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V型推力杆加工工艺分析研究 |
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作者：重庆卡福汽车制动转向系统有限公司 严庆伟 |
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推力杆主要是应用在载重汽车或客车的非独立悬架的单轴或双后桥重型汽车上，连接着车架与车桥，其目的主要是为了克服钢板弹簧只能传递垂直力和侧向力面不能传递牵引力、制动力及其相应的反作用力矩，目前，各型推力杆广泛应用于国内各大主机厂所生产的载重汽车和客车上。近年来，一种新型的推力杆即V型推力杆开始在一些主机厂的高档客车和重型汽车上开始运用。 载重汽车悬挂用推力杆总成装置，作为汽车多轴悬挂系统有组成部份，通常设置在载重汽车中、后桥上：其一端与车身铰接，另一端则与中桥相铰接：其作用主要是传递纵向力及其力矩和横向力及其力矩，如牵引力，制动力及汽车转弯时的离心力等。目前，常用的汽车V型推力杆总成的结构形式如图1所示。由于推力杆总成的功用是不仅能传递垂直力和力矩，还应传递侧向力和力矩，同时载重汽车的工况恶劣，若推力杆密封不好，则泥沙极易进入端头，加快磨损，从而导致整个总成性能下降，使用寿命大大降低，因此其工作环境极为恶劣。 
图1BBC-2919010推力杆
传统的推力杆是用两个端头、一根杆身通过铆合连为一体，只有一个尺寸关系，具有结构简单，检测方便，产品质量较易保证的特点，而BBC-2919011推力杆因其外形酷似V字型，故形象地称为V型推力杆，与普通推力杆不同，它是在一个V型（即BBC-2919013端头）端头上通过杆身与另外两个端头铆结而成，在一付推力杆上有三个不同的端头，相互间具有严格的尺寸关系,如端头A与端头B间的中心尺寸为 ，端头A、B与BBC-V型端头间的尺寸均为621.5mm，因此，这就给产品质量的保证、以及生产制造上带来了一定的难度。而作为V型推力杆的主体——V型端头在产品的加工保证上较为困难,而V型推力杆的铆合也极不易保证。
在对BBC-2919010推力杆（V型推力杆）的开发中通过对产品图纸进行仔细分析后认为：V型推力杆的开发，其难点在于：一是V型端头的加工；二是推力杆的铆合。
V型端头结构如图2所示，它与普通端头的区别在于：一是孔径大，坯件形状较为复杂，二是产品质量较重，一个V型端头重量达四十多斤。故为保证产品的加工质量，就必须从工装、设备、刀具以及切削用量上重新设计选择。
图2
端头加工的工艺分析
由于BBC-V型端头的毛坯件是锻压成型，其分模面在两杆部与缸孔的轴心平面上，故缸孔的正反面存在拨模斜度，即两平面不平整，严重影响产品的加工，因此，在产品加工的第一道工序必然是将产品的一个端面铣平然后才可进行以后工序的加工。
产品的缸孔及其端面则是以后各工序加工以及杆身、端头组合件铆合时的基准，因此，孔的加工必须在前面较早时加工出来,同时考虑如果产品在一次性装夹下完成粗加工、半精加工和精加工，那么,产品在粗加工时由于需要切除大量的的切削余量、因此在切削用量的选择上尽可能大,在切削过程中所产生的切削力就大、同时就会产生大量的切削热，为保证生产安全，不致于在加工过程中将产品飞出，在产品装夹时所使用的夹紧力较大，而一旦产品加工完毕将其取下后，一方面由于夹紧力失去，产品会产生回复变形从而引起失圆；另一方面产品在切削热作用下会出现较大的热胀冷缩现象，产品尺寸也会随着温度的变化而发生变化，故产品尺寸无法控制。所以为保证产品质量，产品的粗加工与半精加工和精加工必须分开进行，这样产品在粗加工时切除了大量的切削余量，然后将其取下使其自然失效、消除内应力后再流入半精加工、精加工工序。
