董世全

摘  要：半轴齿轮是汽车差速器内的重要零件，市场需求量很大。半轴齿轮的加工过程中，定位方式大多使用伞齿和齿模定位，夹紧方式分手动夹紧、自动夹紧，自动夹紧又分为车床拉杆座做动力和液压直接驱动。各个公司的情况不同，加工方式也不同。随着《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中对自动化、数字化概念的提出，对工业自动化的需求会日益增多。半轴齿轮的加工特征：加工量大、节拍短、装夹重复性强，特别适合自动线上下料，会有越来越多的厂家选择使用自动线加工半轴齿轮。

關键词：半轴齿轮;卡盘;自动线;Solidworks

引言：汽车转弯过程中，驱动轴的左、右驱动轮的转弯半径不同，弧度一致，则轨迹长度不一致。若两轮的转速一致必然会造成其中一个轮胎打滑，造成轮胎的磨损。解决这个问题就要求左、右驱动轮在转弯过程中的转速不一样。这一要求促使了汽车差速器的产生。差速器的作用就是以不同转速向车轮传递动力。本文的零件半轴齿轮就是差速器内特别重要的一个零件，汽车的每一个驱动轴均有两个半轴齿轮。

1 半轴齿轮卡盘设计需要考虑的要素

随着经济的发展，人力成本必然越来越高，人对于工作环境的要求也越来越高，并且人工作业时存在的多种不确定性（比如心情、健康状态、请假等）。越来越多的公司采用柔性自动线代替人工作业，可以显著提高产品的生产效率，改善劳动强度，提高产品质量和一致性，降低劳动成本。此卡盘用于半轴齿轮柔性自动线，设计的过程中需要比传统的夹具多考虑一些因素：

（1）自动线代替人工上下料，缺少了人工对加工情况的自主判断。需在正常的液压或气动夹具上增加松开、夹紧到位检测功能。待自动线接收到信号反馈的时候方可进行下一步的作业，代替人对工件装夹状态的判断。以免因松开不到位造成机械手、设备的损坏，或因夹紧不到位造成工件装夹不牢发生事故;

（2）切屑的堆积会对装夹或加工产不利生影响。需要在卡盘上增加除屑功能，用来清理切屑和半轴齿轮安装面、定位面;

（3）卡盘质量、体积大，工作转速介于900～1200rpm。转动的过程中会产生振动，影响半轴齿轮的加工质量。设计过程中需要考虑质量、重心、动平衡问题;

（4）半轴齿轮多种多样，不可能针对每一种半轴齿轮均设计、制造一个卡盘。需要考虑半轴齿轮间的通用性问题。可以一个卡盘体加工几个规格的半轴齿轮，通过调整部件达到通用的目的;

（5）半轴齿轮自动线夹具的管路对，包括液压2路、启动1路，切削液1路。普通旋转接头会产生内泄的情况。这个现象对于单介质的使用情况没有影响。对于多介质的情况，内泄的情况可能造成油、气、液混合。严重的情况会影响卡盘动作。设计时旋转接头的选择尤为重要。

2 半轴齿轮卡盘的设计流程

（1）信息资料收集：确认半轴齿轮卡盘的需求，先期在沈阳机床股份有限公司生产的i5T5.2整体斜床身车床上使用。安装前拆下车床上的标配卡盘，然后安装上半轴齿轮卡盘。设计时需要考虑后期自动线需求，需要增加自动线需要的功能。功能主要有动作到位检测、切削与齿模清理、多介质旋转接头;

（2）加工精度和工艺性分析：首先应分析半轴齿轮加工的工艺性，了解半轴齿轮的用途、性能和工作条件，明确半轴齿轮在差速器中的位置和作用，进而了解半轴齿轮各项技术要求，确定主要技术要求和加工过程中的关键点，研究零件装夹、加工过程中可能产生的变形，对加工过程中的难点提前准备解决方案。卡盘的设计过程中应保证加工半轴齿轮时进刀、退刀方便无阻碍，尽量采用标准刀具就可以加工，减少刀具数量。下图为示意图，未标注具体尺寸、表面要求和精度要求，加工下图标注表面粗糙度的部位，采用车床可以一次性完成该零件所需加工，如图一所示;

