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汽车V型推力杆制造工艺中的难点

  V型推力杆总成装置,通常设置在载重汽车中、后桥上,成对使用。其一端通过球面销与车架铰接,另一端则安装在车桥上,通过关节轴承与车桥铰接,其主要作用是稳定车桥,保持车桥的稳定位置,同时克服弹簧钢板只能传递纵向力和侧向力而不能传递牵引力、制动力及其相应的反作用力矩的弊端。因而当载重汽车过载时,V型推力杆可将冲击载荷有效均衡地分配给车身两边纵梁,减轻桥壳和底盘受到的冲击。同时由于载重汽车的工况恶劣,若V型推力杆密封不好,则泥沙等极易进入上球座,加快关节轴承总成磨损,从而导致整个总成性能下降,使用寿命大大降低。

目前中国重汽(香港)有限公司(以下简称为“中国重汽”)使用的V型推力杆主要由1个上球座(夹紧圈、球座衬和端盖)、2个连接杆、2个直球座和2个球销等组件组成,其安装、总成结构和总成数模如图1、图2和图3所示。

V型推力杆安装
图1 V型推力杆安装

V型推力杆总成结构
图2 V型推力杆总成结构

V型推力杆总成数模
图3 V型推力杆总成数模

V型推力杆总成制造中存在两大难点:一是上球座的加工,二是V型推力杆总成的热压合连接。

上球座的加工

上球座(见图4)是V型推力杆中重要的零部件之一,它一方面是关节轴承总成的安装定位件,其内孔的加工尺寸及精度决定了关节轴承总成的装配精度;另一方面它是两根连接杆的连接中心,整个总成的热压合关键之处就在于上球座与两根连接杆的热压合,热压合质量的好坏直接影响着总成的连接尺寸和装配质量。由于上球座形状较为复杂,如果定位装夹不好,将直接影响后续工序的加工精度及其装配质量。由于其内部使用的刚性关节轴承对内孔的精度要求进一步提高,增加了制造的难度,同时对操作者的要求也提高了。因此我们对上球座的加工设备提出了一定的要求,对夹具设计的可行性进行了分析。

上球座
图4 上球座

上球座的加工设备选用CKA6163数控加工机床,其关键工序在于φ90mm内孔的加工和φ46mm尾端的加工。纵观上球座零件,可以看到上球座零件质量大、毛坯复杂且形状不均匀,因而怎样设计夹具从而保证产品的加工精度成为关键。

1.φ90mm内孔的加工

在加工φ90mm内孔时,需要将上球座竖直放置,以一侧毛坯面定位加工内孔,作为后续工序的精基准。加工过程中工件与夹具一起旋转时存在离心力作用,内孔会产生失圆,因而需要对夹具做一定的配重处理,如图5所示,在上球座尾端对称的一侧增加了配重块。

上球座车φ90mm内孔夹具
图5 上球座车φ90mm内孔夹具

在对夹具进行了配重处理后,加工φ90mm内孔时仍然有失圆情况的产生,原因有多方面的,对这一问题的分析如下:

产生失圆的主要原因是由于机床主轴旋转时所产生的惯性力引起的加工误差。在工艺系统中,切削加工中高速旋转的零部件(含夹具、工件等)不平衡,将会产生离心力。而离心力和转动力一样在每一转中不断地变更方向,因此它在Y方向的分力大小的变化,会引起工艺系统的受力变形,在加工时产生误差。在加工上球座工件时,零部件不平衡,假设工件和夹具的总的不平衡质量为m,质量中心到回转中心的距离为d,旋转时所产生的离心力为Q,当离心力Q与切削分力Fr方向相反时(由于旋转体不平衡而引起的背吃刀量变化,见图6),力Q将工件推向刀具,此时切削深度为最大,工件与刀具之间由力Q和力Fr之差所引起的Y方向的相对位移(让刀)最小,设为Ymin;当离心力Q与Fr完全同向时,力使工件离开刀具,此时,切削深度为最小,而工件与刀具之间由力Q和力Fr之和所引起的Y方向的相对位移(让刀)最大,设为Ymax。由于位移不同而产生在半径方向的加工误差Δr为:
 