在杆部仿竹节时，由于两杆部间存在着48°29′的角度关系，其角度误差的大小直接影响着推力杆两端头间的中心尺寸517.60-2mm的精度,因此，在仿一端杆部竹节时必须考虑两杆间的相互位置尺寸以及余量，而在仿另一杆部竹节打中心孔时，必须用已经加工后的一端杆部定位打出合格的中心孔，在仿竹节时才能保证两杆部间形成48°29′的角度，加工出合格的产品。故端头加工的工艺路线如下：
（1）铣缸孔一端平面
（2） 粗钻毛孔φ54mm
（3）粗车缸孔加工至尺寸φ104mm，留半精车、精车余量4mm,
（4）半精车、精车缸孔加工至图纸尺寸φ108+00。087
（5） 车反面控制总厚及反面孔尺寸
（6）打一端中心孔注意两杆部的加工余量
（7）仿一端杆竹节外形
（8） 打另一端中心孔保证两杆部的夹角为48°29′
（9）仿另一端竹节外形
端头加工工装的设计以及设备的选择
根据前面对端头加工的工艺路线分析，知道端头加工的重点和难点一是产品缸孔的加工、二是产品杆部的竹节外形加工（其中包含两杆部中心孔的加工），因此，在工装设计时以端头缸孔的车加工以及端头杆部仿竹节所用工装作为主。
1.工装设计
（1）车夹具设计
由于普通端头的毛坯其分模面在产品的中心，坯件的反面是较为平整的一个大平面，因此产品的定位准确、夹紧可靠，而作为专业的端头加工单位，对普通端头的加工均设计制造有较为成熟的工装夹具，产品质量容易保证，加工较为容易，工装也简单，而BBC-V型端头则不同，由于产品向外突出的两杆部间具有48°29′的角度要求，且两杆部与孔的轴心线在同一平面上，故坯件的分模面在两杆部的轴心平面上，坯件反面底部由于具有分模面的切边和拨模斜度，故产品反面不平整，造成产品定位困难，因此，为使其能顺利加工，同时减少夹具的设计制造费用，首先直接选择了标准的φ320mm三爪卡盘，同时设计了如下所示的专用夹爪，产品加工时的夹持方位如图3所示。
图3
其中一个夹爪底部设计有一V型面，其目的就是为了消除坯件的切边对产品定位的影响，根据《机床夹具设计手册》，V型面的长度选取为20mm，用于只消除一个方向的移动自由度，允许其转动自由度存在，这样，根据所选的三爪卡盘，另两个转动自由度由三爪卡盘中的另二专用夹爪中的二个支撑定位点消除，具有自动定心、起夹持作用的夹爪部位消除另外两个自由度，因此，整个夹具即可消除五个自由度，满足了加工条件。另外，由于产品向外突出的两杆部间具有48°29′的角度，因此杆部向外突出接近100mm，整个端头的厚为95 mm，从而使得夹爪的高度较高，夹紧时受力较大，夹爪容易变形，夹爪刚性较差，因此，为保证产品能够正常加工出来，夹爪材料选用45号钢，热处理硬度为HRC43—48，同时设计时预留了配重位置，以减少机床转动时过大的离心力对产品加工精度的影响和对机床主轴的影响。
（2）仿形用夹具设计
V型端头在仿竹节时，由于两杆部间有48°29′的角度，因此每杆相对于缸孔端面就有一定的角度，为使其能正常加工出杆部竹节，就必须以缸孔及其端面为基准，以端头正面定位，消除三个自由度（两个转动自由度，一个平面移动自由度），而缸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杆部顶针消除，这样六个自由度均已消除，从而使得夹具定位可靠，故只需在设计出的夹具体上安装一个与铅垂方向有24°15′角度的定位短芯柱，就能使杆部保持水平，满足加工条件，加工出合格产品。而在加工另一杆部竹节时，为使定位基准保持一致，必须重新设计角度与上述定位芯柱一致，但落差不同的定位芯柱，在加工时只需将其安装在夹具体上，即可加工出合格产品。仿形夹具如图4所示。
图4
2.设备选用
通过对产品的分析，发现虽然该产品的尺寸精度和表面粗糙度要求并不太高，但是由于该产品的外形尺寸较大，重量较重，因此较小的设备是无法满足加工要求的，故根据车间的现有的设备状况，决定选用C630承担该产品孔的加工任务。在仿竹节时，由于产品的回转半径大（240×Sin48°29′=180mm）、产品重，故必须选用刚性好、效率高的机床，因此，选用CE7132仿形机床。
刀具的选用