（3）设备选型：设备采用沈阳机床股份有限公司生产的i5T5.2卧式车床。该车床为整体斜床身结构，刚型好。主轴单元A2-6，主轴通孔直接φ65。最大切削直径350mm，最大旋转直径360mm。经过与设计部门、工艺部门沟通，卡盘的质量应限制在75Kg以下（含半轴齿轮），卡盘直径控制在360mm以内;

（4）定位方案：为了保证车削后的半轴齿轮中心孔轴线与半轴齿轮伞齿的同轴度满足要求，定位选择半轴齿轮的送齿定位，保证齿模的精度即可保证半轴齿轮的定位要求。夹具按调时需要对齿模的安装位置进行找正，齿模上需要设计专用的找正区域。根据不同的半轴齿轮设计、制造专用的齿模，选取圆周上均布的3处齿贴合。依靠半轴齿轮与齿模的精确贴合，实线半轴齿轮的轴向和圆周的定位;

（5）夹紧方案：采用半轴齿轮背锥部分压紧，圆周选取均布的3个压紧点。旋转油缸选择Pascal的三点检测旋转油缸CTM04-LS10T，活塞杆总行程16.5mm（转角行程6.5mm，夹紧行程10mm），过夹紧行程0.5mm。单个旋转油缸夹紧4MPa压板80mm长时夹紧力为1400N;

（6）卡盘总装配图简图：根据所需卡盘总体零件确定卡盘总装配图，包括定位元件、夹紧元件、卡盘体等，确定零件尺寸配合精度、技术要求、材料;

（7）卡盘零件图绘制：根据总装配图各零件的分布位置、尺寸，绘制零件三维图纸。

3 半轴齿轮卡盘设计思想

（1）卡盘的设计思路：卡盘的夹紧与松开采用检测性的液压旋转油缸，定位采用齿模定位，旋转接头采用5路多介质（松开夹紧2油、松开夹紧检测2气、卡盘中心喷水1液），旋转油缸到位检测功能排气位置，卡盘中心喷切削液冲屑以及清理安装面切屑，卡盘重量限制在75Kg以下，直径在360mm以下，半轴齿轮卡盘工作时，压板夹压的部分不能高于半轴齿轮的加工面，压板与加工面的距离为1-2mm为夹具制作的难点，采用的解决方案是配磨压板长度的方式解决。后期用户现场验证了此方案的可行性。若不涉及自动线则采用2路单介质旋转接头即可。卡盘成品如图二所示。

（2）卡盘体的设计：整个半轴齿轮卡盘最关键的部位就是卡盘体。卡盘体通过连接板连接到主轴上，其它零部件也直接安装在卡盘体上。卡盘各动作所需要的油、气、液在卡盘体内通过4层管路传递，为了保证卡盘体成品的质量，管路之间最小留有3mm薄壁，避免加工过程中造成管路互通。

为了降低卡盘体的加工难度，卡盘体的设计考虑了两点：一是降低旋转油缸安装部位的加工难度，即将旋转油缸座与卡盘体分开设计。旋转油缸座与旋转油缸配合部分采用车床加工，在提高加工精度的境况下降低了加工难度;二是卡盘体内的管路孔深330mm，设计成从两端加工。这样更改的好处是可以使用五轴加工中心从两端加工管路（孔深160mm），降低了钻头损坏的风险，但是带来的缺点是卡盘体四周多了很多油堵，影响卡盘体的美观。考虑到加工能力最终确定了加工通孔的方案。由于钻深孔长径比过大，钻头细长，刚性差，工作时易发生偏斜和振动，孔内壁的粗糙度特别差，不过对于管路来说不影响使。切屑为长屑，需要采取啄钻退刀的方式断屑及排屑，以免由于切屑堵塞导致钻头损坏。钻削的过程中注意钻头的散热问题，密封的环境会使钻头切削产生的热量无法散出加速钻头磨损。多查看钻头状态，免得因钻头损坏造成卡盘体加工废。