夹具计算

K—工艺系统的刚度;
ω—角速度。

惯性力引起的加工误差
图6 由惯性力引起的加工误差

因此,在加工中只要不消除或减小离心力,失圆是永远存在的。为消除这一不良影响,在加工该产品时,根据产品质量,在不平衡质量的反方向加装配重块,使不平衡质量m和配重块的离心力大小相等,方向相反,达到相互抵消的结果。但是,由于毛坯质量不均衡,配重块也不可能随时调整,因此配重后的加工同样会产生失圆。这样对毛坯的质量分布要求也需进一步提高,尽量使毛坯的质量分布均衡,确保加工后的失圆情况在尺寸公差可控的范围内,这样对后续金属钢轴承的使用也提供了保证。由上述公式可知,离心力Q与工件转速的平方成正比,因此,加工该产品时,配重调整好后,还应根据生产实际调整好转速,使转速在合适范围内,以减小离心力对工件产生的影响,减小失圆。

在沿上球座内孔轴线径向产生失圆的同时,沿轴线方向还将产生锥度变化,即沿φ90mm内孔轴线,底部尺寸稍小于上部尺寸,呈小锥度的变化。这是由于刀具刀杆有一定长度,由上球座上部到底部的切削运动产生的抗力不均衡,加之存在离心力的作用,因而切削深度存在差异,产生了锥度情况。但就目前的加工来看,锥度很小,在可控制范围内,不影响关节轴承的装配。

上球座的内孔及其端面则是以后各工序加工以及热压组件压合时的基准,因此,孔的加工必须在前,同时考虑如果上球座在一次性装夹下完成粗加工、半精加工和精加工,那么在粗加工时由于切削余量大,在切削过程中会产生较大的切削力,产生大量的切削热。工件的热变形主要是由切削热引起的。在热平衡的情况下,工件的加工精度符合要求,但在冷却收缩后,其尺寸变小,甚至可能出现尺寸超差。同时,由于切削热引起了刀具的热变形,使得开始加工的工件与达到热平衡后加工的工件存在尺寸误差。所以为保证上球座加工精度,其粗加工与半精加工和精加工工序必须分开进行。在上球座粗加工后将其取下使其自然失效,消除内应力后再转入半精加工、精加工工序,这样工件的加工精度就要比工序集中时好很多。但就我厂目前的设备、工装及人员状况,加工φ90mm内孔时,粗加工、半精加工及精加工由同一工序完成:

05—车内孔及φ106mm外圆;
10—车另端内孔及φ109mm外圆;
15—车φ104.4mm槽;
20—车φ105mm槽;
25—打中心孔;
30—车一端φ46mm外圆及φ41mm槽;
35—车另一端φ46外圆及φ41mm槽。

对于15及20两道工序,理论上可以分别合并进05及10工序,这样可以减少工件的周转时间,提高生产效率。为此,对于10工序,试制了带弹性夹套的夹具(见图7)。

上球座车夹具
图7 上球座车夹具

经试车,上球座车夹具安全可靠、质量轻且装夹方便,上球座φ90mm内孔的尺寸比较稳定,满足工艺要求,完全达到图纸公差的要求,工序的质量能够保证。

2.尾端φ46mm尺寸的加工过程分析

上球座的另一加工关键在于φ46mm尾端尺寸的加工。上球座尾端成“V”字状,由于两尾端间有48 17′±12′的角度,因此每个尾部相对于内孔中心面就有一定的角度,为使其能正常加工出尾部,就必须以内孔及其端面为基准,以上球座端面定位,消除三个自由度(两个转动自由度、一个平面移动自由度),而内孔心部则以短圆柱定位消除两个移动自由度,另外一个转动自由度则利用芯轴与尾部顶针消除,这样六个自由度均已消除,从而使得夹具定位装夹可靠。但需要解决夹具配重问题,使尾部保持水平,才能满足加工条件,加工出合格产品。而在加工另一端尾部时,为使定位基准保持一致,必须重新设计重量与上述配重块一致,如要安装角度不同的配重块,在加工时只需将其安装在夹具体上,即可进行生产加工。该夹具如图8所示。
 