根据前面对产品图纸的分析，知道V型端头的加工难点：是端头缸孔的加工，因此，在刀具的设计选用中主要是如何保证能够顺利地加工出合格的产品。在加工普通端头时，因其内孔简单，孔径较小，坯件也较小，质量较轻，因此，刀具的选择直接用普通的内孔刀具即可。而BBC-V型端头则不同，由于产品质量较重，杆部向外突出，原加工一般端头的普通刀具显然已无法适应该产品的加工，必须增加刀具的刚性，经材料力学的计算分析决定选用直径为φ50mm，45号钢，热处理后调质硬度为HRC38-42的材料作刀体，这样在实际加工中能够满足生产需要。
切削用量的确定
在工装、刀具、机床设计选定后即可进行产品的加工，根据前面的工艺安排，在端头的缸孔加工时先进行粗加工，然后再进行半精加工、精加工，而在粗加工时主要是切除大量的毛坯余量，然后留精车余量，因此对产品的质量并无大的影响，切削用量的选择也是在刀具、工装、机床的刚性足够时尽可能取大，故粗加工时切削深度取3.5mm，进给量取0.65mm/r，转速取300r/min，最后留4mm的半精车、精车余量；而根据前面的工序安排，半精车、精车是在产品的一次装夹下完成加工的，故在半精车时，切削深度取1.85mm，进给量取0.32mm/r，转速取475r/min，此时留有0.3mm的精车余量，而半精车时则主要是考虑所加工出产品的尺寸精度和表面粗糙度能否保证精加工时有足够的余量加工出合格产品；在精加工时，则主要考虑产品的最终尺寸精度和表面粗糙度，所以参照《金属机械加工工艺人员手册》切削深度取0.15mm，进给量取0.1mm/r，转速取475rpm，在产品加工出后,经检测发现产品的失圆度较大，达到0.1mm，已经超过了由尺寸精度φ1080+0.087所控制的形状精度，在连续加工十件后检测依然如此。
经分析，产生失圆的主要原因是由于主轴旋转时所产生的惯性力引起的加工误差，由《机械制造工艺学》知道：在工艺系统中，由于旋转的机床零件、夹具或工件的不平衡，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，因此它在加工误差敏感方向上原分力和切削力的方向有时相同，有时相反，从而引起工艺系统的受力变形，在加工时产生误差。
在加工本产品车内孔时，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ρ旋转时所产生的离心力为Q，当离心力Q与切削分力Fr方向相反时图5（a）所示，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之差所引起的的y 方向的相对位移（让刀）最小，设为Ymin；图5（b）表示Q与Fr密切协作完全同向时，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
而离心力
式中 n——不平衡质量的转速，r/min。
图 5
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重块，使不平衡质量m和重块的离心力大小相等，方向相反，达到相互抵消的结果，如在前述车夹具中的配重。同时，由上述公式知道，离心力还与工件的转速的平方成正比，因此，在加工该产品时，在增加了配重，将转速由475r/min降为380r/min后，连续加工十件产品，经检测，产品质量符合图纸要求。故在精加工时的切削用量重新调整为：切削深度取0.15mm，进给量取0.05mm/r，转速取380r/min，而此时切削速度为
故能够满足加工要求。
推力杆的铆合
在端头、杆身加工完毕后，即可进行推力杆的铆合。推力杆的铆合一般是将杆身放入加热设备中，加热至杆身的相变温度以下在再结晶温度以上然后将杆身与端头同时放入铆合模中，利用油压机压力将端头杆身铆结为一体；杆身的材料一般为35钢，由铁—碳合金相图知道35铁的绝对熔化温度T熔为1420℃，相变温度为770℃左右，而再结晶温度T再=0.4T熔，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，消耗较小的功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，在铆合时杆身的加热温度一般控制在750℃±20℃,并且使其加热温度均匀，以达保证产品铆合质量目的。