卡盘体与旋转接头间的连接，使用5根φ8的硬管连接。为了防止管在卡盘体与旋转接头间产生窜动，卡盘体与旋转接头与管配合部分设计成阶梯孔，形成孔肩，对硬管形成轴向定位，达到限制其窜动的目的。

半轴齿轮卡盘装配完成时需要做动平衡试验，需要在卡盘体沿圆周方向增加M6螺纹孔。做动平衡试验时可以通过磨削M6螺钉的长度更改卡盘体的质量分布。

整个半轴齿轮卡盘重量65Kg，在加工、装配时人力无法直接搬运。需要在卡盘体正面及圆周方向加工吊装孔，即可满足加工、装配时的对翻转调运需求。

为了减少卡盘体质量，并且质量分布均匀，在卡盘体上尽量切除掉与功能、精度无关的部分，并且切除区域要按圆周均匀分布，最终卡盘体质量为42Kg。

卡盘体设计主要精度为：

①与主轴连接盘的配合：采用一孔一面定位，需要保证安装止口的圆度以及与连接盘配合面的平面度，注意止口的清根;

②卡盘工艺基准：在机床上装配半轴齿轮卡盘时，需要在半轴齿轮卡盘上找基准，确定卡盘轴线。为了去重，仅卡盘下边为整圆。则将其作为卡盘装配时的基准面。需要保证其圆度以及与连接盘配合止口的同轴度;

③卡盘体与齿模座的配合：采用一孔一面定位，需要保证孔的圓度、连接盘配合止口的同轴度、齿模座配合面的平面度、与连接盘结合面的平行度，注意止口清根;

④与旋转油缸座的配合：采用一面两销的定位方式，需要保证两销的位置度、旋转油缸座接合面的平面度、连接盘配合面的平行度。

（3）旋转油缸座的设计：旋转油缸座与卡盘体间采用一面两销定位，4个螺钉固定。采用液压旋转油缸。普通的旋转油缸输入、输出有2个管路，半轴齿轮自动线卡盘选用的旋转油缸输入、输出管路共有5个。其中旋转油缸的松开、夹紧采用液压控制，因旋转油缸输入、输出孔有孔径限制，油孔采用阶梯孔，上端连接旋转油缸（钻孔φ3深3），下端连接卡盘体孔（钻孔φ5至于φ3孔相通），连接部分采用O型圈密封;旋转油缸的到位检测功能是活塞杆上的检测槽与钢球的配合控制管路的通断，从而达到检测旋转油缸活塞杆位置的作用。气源的接入点位于旋转油缸的侧面，旋转油缸在两孔之间采用上、中、下三个O型圈密封，形成2个空腔，连通旋转油缸与对于管路。加工的时候为了保证密封圈的密封性、可加工性，旋转油缸座采用与卡盘体分体的模式，既保证了O型圈的密封要求，也降低了加工难度。旋转油缸座与卡盘体分界点位于下端O型圈下面（不能小于样本推荐值）。为避免旋转油缸安装时O型圈损伤，在旋转油缸座内与O型圈接触的凸台必须加工30°倒角。侧面气源入口处也需要做好倒钝处理，以免损伤O型圈，造成内泄或检测功能失效。

在卡盘的使用过程中，两气路处于一直工作的状态，气源关闭时会因为检测器误判造成自动线设备报警停机。旋转油缸到位检测气体需要通过卡盘体上旋转油缸部位底部φ5通孔将气体排放至卡盘后方，再通过连接盘上加工的槽直接排放到主轴中，最后经由主轴后方的旋转接头（留空路，不接管，外部接消音器）排至空气中，主轴后方无铁屑与切削液，无需增加单向阀阻止铁屑及切屑液进入旋转油缸。

