汽车转向节钻孔夹具结构设计

朱文峰，李旗号，汪韶杰

(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009;2.合肥工业大学汽车技术研究院，安徽合肥230009)

0 引言

转向节是汽车上重要的安全零部件之一，它能够使汽车灵敏地传递行驶方向并稳定行驶。转向节的作用是承受汽车前部的载荷，支撑和带动前轮使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。

转向节分为整体式和分体式两种，分体式则主要用于乘用车 (轿车)，整体式主要用于商用车 (货车)。由于转向节的结构比较复杂，属于空间异形件，加工精度要求较高，并且加工时无法直接精确定位，所以需要设计专用的夹具实现加工过程中的准确定位和夹紧。从机加工艺来讲，转向节分为杆部、法兰盘和叉部等3个部分加工。叉部加工是转向节加工的难点，采用两销一面定位，是整个加工工艺的投资重点和设备选型的关键。大部分转向节在此部位还有横拉杆装配用的锥孔，这更增加了叉部加工难度，锥孔加工是许多厂家难以100%合格的项目，应予重视。笔者主要针对如图1所示转向节的短弯臂锥孔加工，提出合理的加工方案，并设计锥孔加工的专用夹具。

1 锥孔加工工艺分析

为转向节短弯臂锥孔加工所设计的夹具，在之前工序加工完转向节短弯臂侧面相关尺寸以及通孔φ12.2、孔和及其所在平面后的工序，这一工序所需加工尺寸如图2所示，孔锥度为1∶8，锥孔轴线与竖直方向的夹角为3°53'±10'，锥孔小端直径 φ 14.，锥孔的位置尺寸81.1±0.2、58.5±0.15。加工中锥孔位置可以通过控制锥孔中心线到两个工序基准的交点的距离来确定。转向节加工工艺路线为钻—粗铰—精铰，使用该工艺方案孔径精度可达到IT6～8，表面粗糙度 R a0.8～1.6 μm，满足锥孔加工的精度要求，该工艺合理可行。

2 锥孔加工夹具的设计

2.1 定位基准与夹紧方案的确定

由于在进行此工序加工之前已经完成转向节短弯臂侧面相关尺寸以及通孔φ12.2、孔和及其所在平面尺寸的加工，所以选用尺寸为的孔和孔左侧端面做为定位基准，限制工件5个方向的自由度，同时采用与支撑面安装孔相配合的菱形销作为定位元件，限制工件其余的自由度，工件达到完全定位。

由于转向节为大批量生产，因此采用螺旋夹紧装置，结构简单，夹紧动作迅速、操作方便、省力和安全。

2.2 夹具结构的设计

设计的锥孔加工夹具结构如图3所示，夹具主要由螺杆、六角螺母、压板、衬套、定位轴、快换钻套、弯板、菱形销等组成。

导向装置设计，分析锥孔加工工艺可知，由于在钻铰1∶8锥度的孔时，采用的刀具为钻头和1∶8锥度的铰刀，所以需要设计导向装置。通过开槽盘头螺钉压紧在弯板上的衬套和快换钻套，对钻头以及铰刀起导向作用。

因为该锥孔轴线与竖直方向的夹角为3°53'±10'，所以通过定位轴与弯板上倾斜孔的配合，将该孔轴线方向转换为与竖直方向平行，以满足钻孔加工。

左右转向节对称布置，在一道工序中加工完成各自的锥孔，减少夹具数量，提高生产效率。

2.3 夹具结构的三维建模

采用三维软件Pro/E对夹具的各零件进行建模，并且利用软件的虚拟装配功能对夹具进行虚拟装配，虚拟装配图如图4所示。设计者通过三维建模可以直观地观察所设计的夹具，更有效地了解夹具的空间情况，进行空间布局，同时节省了零件的绘制时间，在实体修改时，装配件可以随实体位置变化而变化，可在设计过程中检测出零件之间是否存在干涉等问题而无需通过实际生产调试。三维造型生产成本低、设计周期短，在现今对设计的夹具结构进行三维建模和虚拟装配已经逐步成为了主流。

3 夹具定位误差计算分析

定位误差的计算是夹具结构设计中必不可少的一个环节，定位误差的数值也是判断夹具的结构设计是否合理的依据。工件在夹具中加工时，引起加工尺寸产生误差的主要原因有两类:一是由于定位基准本身的尺寸和几何形状误差，以及定位基准与定位元件之间的间隙所引起的工件定位基准沿加工尺寸方向的最大位移，称为定位基准位移误差，以Δy表示;二是由于工序基准与定位基准不重合，引起的工件工序基准相对于定位基准而言沿加工尺寸方向的最大位移，称为基准不重合误差，以Δb表示。两类误差之和为定位误差Δd，即Δd=Δy+Δb。

(2)由定位轴定位面的位置度引起的角度误差

式中:Δ为定位面位置度误差，mm;a为定位面宽度，mm。

式中:Dmax为定位孔的最大直径，mm;

dmin为定位轴的最小直径，mm;

L为定位轴孔接触长度，mm。

由夹具定位误差引起的最大转角误差为

由于定位误差小于加工误差的1/3，所以该夹具的精确度可以保证零件的加工精度要求。

4 结束语

通过对夹具结构及定位误差的分析，该夹具可以实现空间异形件转向节大批量、高效、高精度的生产。实践证明，夹具结构设计完全满足零件的高精度加工要求，使用效果良好，并能减轻操作者的劳动强度，对同类零件的加工具有一定的指导意义。

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