传统的推力杆铆合时由于只有两个端头、一根杆身，且杆身的直径 一般在φ50~φ60mm间，只需在一次将杆身加热情况下，同时将两个端头装入铆合工装中，只要工装调试得当即可铆合出合格的推力杆。
在铆合中最容易出的质量问题有：一是铆合时铆痕浅，导致端头与杆身不能紧密相贴，相互间有间隙存在，推力杆无法承受产品规定196kN的拉力要求，从而出现松动现象；二是端头间的中心距出现扁差，超出产品允许的精度范围，造成推力杆出现安装困难；三是端头间孔轴心线的平行度或垂直度出现超差，造成推力杆在装配时球面销发生偏转，影响到机车的摆角，四是在铆合时出现铆痕两边不对称，从而影响推力杆的外观质量。经多年的探索实践，在铆合中出现上述质量问题时须由以下方案解决：
1.铆合铆痕浅
（1）必须严格控制杆身的加热温度，使铆合区的温度均匀，避免杆身出现过热、过烧现象，影响杆身的金相组织，从而影响到整个推力杆的质量。
（2）保证油压机的运转正常，压力必须达到工艺文件所规定的铆合压力要求，同时对油压机的工进速度加以严格控制，避免出现过快（影响到端头轴心线间的平行度或垂直度）、过慢（此时杆身已经冷却，变形抗力加大，从而造成推力杆铆痕浅）。
（3）铆口的设计必须合理，各个几何尺寸必须严格控制，避免出现铆口凸印几何尺寸大于端头竹节凹印几何尺寸从而造成杆身铆合困难，影响推力杆铆痕。
2.端头中心距尺寸超差
出现此种问题主要是：
（1）工装铆具调整时铆具尺寸就超差，造成推力杆铆合后长度尺寸超差，属人为因素，由施工员的个人经验、自身素质决定，需在铆合实践中摸索积累经验，减少此类误差出现的机率。
（2）工装、铆具的定位芯柱间隙较大，使得产品的定位不准确，在铆合时容易出现推力杆的长短尺寸不稳定，从而影响产品质量。为解决此类问题，首先在铆具的设计中选择合适的公差配合，如在车间所有使用的铆具其定位芯柱与铆具体间的尺寸及配合均为φ60H7/g6，使定位芯柱在铆具体间既可滑动以不致于有较大的间隙，一旦发现定位芯柱松动时就必须从新更换，以确保定位尺寸的准确性；二是定位芯柱与端头间的配合必须根据推力杆的长度尺寸的公差要求进行调整，在能够保证产品尺寸前提下尽可能增大配合间隙，这是因为推力杆在铆合过程中其杆身在压力作用下会产生延伸而变长，使端头与定位芯柱间产生很大的作用力，轻者使推力杆铆合后产品的取出困难，严重时会使溥壁端头的内孔产生变形，或者损坏铆具的定位芯柱，因此定位芯柱与端头间的配合取d13，根据孔的大小，其间隙一般有0.35~0.65mm，经过数十万件推力杆的生产，经检测是能够保证产品质量的。
3.端头间孔轴心线平行度或垂直度的保证
此种问题的出现主要是铆具上下模铆口不同心、杆身加工过程中内外圆不同心，端头杆部仿竹节时杆部轴心线未经过端头缸孔的中心平面，即不对称、以及铆合模具定位芯柱与铆口不同心导致在铆合过程中当上模铆口的一边先接触杆身时必然引起杆身绕轴心线转动，使得端头也发生转动从而引起推力杆两端头间的轴心线不平行或不垂直；当上模两端的铆口都同时一个方向先接触杆身时，则杆身的转动是一致的，两端端头的转动方向也是一致的，则不会对推力杆的位置公差带来影响。因此为解决以上问题，首先在杆身加工时必须保证内外圆同心，端头仿杆部外圆时保证与孔轴心线对称，以消除产品的加工误差对铆合的影响。其次是在铆合模具的调试、更换铆口时做到上下铆口重合，以减少工装调试带来的误差。三是铆具在加工制造过程中上、下模的定位键槽出现加工误差，导致上、 下模的铆口座无法对正，从而使得推力杆在铆合过程中出现端头孔的轴心线发生偏转，而定位键槽出现加工误差时铆具的修复基本上是不可能的，唯一的修正措施则是在定位芯柱上加装调整螺钉，从而使铆合质量得以人为控制成为可能，经过二十多万件的的推力杆铆合，经检测产品质量是能够得到保证的，使用效果是明显的。