（4）旋转油缸夹紧部分设计：为了适用不同产品的装夹，需要针对各零件定制长度、高度各异的压板。就涉及到更换压板便捷性的问题。常见的压板与旋转油缸的安装直接使用锥孔定位、外六角螺母锁紧，更换扳手时需要使用扳钳、六角扳手，作业性差。使用六角扳手固定活塞杆，固定不充分，活塞杆将承受过大扭矩而使活塞杆导向槽差生压痕，从而影响夹紧松开动作的灵敏度，甚至动作失效。采取的解决办法为将常见的外六角螺母更改成Pascal的理想螺母，其原理为螺母旋入至于活塞杆上端平齐后，使用圆周均匀分布的顶丝对理想螺母和压板间产生预紧力，达到固定压板的作用，拆卸时仅需以很小的扭力即可松开顶丝继而拆下螺母。极大降低了螺母的拆卸难度，延长了旋转油缸的使用寿命。这对于需要频繁更换压板的场合非常使用。

（5）齿模座的设计：齿模座的作用为连接卡盘体与齿模座，保证卡盘体与齿模的位置关系。最关键的精度为卡盘体接合面与齿模接合面的平行度。由于连接板、卡盘体、齿模座以及齿模加工、装配存在误差，需要一个配合去消隙。齿模座与齿模间径向不做直接配合，而是通过均匀分布的6个M6螺栓通过人工检测齿模工艺面跳动的方式，调整齿模的位置。齿模座与卡盘体间采用O型圈密封，形成一个与切削液管路相通的空间。齿模座底部加工3个螺纹孔与此空间相通。螺纹孔上安装角度可调节的喷嘴，形成卡盘中心出水功能，可以达到辅助冲屑、清理齿模配合面的目的。

（6）压板的设计：压板属于消耗品，需求量比较大。设计一个便于加工、量产的方案很重要。设计思路为在一块板料上加工出12个压板（4套），然后通过线切割的方式将12个压板割开。压板之间的区别主要有高度、长度方面的区别。同样高度的压板可以做成一样的长度，并在一块板料上加工。长度方向的调整，装配时根据半轴齿轮的大小使用砂轮修磨。压板的材料需要选则硬一些的材料。此方案选的是P20模具钢，预先硬化处理（30～36HRC）。加硬度够，加工性能好，无需热处理缩短工期。

（7）旋转油缸的处理：由于管路的设计、加工、装配等问题，可能会造成3个旋转油缸动作不同步的情况可以再旋转油缸上加装流量控制阀，控制旋转油缸的动作速度，使旋转油缸动作一致。

（8）夹具材料：半轴齿轮卡盘零件分为自制件、外购件、标准件。所需的自制件如表一所示。

（9）计算机辅助夹具设计：机械夹具的设计都要以经验为主。但是在尺寸巨大、结构复杂等情况下，使用计算机辅助夹具设计可以根据产品设计需要，提前评估一些参数是否达可以到要求以及在理想的范围内，能避免很多设计过程中的一些失误，减少损失，并且可以进行有限元分析。本卡盘设计三维建模使用Solidworks 2018，三维模型完成后，进行设计评审，继而使用Solidworks 2018生成二维图，最后使用AutoCad 2016改成标准二维图用于组织生产。使用Solidworks 2018设计，例如此次卡盘的设计，涉及的质量和重心的两个重要参数，使用人工计算特别复杂，使用Solidworks 2018特别容易得出。卡盘质量69.207Kg<75Kg符合要求，重心位置（X=-0.072mm;Y=-0.012mm）处于理想范围内。

4 结论

本文列举了半轴齿轮卡盘设计过程中的一些注意事项以及设计经验。改革和创新是可持续发展的源动力。为了达到《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》的自动化、数字化要求，会有越来越多的自动线夹具出现。计算机辅助设计软件的使用会加速中国制造的发展。

参考文献

[1]朱耀祥 浦林祥.现代夹具设计手册.机械工业出版社.2009

[2]张利平.液压传动系统及设计.化学工业出版社.2005

[3]杨叔子.机械加工工艺师手册.机械工业出版社.2001