摘要：后桥壳是安装了传动系统、差速系统和车轮部分等传动轴装置的车辆重要组成部分之一。为解决国内汽车生产厂商加工效率低和加工精度低的问题，文章设计了一套汽车后桥壳体工艺夹具，在满足尺寸精度、零件几何形状和定位精度技术要求的前提下，精确规定批量生产的要求和使用检验工序以提高生产效率。通过对铣床定位元件夹紧力的设计计算，在4把刀具同时加工时需满足至少50 kN的夹紧力。在夹具设计时需采用合理的动力源来进行装夹，选择更为清洁绿色的气压装置，符合低碳绿色环保的工业化要求。
关键词：后桥壳；工艺夹具；加工精度；传动轴装置
由于后桥壳在动力总成中的特殊地位，汽车制造商必须在保证整机质量的前提下，拥有自主的设计和生产线，降低成本以提高产品竞争力。近年来，国产汽车制造商研发部门以国产原材料为基础，结合中国国情，成功开发出了一系列先进的制造工艺生产线。由此生产出的高质量后桥壳，不仅替代了部分依赖进口的汽车零部件，还出口到欧美等发达国家[1]。
后车桥的主要部分是一个椭圆形柱体，在动力输出（Power Take-Off, PTO）轴周围有最终驱动装置、差速器和车轮驱动装置，后部有一个变速箱，其主要功能是最大限度地提高PTO轴和变速箱的扭矩，并在左右驱动轮之间进行动力分配。除了将变速箱与主变速箱连接起来之外，齿轮差速器和半轴还能确保两个车轮以不同的速度旋转，抵抗路面和车身或底盘之间力的相互作用，因此主要轴承部件尺寸较大[2]。
1 加工需求分析
1.1 零件工艺分析
桥壳体结构如图1所示，汽车后桥壳的加工表面可分为三组：第一组包括前后表面、内腔、左右端面和面部外周的加工表面；第二组包括侧表面和内腔的加工表面；第三组包括前后表面、两个端面和面部外周的加工表面。第一组可加工表面包括外表面和孔的表面、孔径、凸缘、边缘和外径，其主要在两个平面上加工，孔的大小在加工过程中相对难以处理，对零件质量影响较大。第二组是在平面两侧对零件进行钻孔加工。这一组包括表面加工：分别为四个平面、四个孔和孔径。第三组是工件内部孔的加工，该组孔的加工要满足粗糙度和轴向公差要求。孔及其表面以及表面工作台按轴向公差进行加工。
1.2 加工基准面选择
选择基准面是最重要的加工任务之一。选择正确合理的基准面可以确保加工质量、优化生产率，否则加工过程将无法顺利进行，许多零件可能会被报废。因此，在选择基准面时应慎之又慎[3]。
生产后桥壳体所需的主要部件是轴头两端和所有外圆表面、中心孔和钻孔表面。除了尺寸精度和粗糙度外，还要求外壳内孔的边缘与内孔轴线平行（纵向测量）且轴向对称。其中平行度要求为0.05 mm，两侧套管孔的同轴度要求为0.1 mm。因此有必要确定处理加工顺序，必须先加工轴头的两个外圆，之后是孔，最后是中心孔和两个边缘，这样轴头就遵循先粗加工后精加工的要求。车身孔的粗加工属于半精密钻孔，中心孔两端和中心孔末端的粗加工属于精密钻孔，其余工序属于基本工序，安插在主要工序之间进行。用钢板弹簧磨削阀座会产生较大间隙，从而导致椭圆形扁平轴孔。因此，应在制作细孔前进行磨削加工，根据轴承表面选择原则，可选择盲孔表面或外圈法兰盲孔表面作为后桥壳的未处理轴承表面。
1－半轴套管；2－法兰盘；3－板簧钩；4－螺栓；5－上悬挂支架；6－减速器安装孔；7－壳体；8－下悬挂支架。
图1 桥壳体结构
2 加工工艺路线设计
2.1 工艺方案选择
在开发生产线时，首先必须满足尺寸精度、零件几何形状和定位精度等技术要求。生产工艺方案应尽可能精确地规定批量生产的要求和使用特殊机械设备以提高生产率的要求。工艺流程的构思和设计要尽可能高效，这不仅体现在产品质量方面，也体现在生产规划方面，当然还包括确保工艺流程的集中化，同时考虑到降低生产成本的经济效应，以提高市场竞争力[4]。因此，结合上述分析，开发出了如图2所示的两种流程控制方案。
这两种加工方案的区别在于，在方案一中，可以先加工轴体外圈的两个表面，然后再加工孔；在方案二中，首先淬火法兰外圈的外表面，然后淬火车身，其次淬火法兰外圈，最后进行半精加工处理。
图2 流程控制方案
方案一在板上加工孔后对弹簧槽进行表面磨削时，磨削力较大，且孔已被填满，因此磨圆误差略呈椭圆形，加工误差大于方案二。在第二种方案中，淬火和精加工是分开进行的，但是为了确保外环和主体钻孔时的必要锋利度，将开槽和精加工结合在一起，以缩短时间并避免零件装配时出现错误。最后，经过上述分析过程，选择方案二作为流程控制的主方案。
2.2 加工阶段的划分和检验工序安排
对于精度和表面质量要求较高的零件，可以进行先粗加工后精加工。例如，轴头和外环在粗加工工序一中，在精加工工序三中。淬火和精加工工序分开进行，有助于消除残余应力，可有效降低报废率，从而实现精确生产和提高生产率。
后桥外壳的制造过程可分为两个阶段。第一阶段是基本加工，在工序六之前完成轴和外壳孔外表面的加工，为后续加工创建一个精确的参考点。第二阶段紧接着进行工序六，利用机械参考点完成其余表面的加工。
