ、 Ｄ 油路对应图 ２ 中锁紧油路 Ａ、 松开油路 Ｂ、 控制油路 Ｃ、 气密检 测口 Ｄ； ６ ＭＰａ 为机床液压系统油压值， ０􀆱 ６ ＭＰａ 为 工厂压缩空气气压值。 图 ２ 机床工作台内部部分油路简图 １􀆱 ３ 安全性要求及相关液压件选用 该变速箱壳体单件质量在 ５ ｋｇ 左右， 在交换工 位过程中， 交换工位时间较短， 如果由于夹具漏油而 造成夹具卸荷， 将直接导致壳体从夹具上脱离， 存在 安全隐患。 因此， 为了避免发生生产安全事故， 必须 在油路中添加液控单向阀， 在达到一定压力时能够实 现保压。 虽然油压增压器具备液控单向阀功能， 但仅 有此是不足够的， 因为油压增压器如果发生漏油， 同 样将造成严重后果。 鉴于此， 必须在油压增压器之后 和可调减压阀之前装配一个液控单向阀， 通过两个液 控单向阀来实现夹具双重保压， 为安全生产提供双保 险。 在选用液控单向阀时， 务必要注意液控单向阀开 启压力要低于机床所供油压， 否则会发生夹具无法回 油、 卡爪无法松开的情况。 ２ 该变速箱壳体液压系统故障及分析 ２􀆱 １ 夹具装入机床后无任何动作 在首次将夹具装入机床后， 执行相关动作时， 夹 具无任何动作。 在测试点接头处接入油压表之后， 执 行相关动作时， 油压表无压力数据显示， 初步判断机 床未对夹具供油， 机床与夹具连接装置即快换接头未 打开。 将夹具吊离机床后， 经过重新测量， 发现快换 接头啮合面距离机床夹具安装参考面尺寸短 １ ｍｍ。 在添加 １ ｍｍ 垫片后， 再次将夹具装入机床后夹具开 始有各种动作， 该问题得到解决。 ２􀆱 ２ 夹具有动作， 但夹具底板处漏油 在上一问题解决后， 夹具动作基本恢复， 但几小 时过后， 某套夹具底板处开始大量渗出液压油， 在采 取紧急措施后， 开始排查问题。 分析确定， 底板处漏 油并非夹具油管漏油所致， 而是底板处快换接头漏油 导致的。 将该夹具吊离机床， 经过仔细观察发现其快 换接头上一个单向阀受外力撞击已变形， 此处漏油严 重， 经判定是在运输过程中被撞击所致。 在更换全新 单向阀后， 问题得到解决。 （下转第 １９４ 页） １９１第 ２２ 期郭宙 某变速箱壳体液压夹具设计与分析 围内的黏滞油， 如果结合面漏油， 可以适当提高油 的黏度。 本次作者选用了 ３２ 号机油进行试验。 ３􀆱 ２ 注油退卸过程 （１） 准备高压油泵、 轮对退卸机、 高压油管、 油管接头、 轴颈保护套、 退卸挡板等设备、 材料及 工装。 （２） 连接高压油泵管路， 接通高压油泵。 （３） 根据计算出的拆装油压 ｐｘ， 将高压油泵的 输出油压调节为 １０５ ＭＰａ。 （４） 安装轮对退卸机退卸挡板， 在需要退卸的 轮对两端套上轴颈保护套， 用行车将轮对吊在轮对退 卸机轴颈支撑机构上。 （５） 将高压油管接头接在车轮注油孔上， 拧紧 螺母以确保安全。 （６） 启动高压油泵， 油压逐渐升高， 当油压升 高接近 １０５ ＭＰａ 时， 油从轮座两端结合处渗出， 轮座 与轮毂孔配合表面形成油膜， 使摩擦阻力减小， 这时 启动轮对退卸机， 压头轴向顶紧车轴， 只用很小的力 就将车轴与车轮分离。 ３􀆱 ３ 注油退卸结论 （１） 此次注油退卸时压力达到 ９０～９５ ｋＮ 时车轴 即与车轮产生位移， 而非注油退卸时至少需要 １ ０００ ｋＮ。 退卸后车轴轮座表面和轮毂孔内表面状态较好， 只有轻微的痕迹， 未损伤表面。 （２） 此次注油退卸试验过程中实际拆装油压 ｐｘ 与压出力 Ｐｘｅ等数据均与工艺参数理论计算数值接近。 