引言

隨著人們生活質量的提高,汽車已經成為生活必需品,人們對汽車的實用性和舒適度要求也越來越高。為了減小震動,增大連接力,汽車底盤關鍵部位控制臂之間的連接很多都采用橡膠開口襯套。目前橡膠開口襯套采用的一些壓裝方法,一方面很難保證襯套在合適穩(wěn)定的壓入力下被壓入控制臂中,這樣可能會導致襯套推出力不合格:另一方面也很難保證襯套壓裝完成后,其開口的角度公差的穩(wěn)定性,這樣可能會影響控制臂本身的性能。針對這兩個問題,需要在工藝和機械方面進行一定的創(chuàng)新和優(yōu)化,通過控制襯套壓入時的外徑和摩擦形式,來控制壓入力的范圍:通過全程機械定位銷的控制,來保證襯套開口的角度,并結合相關設備和軟件進行在線監(jiān)控。

1襯套壓裝流程及要求

橡膠開口襯套的壓裝工藝過程是通過兩個機構配合完成的,具體如圖1數模展示,分為兩個主要部分,一個是襯套工裝部分,另一個是壓裝工裝部分。首先,襯套手工安裝在襯套工裝上,進行定位、識別和刷油:然后,襯套工裝上升到最高位置,抓手夾爪抓起襯套,將襯套放入到壓裝部分的收口機構中:最后,收口機構夾緊,伺服壓機開始下壓襯套,緩慢將襯套壓入控制臂中。

影響橡膠開口襯套壓入后的角度和壓入力的主要機構就兩個:一個是襯套工裝及刷油機構,另一個是襯套收口機構。下文會分別對這兩個機構進行分析和研究。

通過以上兩個結構,可以保證襯套壓入后的角度公差和壓入力的大小都控制在要求范圍內。其中,襯套的角度公差,從襯套工裝到壓入控制臂的過程中要全程控制:襯套壓入力則可以通過收口尺寸和接觸表面摩擦情況共同控制,并百分百在線監(jiān)控,如果超出范圍,設備報警,并強制要求放入在線報廢箱,以控制不合格品的流出。

1.1襯套工裝及刷油機構

橡膠開口襯套如圖2所示,由內芯、橡膠、外殼等三個部分構成,主要尺寸包括襯套內芯的內孔直徑、襯套外徑和外殼高度、襯套總高度、開口尺寸等。開口襯套首先人工安裝在一個專用的襯套定位工裝上,利用襯套的內芯內徑和開口進行定位,并通過百分百在線影像監(jiān)測來保證襯套型號正確,即判斷其他尺寸是否正確。整個襯套工裝底部有一個氣缸可以自動升降,襯套工裝上升過程中會經過一個刷油機構,毛刷會在襯套外殼金屬上均勻地刷上一層潤滑油,實現(xiàn)自動刷油。這一整套機構完成了襯套的安裝、防錯防漏、開口定位和刷油等工作。

圖2 橡膠開口襯套

1.2襯套收口機構

當襯套工裝上升到最高位置后,已經完成開口定位、刷油工作,安裝在伺服電機的抓手精準自動地將襯套從襯套工裝上抓起,放入專用的收口機構中,一種襯套對應一個專用收口機構,它有兩個作用:一個是給襯套開口定位,防止在收口過程中襯套角度變化:另一個是將開口襯套縮小到固定尺寸后,壓機開始進行襯套的壓裝,將襯套壓入到控制臂中。

收口機構中上部的定位銷,是根據襯套開口尺寸設計的,能夠保證在收口過程中定住襯套開口的中心位置,壓機下壓時,上壓頭開槽直接讓開定位銷位置,確保定位銷使用壽命。

收口機構縮小到的固定尺寸既要防止襯套收口后外徑太大,襯套無法壓入或被壓壞:也要防止收口后襯套外徑太小,壓入到控制臂時壓入力太小而小于最大壓入力下限,導致產品不合格。這個尺寸需要根據每種襯套和對應的控制臂的內孔直徑進行設計。

2襯套壓裝機構分析與設計

2.1襯套工裝上開口的定位

開口襯套的定位機構如圖3所示,其中襯套的內徑定位和底面定位面定位,用于保證抓手每次都能在同一位置和高度抓起襯套:開口定位銷的作用是防止襯套角度轉動,保證襯套的開口方向。

當襯套的開口尺寸是(a±1.5)mm時,其定位銷是一個難點,如表1所示,設計了3種形狀的定位銷:第一種類型是三角形的臺階定位銷,其有效尺寸(三角形底邊長度)是襯套開口尺寸的下限amin:第二種類型是長方形定位銷,其有效尺寸是襯套開口尺寸的上限amax,定住襯套的外殼處:第三種類型是梯形定位銷,其定位的最小尺寸是amin,最大尺寸是amax。

