轮辋数控加工工艺分析及其加工中心夹具设计

　　面对汽车产业的快速发展，汽车零部件生产是以大批大量生产方式进行。汽车轮辋工件是汽车车轮的主要部件，为了保证轮辋件数控加工质量和提高生产效率，企业广泛采用现代数控加工工艺方案解决批量生产问题。而在工件数控加工中，装夹问题是困扰企业的关键因素。为了提高工件数控加工柔性化，必须采用具备柔性化的装置，一方面是充分利用数控加工中心机床，另一方面需设计满足快速装夹的夹具装置，合理的夹具设计可充分发挥数控机床的潜能，提高加工效率。在分析企业现有制造资源能力的基础上，分析轮辋工件数控加工工艺，并设计一套简单实用的数控加工中心气动夹具装置。

1 轮辋数控加工工艺分析

　　1.1 轮辋零件图纸工艺分析

　　某汽车轮辋工件结构如图 1 所示，该零件其余未注表面粗糙度为 3. 2 μm，未注圆角为 Ｒ2，两个对称M12 螺钉孔之间的尺寸为 ( 248 ± 0. 15) mm，零件材料为 40Cr，毛坯为锻造件。轮辋件为典型的回转体零件，该件是以 146. 8 孔中心线为基准，工件有 6处相对于该中心线有 0. 025 mm 的同轴度要求，工件内孔 146. 8 及其 15°的锥孔表面粗糙度为 0. 8 μm。为了合理地制定轮辋数控加工工艺方案，依照数控机床笛卡尔坐标系建立工件坐标系 { X，Y，Z} ，如图2 所示。根据工件加工面特征建立特征面单位法矢量的方法，通过轮辋工件加工面单位法矢量方法可将轮辋工件划分为两大加工部分，即确定工件具有两个加工方位 ( 工位) 。

图 1 轮辋零件半剖示意图

图 2 轮辋工件坐标系

　　规定一: 加工面单位法矢量相同者则为同一个加工方位 ( 工位) 。

　　工位一: 该工位上加工面单位法矢量方向都为“－ Z”，分 别 为 146. 8 内 孔 及 其 15° 的 锥 孔 面、314 台阶孔面、329. 94 至 415. 8 的环形台阶面。

　　工位二: 该工位上加工面单位法矢量方向为“+ Z”，分别为 146. 8 至 180 的环形端面及其轮廓面与其上 6 个花键槽、180 外圆柱面、180 至 340的环形底槽及 M12 螺纹孔面和 45°的锥台阶面等、379. 11 上 5°外圆锥面及至 415. 8 的外圆表面。

　　规定二: 根据工序集中原则，工件同向单位法矢量的加工面 ( 即同一个工位) 尽可能在数控机床上一次装夹完成加工。

　　规定三: 同一个加工面上有多个公差精度 ( 如尺寸精度、表面粗糙度或形状或位置精度) 要求时，要以该加工面最高精度为目标制定工艺路线。

　　1.2 轮辋工件数控加工工艺制定

　　通过以上零件图纸工艺分析及相关规定，同时结合工艺安排时采用的先粗后精、基面先行等原则及孔、平面、外圆面等加工工艺路线，制定以下数控加工工艺，见表 1 所示。

表 1 轮辋工件数控加工工艺方案

　　通过加工面单位法矢量分析零件图纸，其数控加工工艺具有两个工位应以两道工序完成加工，而实际上轮辋工件是按照三道工序完成加工，如表 1 所示。在表 1 中，工序Ⅱ和工序Ⅲ中的加工面单位法矢量相同，但在数控车床上装夹时所采用的专用心轴夹具提供夹紧力的夹紧装置必然干涉工序Ⅲ中的相关加工面，如 146. 8 至 180 处端面及花键槽等加工面。为此，在工位二中采取两道工序 ( 即划分为工序Ⅱ和工序Ⅲ) 完成所有加工面的加工，机床设备由数控车床更换为三轴立式加工中心，从而充分利用企业的制造资源。

2 加工中心夹具设计

　　2.1 轮辋工件定位问题

　　针对表 1 中工序Ⅲ的内容，为了保证 180 端面及其上的 6 个均匀花键槽以及 2 个对称 M12 螺钉孔之间的尺寸 ( 248 ± 0. 15) mm，以 146. 8 内孔及329. 94 至 415. 8 的环形台阶端面为定位基准，如图 3 所示。以 146. 8 内孔定位限制工件 2 个自由度，定位元件为圆柱销，圆柱销与 146. 8 内孔面配合，配合性质为 H7/r6; 以 329. 94 至 415. 8 的环形台阶端面定位限制工件 3 个自由度，定位元件为环形定位板; 其中圆柱销与环形定位板之间的配合垂直度应控制在 0. 008 mm 内。平面定位的定位误差主要由工件平面度误差造成，329. 94 至 415. 8 的环形台阶端面的平面度误差可控制在 1 μm 范围内，可忽略;为此工件定位误差主要由圆柱销与 146. 8 内孔面配合造成，由于工件是水平安装在加工中心夹具上，故圆柱销与 146. 8 内孔面接触是任意边接触，其定位误差为:根据工件定位误差应该小于 1/3 ～ 1/5 工件公差所允许的范围，根据式 ( 1) 中所求的定位误差，可知两个对称 M12 螺钉孔之间的尺寸为 ( 248 ±0. 15) mm 的公差为 0. 3 ＞ 3 × 0. 090，故该工件定位方案可行。

图 3 工序Ⅲ简图

　　2.2 气动控制夹紧方案

　　现代数控夹具要求绿色化，气动控制夹紧的夹具装置是绿色夹具的代表。该加工中心夹具是采用 4 个对称分布的气缸对工件进行夹紧，工件安装好后，通过手动控制阀控制 4 个气缸同时进行夹紧。该夹具气动控制系统如图 4 所示。

图 4 加工中心夹具气动控制系统图

　　2.3 加工中心夹具结构

　　轮辋工件工序Ⅲ的加工中心夹具结构见图 5 所示，采用 4 个气缸对称分布，为了保证气动夹紧力充足，该夹具装置采用杠杆增力方式; 由于工件的夹紧面是上道工序完成的精加工表面，为了避免工件表面被夹伤，在夹紧头部安装了软质材料，如软质铜皮或橡胶垫等。为了使夹具结构紧凑，夹具体底面采用十字槽形式 ( 图 6) ，便于安装支撑底板，并在支撑底板上安装相应的气动气缸。由此可见: 该夹具装置结构紧凑，操作方便可靠。

图 5 加工中心夹具装置

图 6 夹具体底板结构示意图

3 结束语

　　结合轮辋工件数控加工批量生产中装夹问题，基于数控加工中心工序集中原则，通过特征加工面单位法矢量方法分析轮辋工件数控加工工艺，制定出合理可行的数控加工工艺方案; 针对数控加工中心机床的应用特点，分析轮辋工件定位问题，采用气动控制夹紧方案，并通过气缸驱动杠杆方式增加夹紧力，确保工件夹紧可靠，并在夹紧头部安装软质材料避免夹伤工件表面。文中所设计的轮辋工件数控加工工艺及其加工中心夹具方案可行，为类似工件批量生产的数控加工及其夹具设计提供技术和理论借鉴。