4.铆合时推力杆两边铆痕不对称，影响产品的外观质量
此种问题的出现则主要是杆身和端头的竹节在加工过程中出现问题。由于推力杆在铆合过程中其杆身的定位是靠端头杆部竹节处的倒角部分定位的。如果杆身在加工过程中其长度尺寸出现极限下偏差、车孔时两端的倒角大小尺寸未控制好以及端头仿轴竹节时至孔的中心尺寸未控制好时均会对铆合时的产品的外观带来影响。而解决的办法就是严格按照工艺文件的要求控制杆身、端头的加工尺寸，确保产品的加工质量。
作为一般的推力杆铆合，只要解决了上述存在的问题，就能够获得比较满意的产品质量。而BBC—V型推力杆则不同，由于推力杆本身具有三个端头，也就具有三个不同的空间几何尺寸，如果能够一次将杆身加热后进行铆合，则可提高生产效率，但此时对油压机的吨位要求大大提高，而且，由于产品本身较重需数人配合才能完成一次铆合，将给生产安排带来很大的不便，因此在工艺上对V型推力杆的铆合作出如下调整：即先将端头A、端头B分别与杆身进行铆合，然后再与V型端头进行组合。这样即可最大限度地降低油压机吨位，但却使得铆合过程较为繁琐，同时须重新设计铆合工装，以保证产品的铆合质量。如图6即是为V型推力杆设计的专用铆合模。
图 6
它是在端头与杆身进行单头铆合后与V型端头进行组合铆合时的专用铆合模具，在模具体的下模座上分别设计了两根与V型端头中心线对称的、夹角为48°29′的定位键，而定位芯座A、B可沿定位键滑动，以调节铆合长度。
由于在推力杆组合铆合时是单边受力，且铆具较大，在油压机上安装铆具时不可能将铆具安放在油压机的轴心线上，因此对油压机的使用极为不利，为解决这一问题，在铆具设计时在上模座上分别设计了与定位芯座A、B配对使用的另一部份，使其能承受铆合时因铆具单边受力而带来的压力，从而改善油压机的偏载受力，延长其使用寿命。
另外，在铆合过程中发现虽然铆具调整正确，且铆出的产品也是合格的，但随着铆合时间的延长，产品的尺寸也在发生着变化，且总是变长，调整后也铆不了几根又要发生变化。经分析发现主要是产品在铆合过程中由于产品受压力作用造成杆身延伸，使其不断地挤压定位芯座A、B，从而造成定位芯座位置的变化，进而引起推力杆铆合长度的变化，因此定位芯座仅靠几颗螺栓的压紧力是无法抵抗因杆身延伸的挤压力，为从根本上解决问题，首先在下模座上加装调节挡板，在其上安装调节螺杆，使其在螺杆的轴向承受挤压力，同时也可对定位芯座进行微调，从而保证产品长度；其二，是改进定位芯 轴的结构，使其从刚性整体式加装弹性元件后，能够承受外力作用且只发生弹性变形，从而消除了挤压力的作用，避免了铆具在挤压力作用下可能发生的损坏。
因此，通过对铆具的合理改进，改善了油压机的使用状况，而对铆合工艺的合理安排，则是生产出合格产品的有效保证。通过对V型推力杆连续铆合的产品进行检测，V型端头与端头A、端头B的尺寸为621.5±0.75mm，而端头A与端头B间的距离尺寸为517.60-2mm，且铆痕外形美观，尺寸稳定，产品全部合格，达到了图纸设计要求。
结语
通过对工装、设备、刀具以及切削用量的设计选用和加工中出现影加工质的因素进行修正，使其能正常地加工出较为复杂的V型端头,且产品的加工质量稳定，达到了图纸要求。对铆具的合理设计充分地利用了公司现有设备，同时针对生产过程中所出现问题的及时分析、解决,使其能顺利地开发出具有国际先进水平的V型推力杆,满足了用户需求,也为开发其它推力杆提供了宝贵经验，因此V型推力杆的开发是成功的,它填补了国内此种推力杆生产的空白，具有极为广泛的市场前景和极高的经济利益。(end)
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(8/28/2006) |
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