第一道工序结束后，还要进行中间检查，以确保关键点得到正确加工，避免出现次品。在后轴箱体的最终生产过程中，还要进行进一步的检查，以验证工序二加工表面，并根据加工设备的反馈确定每个参数的检查次数。这种安排确保了后桥壳体在壳体冲压之前就已定位，从而避免了壳体冲压后的后续维修。
3 夹具设计
3.1 铣床夹具
本夹具是用来铣削面积为110 mm×90 mm的后桥壳体两侧面，该平面对于精度和表面质量要求不高，所以主要考虑的是提高工作效率和降低工作强度。
1.定位元件
铣削面是平面，刀具可在该平面延伸方向上任意位移。由于弹簧座平面的形位公差要求，必须限制平面U轴和W轴的自由度。根据尺寸要求，需限制零件在垂直于平面和设计原点的方向上的移动（参照Z轴），以便原点重合且不会出现误差。换句话说，要设计一个不完全定位装置，约束一个移动和两个旋转自由度。
定位器的设计可以使用外圈或内圈和固定定位平面，只要内圈和固定定位平面在零点处重合即可。同样，如果外圈的两端面或定位装置的锥体部分（毛坯表面）与之在零点处重合，并满足工艺要求即可。由于该工序要求四面同时铣削，因此施加在工件上的力相对较大，除了轻夹紧力等因素外，还用于定位壳体零件的两个圆锥面（空心面）、端面和内面。由于工件在加工过程中处于悬臂圆形空间，磨削振动较大，因此使用附加支撑可提高刚性。
2.夹紧机构
该装置采用手动杠杆夹紧结构，通过旋转杠杆和螺栓夹具夹紧外圈，杠杆与外环端部的连接为过渡弧，杠杆不能增加或减少夹紧行程。但是，由于杠杆和销钉可以绕其端部旋转，因此可以快速装卸工件，从而提高工人的工作强度和效率[5]。
夹紧力为4 kN，其计算参考金属切削刀具设计手册[6]：
（1）式中，Gz为切削力系数；az为切削层尺寸；d0为铣刀直径；af为每齿进给量；ap为切削深度；为修正系数。
水平分力为4 393 N，其计算公式如下：
Fy=(1～1.2)Fz=1.1Fz （2）
垂直分力为1 198 N，其计算公式如下：
Fx=0.3Fz （3）
故工件沿安装轴线方向的最大铣削力为 152 051 N，其计算公式如下：
（4）夹紧机构产生的夹紧力为13 284 N，满足：
P=KF=K(K1K2K3K4) （5）
式中，K为稳定安全系数；K1为基本安全系数；K2为加工安全系数；K3为刀具寿命系数；K4为累计切削系数。
4把刀同时加工铣削平面时，产生的铣削力为53 136 N，其计算公式如下：
P4=4P （6）
由式（6）可知，夹具所需的夹紧力很大。为使夹具结构方便装卸，提高生产效率，决定选择旋转式起重机来实现夹具的夹紧功能。
3.2 钻床夹具
1.定位元件设计
工序十三是将钻12×M12孔的钻床夹具，用于钻孔和攻丝组合机床的加工，使用刀具为硬质合金钻头。由零件图可知，钻12×M12孔应完全定位。对于孔有位置度要求时，加工时夹具起到定位和支撑作用，孔的位置由钻模板控制，机床本身加工精度确定刀具（钻头）的均匀分布[7]。
2.钻削力计算
刀具采用硬质合金钻头，工件材料为铸铁。切削扭矩计算参考金属切削刀具设计手册[6]：
M=0.098D×2.2S×0.8Kp （7）
P=319D×1.2S×0.75Kp （8）
式中，M为切削扭矩；D为刀具直径；d为孔径；P为轴向切削力；S为每转进给率；Kp为修正系数，取0.87。
3.3 动力源设计
由于加工部件的尺寸较大、受加工环境的影响、气动夹紧装置的使用以及对夹紧力的需求，动力源选择气压装置，气动原理图如图3所示，可通过三位四通换向阀实现气缸的伸缩功能。
1－气动马达；2－过滤器；3－直动式减压阀；4－油雾器；5－三位四通换向阀；6－左气缸；7－右气缸。
图3 气动原理图
在设计气缸时，应考虑密封和防尘措施。工件靠气动驱动装置将工件压到平整的上支架上，气缸行程合理，工作压力必须大于工作负荷[8]。
对于气缸，应在缸筒和缸盖、活塞杆和柱塞（静态密封）、缸筒和活塞、活塞杆和缸盖、阻尼套筒和缸盖（动态密封）上使用密封件。液压密封件使用O形圈密封件；使用O形圈密封件时，设计简单，摩擦阻力小。由于接触面积小会降低密封效率，因此，可以通过使用更多的单元环来提高效率（如果活塞厚度超过28mm，则可以使用两个密封件）。本设计增加两个密封圈是因为活塞更厚，需要的压力更高[9]。如果使用静态密封，则需要添加密封垫以确保防漏。
4 结束语
汽车后桥壳体作为汽车底盘的关键零部件，既是承载件又是传力件，其加工精度和强度对于汽车的整体性能和安全性具有至关重要的作用。为减少加工误差，提高加工效率，本文采用对零件加工工艺路线进行合理设计，从而在满足加工精度的前提下，保证产品质量，提升产能效率；在夹具设计时采用合理的动力源来进行装夹，选择更为清洁绿色的气压装置，符合低碳绿色环保的工业化要求。
