摘 要： 针对铝合金材质的异形薄壁件在车削加工时, 因夹具夹持零件部位较少以及夹具支撑零件不到位的原因, 导致油泵支架端面尺寸超差的问题。文章在传统车削工艺的基础上, 通过改进装夹方式和采用辅助支撑, 并结合实际分析出合适的装夹位置和夹持力。经加工验证, 采用该加工方案可大大降低零件变形和避免夹具把件不稳, 保证油泵支架端面加工质量, 取得了良好的加工效果。
关键词： 油泵支架; 双顶加工; 辅助支撑; 异形薄壁;
Abstract： In the process of turning the special-shaped thin-walled parts made of aluminum alloy, there are few clamping parts and the supporting parts of the clamping fixture are not in place, which leads to the problem of oversize of the end face of the oil pump support. On the basis of the traditional turning technology, the suitable clamping position and clamping force are analyzed by improving the clamping mode and adopting the auxiliary support. The machining results show that the machining scheme can greatly reduce the deformation of the parts, avoid the instability of the jig, guarantee the processing quality of the end face of the oil pump support, and obtain a good machining effect.
Keyword： oil pump bracket; double top machining; auxiliary support; abnormal thin wall;
0、引言
汽车自动变速器油泵, 作为自动变速器整个液压操控系统的动力源和箱内各摩擦副润滑装置, 它以其结构简单、紧凑、扁平化、重量轻等优点广泛应用于各类自动档汽车。其中, 手自一体自动变速箱 (AT) 油泵传动效率高, 可靠性好, 是目前汽车市场上主流变速器油泵结构之一。
油泵支架是变速器油泵的安装基础件, 其作用是将有关的零件联成有机整体, 并固定在汽车自动变速器上, 并与液力变矩器对接, 起到固定位置, 传递液压油和润滑油的作用。油泵支架的主要结构特点:形状不规则、薄壁平面、精度要求高、装夹易变形、制造难度大。本文以装夹方式为出发点, 分析总结传统加工方法引起零件超差的原因, 改进车削工艺, 从而提高零件的加工精度。
1、产品结构
某6AT油泵支架结构如图1所示, 其形状不规则, 壁厚也不均匀, 材料牌号为铝合金ADC12。基准W面为定位面和密封面, 与变速器对接, 其内有进出油口和各种润滑油道, 因此, W面的平面度要求较高。基准X为轴颈, 其外圆与内转子衬套形成摩擦副, 工作时, 液力变矩器拨叉带动内转子围绕基准X旋转, 且轴上花键与液力变矩器联结传递扭矩, 因此, 基准面W相对于基准X的垂直度要求较高。此外, 密封圈安装面是用于安装密封圈并实现密封作用, 保证变速器油不泄露, 因此, 该处的跳动也要求较高。
2、 工艺分析
从油泵支架结构 (图1) 及关键尺寸 (图2) 分析可知, 此支架为异形薄壁件, 除了有尺寸精度、表面粗糙度要求外, 对形位精度也要求较高, 特别是平面度0.02mm、垂直度0.03mm和跳动0.03mmm等要素, 由于对装夹要求高, 在实际加工过程中容易产生变形或把件不稳而难以保证。
图1 油泵支架结构图
2.1、 传统车削工艺
该支架传统车削工艺是:精车I→精车II。精车I时夹持基准X, Z面贴紧夹具端面, 加工出基准面W和基准Y, 同时确保基准X和Y同心, 减少精车II时基准X、Y转换带来的误差;精车II时夹持基准Y, 基准W面贴紧夹具端面, 加工出3个孔直径以及0.03mm的跳动。按照上述方案加工时, 测量发现平面度0.02mm、垂直度0.03mm和跳动0.03mm等均出现不同程度超差, 其中垂直度和跳动超差严重, 零件存在变形或夹具把件不稳等情况。
