曲軸連桿頸車削及液壓自動夾具技術

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發表于 2022-11-3 09:25:42 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

前言

本文通過對汽車發動機曲軸連桿頸車削加工工藝的分析，探索出一種適合高效高精度自動定心夾緊的新型液壓夾具的設計思路。通過對曲軸的偏心定位夾持結構以及動平衡設計，保證了安全性和可靠性，并將其應用在曲軸生產線上，為推動汽車零部件的質量和數量的快速提升發揮其應有的作用。

一、曲軸連桿在車削工藝中的問題

曲軸是內燃機最難加工的核心零件之一，作為大批量生產的汽車曲軸由于受到成本、效益的制約，在設計、材料和加工方面都經歷了相當大的演變，隨著人們注重環保、改進性能以及降低制造成本的要求日益增高，這種演變過程還將繼續下去。曲軸的某個軸頸或連桿頸，其幾何形狀是一個短圓柱體，車削加工無疑是最傳統、經濟且簡單可靠的工藝手段。曲軸主軸頸及連桿頸車削工藝在曲軸加工制造歷史上曾經占據了半個多世紀的時間，軸頸的車削工藝目前仍被廣泛采用。

但是，如果用于連桿頸加工，偏離回轉中心的夾持位置以及因此而產生的動平衡問題使曲軸車削自動夾具的設計變的非常困難，目前采用的手動夾具不僅費時費力而且存在較大的不安全因素，難以實現自動化生產方式。隨著數控技術的發展，當代的數控車床在車削精度、轉速、自動控制和安全可靠性各方面均發生了巨大的變化，雙主軸同步驅動、圓盤式轉位刀塔的配備充分滿足了曲軸車削工藝的需要，只要能成功地解決曲軸自動定位、夾緊的問題，消除離心力所產生的不安全因素，曲軸車削工藝無疑將成為具有多方面優越性和高性價比的工藝方法。

二、傳統工藝方案分析

如圖1所示曲軸中的編號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ依次為第一主軸頸、第二主軸頸、第五主軸頸；編號i、ii、iii、iv依次為第一連桿頸、第二連桿頸、第四連桿頸，該圖零件為四拐曲軸（也叫“四缸曲軸”）。

一般被加工零件為四拐曲軸或六拐曲軸，在生產線上要求按不同部位的連桿頸加工分序分別配備設備。以四拐曲軸為例，一臺機床在一次裝夾中專門加工i、iv連桿頸（i、iv連桿頸同軸），徑向定位夾緊用Ⅰ、Ⅴ主軸頸，夾具體懸伸長度較短；另一臺機床在一次裝夾中專門加工ii、iii連桿頸（ii、iii連桿頸同軸），徑向定位夾緊用Ⅱ、Ⅳ主軸頸，夾具體懸伸長度較長。也就是說，一套夾具不能同時加工同一根曲軸的全部連桿頸，這樣要求的目的是曲軸的被加工連桿頸靠近被夾緊定位的相應主軸頸處，有利于保證精度，同時可以提高效率，適應專業化生產。

三、曲軸連桿夾具設計思路介紹

該夾具其主要功能是在曲軸連桿頸車削機床中對曲軸進行自動定位和夾緊。應用時，該夾具與機床主軸連接，成對同步使用，故該機床是雙主軸箱同步數控車床。機床主軸回轉中心與被加工連桿頸軸線同軸。

工件的定位分三個方面，即徑向定位、軸向定位和角向定位。徑向定位及夾緊部位是曲軸工件的主軸頸，屬于偏心夾緊，夾緊后主軸頸軸線偏離機床主軸回轉中心的距離等于曲軸工件的半沖程（即曲軸連桿頸中心到曲軸主軸頸的中心距離），即：徑向定位要保證被加工曲軸的連桿頸處于車床主軸的回轉中心上；軸向定位一端為固定擋鐵，另一端為設在右夾具軸向上的液壓油缸；角向定位可分為兩種，當工件輻板上有側定位面時定位結構可設在本夾具上，如果工件輻板無側定位面，則定位結構可設在機床的獨立裝置上。

工件的定位、夾持如圖2所示，左右夾具分別與機床的左右主軸箱的主軸凸緣盤同心相連。這樣，將工件上的其中一對連桿頸使之與主軸回轉中心一致，即可實現對該連桿頸的高速車削加工。

四、曲軸連桿夾具結構介紹

設計上，左右夾具結構基本相同。因機床主軸高速旋轉時，曲軸會產生很大的離心力，所以需要有足夠的夾緊力保證曲軸連桿頸車削加工時的安全可靠。該夾具的關鍵結構使用的是液壓驅動的擺桿卡爪機構（見圖3 a、b），該結構通過采用鉸鏈增力機構的方式來滿足這一要求。圖3b中的件10、11、12、13和14，以液壓驅動油缸體或活塞桿往復運動并將作用力通過與之相連結的連板、擺桿轉變為傳動軸的轉動，當連板與活塞桿軸線的夾角α臨近90°時，液壓油缸的推力轉變為一個被增大的轉矩傳遞至傳動軸和卡爪，進一步實現對工件的可靠夾緊。

液壓油路是通過旋轉接頭配通油路驅動內部油缸及連桿實現動作過程，采用液壓旋轉接頭是因夾具及其油缸10隨機床主軸作回轉運動之故。左、右夾具的驅動油缸采用同一套液壓閥控制。

在夾具柔性設計上，通過更換定心弧形鉗口8以及調整件卡爪6和傳動軸11之間的角度，來實現適應不同規格工件的調整。

五、曲軸連桿夾具的特點

影響可靠性的因素有強度、剛度、夾緊力、定位結構、油路以及平衡等。

該夾具的強度、剛度是綜合考慮的。通過對主體結構的安排及其組件的材料選擇、關鍵截面確定以及工藝措施的確定，權衡利弊，并對薄弱環節進行校核。夾緊力通過液壓回路、增力機構和傳動結構來保證。

定位結構分徑向定位、軸向定位、角向定位。徑向定位由周邊形狀呈矩形，上邊呈弧形的定心弧形鉗口8實現，以保證被加工曲軸的連桿頸處于車床主軸的回轉中心上；軸向定位為設在右夾具軸向上的液壓油缸實現的；角向定位設在機床的獨立裝置上。

油路是通過旋轉接頭配油的，左右夾具的徑向夾緊油缸共用一套液壓閥控制。

動平衡是針對不同的工件加工的適應性而考慮的，采用更換平衡鐵的措施得以實現。根據一定批量的不同規格的工件的平均質量，預先配好相應的平衡鐵，以便在生產線上更換工件時更加快速方便操作（見圖1中平衡鐵5）。

結語
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本套自動夾具應用在曲軸連桿頸加工專用數控車床上，是一種可對曲軸實現自動定位夾緊的機構，其主要包括內置油缸結構、鉸鏈增力結構以及自動定位夾緊結構等。其特征在于機床液壓驅動內置油缸并將液壓油缸的往復運動轉化為卡爪的夾緊動作，提供足夠的夾緊力。在提高機床安全可靠性及降低工人勞動強度的同時，亦可使曲軸連桿頸車床設備滿足曲軸自動化生產線的需求。