实践证明 理论与实践相结合， 起到了理论指导实践 的作用， 保证了工艺技术要求和产品的稳定性， 达到 了国际标准。 ４ 结束语 注油退卸技术是一项日趋成熟的技术， 具有操作 方便、 维护简单、 合格率高等优点， 在当今机车、 动 车、 城轨、 地铁轮对领域被广泛推广和应用。 由于轮 对在退卸时不会擦伤轮座和轮毂孔， 因此轮座和轮毂 孔不需二次加工即可重新进行压装， 显著延长了车轴 的使用寿命。 应用注油退卸原理进行理论与实践， 对工艺参数 进行分析与计算， 对相关设备、 工装进行选型与设 计， 实施了注油退卸试验并得到了可靠的验证， 不仅 完善了轮对注油退卸的工艺， 也为今后进行轮对注油 退卸工作提供了可靠的依据。 参考文献 ［１］ ＴＢ／ Ｔ ２２０２⁃１９９１ 车轮与车轴注油压装技术条件［Ｓ］． ［２］ 成大先．机械设计手册［Ｍ］．５ 版．北京化学工业出版 社，２００７． ［３］ ＧＢ／ Ｔ１５７５５⁃１９９５ 圆锥过盈配合的计算和选用［Ｓ］． ［４］ 广重岩．铁路机车车辆轮对［Ｍ］．俞展猷，译．北京中国 铁道出版社，１９８１． （上接第 １９１ 页） ２􀆱 ３ 夹具夹紧动作正常， 但无法卸荷松开 在后续试生产过程中， 发现全部 ６ 套夹具夹紧工 件动作正常， 但是偶尔发生夹具在夹紧工件后无法卸 荷松开工件的现象。 经过多次分析， 机床油路及控制 系统均正常， 夹具油路及各种控制阀也均合格。 受困 于该故障是偶发现象， 开始排查夹具执行松开动作 时， 松开油路各个节点处的油压。 后来发现问题出在 油压增压器及其出口处的液控单向阀， 但仍然未找到 症结所在。 在详细分析了油压增压器及液控单向阀的 相关参数后发现， 油压增压器内置液控单向阀及外接 液控单向阀开启压力不一致， 油压增压器内置液控单 向阀开启压力大约为油压增压器出口压力的 １０％， 即 １􀆱 ８ ＭＰａ， 远低于机床供油压力， 而外接液控单向 阀 ＲＨ⁃１ 型开启压力约为 ６􀆱 ５ ＭＰａ， 稍高于机床供油 压力， 问题即由此导致。 在将此 ＲＨ⁃１ 型液控单向阀 更换为 ＲＨ３Ｖ 型之后， 全部 ６ 套夹具动作均恢复正 常， 再未发生过无法回油的情况 （注 ＲＨ⁃１ 型液控 单向阀及 ＲＨ３Ｖ 型液控单向阀的开启压力均由其出口 压力决定， 在该夹具液压系统中， 其出口压力均为 １８ ＭＰａ 左右）。 ３ 结论 该变速箱壳体加工中心夹具液压系统的设计不仅 保证了壳体加工时的稳定性、 生产安全性要求， 同时 结合了逻辑控制理念及本质安全设计理念， 其设计是 比较成功的， 表现如下 （１） 增压及可调压功能、 气密性检测及辅助支 撑功能表现良好， 满足加工使用要求； （２） 安全保压系统， 即由油压增压器及液控单 向阀组成的保压系统在整改之后发挥了出色的安全性 能， 满足了壳体在加工时的安全要求； （３） 在生产验证过程中， 多个问题的出现， 暴 露了在设计过程中态度不够严谨及相关液压元件选用 不合理的弱点， 亟需在以后工作中彻底避免。 参考文献 ［１］ 张滢滢，刘春雨．关于机床夹具的发展前景的探讨［Ｊ］． 科技创新导报，２０１１（２６）６９－６９． ［２］ 彭小敢．一种卧式加工中心机床夹具的设计及应用［Ｊ］． 制造技术与机床，２０１３（９）１４７－１４９． ［３］ 邹金喜．快装液压夹具的夹紧机理分析与维修［Ｊ］．硬质 合金，２０１０（８）２３６－２４１． ４９１机床与液压第 ４３ 卷