分析垂直度超差原因: (1) 材料原因。该支架材料是铝合金ADC12, 而其他支架的材料是灰铁HT250, 由于铝合金比灰铁软, 尺寸稳定性差, 变形量较灰铁大; (2) 夹具支撑原因。结合铝合金的加工特性, 对于该精度要求更高的异形薄壁件, 在夹具设计时没有考虑到辅助支撑, 导致零件变形严重; (3) 夹具装夹原因。精车I时基准X的长度只有14.5mm, 夹持部位相对其他支架较短, 在加工过程中夹具存在把件不稳的情况, 导致基准W面跳动较大, 影响了垂直度的最终结果。
图2 油泵支架精车图
分析跳动超差原因: (1) 基准原因。跳动0.03mm的基准是X, 而装夹基准是Y, 存在一定的基准转换误差; (2) 夹具装夹原因。由于轴斜齿直径比基准Y直径小, 所以精车II的主要夹持部位是基准Y, 但基准Y的长度只有14.4mm, 与精车I类似, 在加工过程中夹具也会存在把件不稳的情况, 零件旋转中心跳动增大, 导致直径的跳动超差。
2.2、 工艺改进
基于以上分析和研究, 为避免零件变形和夹具把件不稳等情况发生, 决定采用一种新的装夹方法。同时, 考虑轴的基准X是通过双顶两端倒角磨加工出来的, 倒角与基准X的装夹基准转换影响较小。因此, 将精车I和精车II统一更改为双顶倒角的方式来装夹零件, 消除了夹持部位较短引起的把件不稳, 并使用辅助支撑对容易产生变形的部位进行支撑, 零件端面受力均匀, 消除了零件变形。生产中采用这种方案加工的零件测量结果:垂直度0.03mm检测结果为0.009mm, 跳动0.03mm检测结果为0.011mm, 其余尺寸均满足要求, 且各尺寸的加工结果均比传统车削工艺要好。由此可见, 此工艺改进, 能取得较好的效果。
2.3、 夹具设计
如图3所示, 精车I的夹具由支撑缸1 (共5个) 、固定顶尖2、回转顶尖3、周向限位柱4和其他零件组成, 将支架轴两端的倒角分别放在固定顶尖2和回转顶尖3上, 并用支撑缸1根据异形薄壁面的受力情况进行不同部位的支撑;同时, 采用周向限位柱4防止零件在加工过程中周向旋转。其中, 支撑缸1采用的是油压上升型支撑缸, 结构如图4所示, 当油压处于关闭时, 柱塞处于收回状态;当供给油压时, 柱塞逐渐伸出, 与工件接触后 (在任意位置) 停止;然后, 活塞在油压的作用下开始下压, 活塞和筒夹的锥面作用通过钢球对柱塞产生强劲的抱紧力, 从而形成支撑力, 有效地起到了支撑的作用。
图3 精车I夹具
图4 支撑缸结构图
同样, 如图5所示, 精车II的夹具由活动顶尖1、回转顶尖2、周向限位柱3和其他零件组成, 将支架轴两端的倒角分别放在顶尖1和顶尖2上, 并用周向限位柱3防止零件在加工过程中周向旋转。
图5 精车II夹具
表1 垂直度检测结果
表2 φ144.43 (0, +0.03) 跳动检测结果
以上工装的优点是: (1) 改变了装夹方式, 采用双顶加工, 避免了夹具把件不稳引起的窜动; (2) 统一了前后两序的装夹基准, 减少了基准转换带来的误差; (3) 采用了辅助支撑, 对异形薄壁的部位进行了有效地支撑, 避免了零件变形过大引起尺寸超差。
对工装的技术要求是: (1) 精车I的支撑缸1要根据支撑部位所需的支撑力进行合理的选型, 并通过支撑缸支撑力计算公式 (不同品牌和不同型号的支撑缸, 其计算公式也不一样) 得出最大支撑力, 并根据实际情况设定供给油压; (2) 精车I的回转顶尖3压力设定需保证零件与两端顶尖无相对运动; (3) 精车II的活动顶尖1和回转顶尖2的压力设定在保证零件与两端顶尖无相对运动的同时, 还应避免因顶紧压力设定过大导致零件变形。
2.4、 批量加工验证
精车I序, 将零件按如图3所示装夹, 结合支撑缸1支撑力 (kN) 计算公式:0.7×P-0.91 (符号P表示所供给的油压 (MPa) ) 调整供给油压, 通过多次加工验证, 总结出合理的支撑缸1压力范围:20~25bar, 回转顶尖3压力范围:10~15bar。同样, 按此方法, 总结出精车II序中活动顶尖1压力范围:13~18bar, 回转顶尖2压力范围:10~15bar。
按以上参数分别加工8件零件, 精车I序的关键尺寸垂直度0.03mm检测结果见表1, 精车II序的关键尺寸跳动0.03mm检测结果见表2。
经过前期的试加工验证后, 后续进行了大批量的生产和跟踪, 并对检测结果进行分析和计算, 各项尺寸均满足产品要求, 且所有关键尺寸的过程能力相当高, CPK值均大于1.33, 甚至个别尺寸还超过了1.67, 符合批量生产要求。
3、 结束语
通过改进装夹方式, 采用双顶加工, 消减了夹具因夹持零件部位少的原因, 引起把件不稳, 避免了该油泵支架在加工过程中的窜动。同时, 保证了前后两序的基准统一, 避免了基准转换带来的误差。此外, 增加了5个辅助支撑缸, 起到了消减零件变形的作用, 保证了产品精度, 适合于类似产品的批量生产。
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