上球座车φ46mm尾端及φ41mm槽夹具
图8 上球座车φ46mm尾端及φ41mm槽夹具

在上球座φ46mm尾端尺寸的加工过程中,虽然有配重块的使用,但就加工后的产品尺寸来说,存在着一定比例的失圆。原因分析主要是夹具与工件的静平衡调整好后,由于静平衡一般不能消除附加反动力,加工时工件与夹具旋转,使得工作情况更加恶化,动平衡未调整好,惯性力引起较大的附加反作用力,所以工件尾部存在失圆情况。附加反作用力可通过专用的动平衡机来消除。因此,应重新考虑夹具的配重问题,在远离夹具体的地方适当安装配重块,保证动平衡。FEMA(潜在失效模式及后果分析)对此问题的分析认为是刀具问题、毛坯质量问题及机床振动、动平衡的问题。但通过试验,在保证夹具、工件等不变的条件下,适当增加走刀次数,增加精车工步,可有效减小失圆的产生,工件加工精度可以保证。

V型推力杆的热压合

V型推力杆的热压合是V型推力杆的又一加工难点和关键。由于热压合后工件一次定型,因此对各热压合组件尺寸要求较严格,其热压件质量关系着整个总成的质量,同样也关系着与整车装配的质量。

V型推力杆的热压合就是将上球座及其热压组件热压到一起的关键过程,由于V型推力杆存在着48 17′±12′的角度,因此它就存在不同于普通浇铸式推力杆的热压模具,必须重新设计模具,以满足V型推力杆中双头热压的要求。同时模具中还必须保证连接尺寸513.7±1.5mm的准确性,因此,还要保证压装后检具的精确度。热压合模具的合理设计为制造的关键。

为满足V型推力杆双头热压的要求,结合V型推力杆的设计特点,我们重新设计了满足V型推力杆制造的模具,如图9所示。

 V型推力杆热压模具
图9 V型推力杆热压模具

在上球座、连接杆和直球座加工完毕后,即可进行V型推力杆的热压合。V型推力杆的热压合是将杆身和直球座热压好的组件放入加热设备中,加热至杆身的相变温度以下、再结晶温度以上,然后将杆身与上球座同时放入热压模中,利用油压机压力将球座杆身热压结为一体。连接杆的材料为35钢,由铁—合金相图知,35钢的绝对熔化温度T熔为1?450℃,相变温度为800℃左右,而再结晶温度T再=0.4T熔=580℃,当杆身加热温度超过再结晶温度时,则金属的塑性良好,变形抗力低,消耗较小的能量即可得到较大的变形,同时能获得较高机械性能的再结晶。所以,在热压装时杆身的加热温度一般控制在750±20℃(在727℃时A发生共析反应),并且使其加热温度均匀,以保证产品热压装质量。但就目前的热压装条件,考虑到温度变化,尤其是在温度低条件下的热压合,工件的热量流失快,操作者可能等待热压的时间长,故将加热温度定为850±50℃,以补偿热量的流失对热压合产生的影响,从而保证产品质量。实验证明此温度区域内的热压合完全可以保证产品质量。

在保证热压合温度满足的条件下,压装的压力对推力杆的压合质量也非常重要。压力过小,造成压合痕浅,影响产品质量,因此通过计算与实践将压力定为22±3MPa,完全可以保证V型推力杆压装质量。

结语

V型推力杆是中国重汽消化吸收国外先进重卡技术开发的专利产品,并率先在自卸车和载重货车上采用,大大提高了车辆底盘的可靠性,同时也提升了中国重汽在重卡市场上的竞争力。