通過3個批次襯套壓裝生產驗證,得出如下結論:第一種定位銷,根據圓周長公式:

其中C是圓周長,也是360°對應的圓弧長,襯套開口尺寸3mm公差,加上轉動的角度,結合起來就會有6.45°的公差,因此用amin大小定位銷來定位最大尺寸是amax的開口,襯套角度定位不穩(wěn),會導致最終超差。

第二種定位銷,由于是按照襯套開口尺寸最大值作為有效定位尺寸,經過現(xiàn)場生產實際調查,在進行襯套裝件時,開口裝件非常困難,現(xiàn)場人員裝件速度明顯減慢,以前裝一個襯套只需要1s,而此定位銷則需要3s,非常影響生產效率,且更換襯套批次后,定位銷又無法調整。

第三種定位銷的有效尺寸是amin~amax,可以通過增減墊片來控制定位銷前移后退,因而保證了襯套開口的中心位置穩(wěn)定。

最終選擇第三種梯形定位銷作為襯套開口的定位,實際生產在保證效率的基礎上,尺寸也非常穩(wěn)定。

2.2收口機構及襯套開口的定位

襯套被抓手放入收口機構,收口機構如圖4所示。

其中定位銷就是襯套開口定位,因為在收口機構內部,無法隨時進行調整,選擇有效定位尺寸αmin(即襯套開口尺寸的下限),并借助一個小氣缸使定位銷一直頂住襯套開口,起到中心定位的作用。結合公式(1)可以計算出襯套開口角度此處會有6.45°的公差,在圖紙要求的±5°公差范圍之內,可以滿足要求。

收口機構如圖5所示分為上、中、下三段。上部直徑較襯套外徑大,當抓手將襯套放入收口機構中時,襯套可能有點傾斜不穩(wěn),這時定位銷就起到襯套開口定位的作用。當壓機將襯套壓入收口的中端部分,襯套開始收口,壓入到下端部分,襯套收口完成,壓機開始將襯套壓入控制臂的孔中,這個過程襯套都沒有受到徑向力的作用,也不會發(fā)生轉動。

因此,最終襯套壓入控制臂后的開口位置才能確保在±5°的范圍之內。

2.3襯套壓入力的控制

每種襯套的壓入力和推出力都有要求,其中壓入力需要控制在一定范圍之內,可以通過在線監(jiān)控軟件百分百監(jiān)測和控制,但推出實驗是破壞性實驗,不能百分百監(jiān)測,所以只能通過壓入力和推出力的關聯(lián)性來控制。如圖6所示,選用了兩種不同的襯套,記錄了30組襯套壓入力和對應的推出力的數據。

從圖6可以看出,橡膠開口襯套的推出力都是大于襯套的壓入力的,主要原因是開口襯套在進行壓裝時,是通過收口機構將襯套的外徑收縮到一個固定的尺寸,并在襯套外殼涂上了潤滑油,再將襯套壓入到控制臂中,即襯套的壓入過程是一個邊界摩擦過程。而推出實驗的條件是要求產品放置24h,等潤滑油完全揮發(fā)后再進行實驗,也就是說推出力實驗是干摩擦過程。因此只要監(jiān)控襯套的壓入力,就能控制推出力的大小。

2.4襯套壓入力及刷油工藝分析

襯套壓入控制臂的過程,可以理解為襯套的金屬外殼與控制臂孔內壁之間發(fā)生滑動摩擦的過程。壓入力就是摩擦力的大小。摩擦力公式如下:

式中:Fn為正壓力:u為動摩擦因數。

可以看出滑動摩擦力與兩個因素有關:一是接觸面所受壓力,二是接觸面粗糙程度。

同一批次的襯套和控制臂,其兩個接觸面的粗糙程度幾乎是不變的,因此假設u是固定不變的。每個襯套在壓入控制臂的過程中,被收口機構收縮到同一外徑尺寸,所以接觸面所受的壓力只與襯套的開口大小有關,襯套開口在正常公差范圍內越大,所受壓力越大,摩擦力即襯套壓入力也就越大,隨著襯套慢慢壓入到控制臂中,接觸面積越來越大,正壓力也就越來越大,一直到襯套被完全壓入到設定的位移。

如果襯套的尺寸合格,其最大壓入力超出了要求的最大值,可能就是因為動摩擦因數較大,導致摩擦力太大。由于公式(2)的摩擦是干摩擦狀態(tài),可以在襯套外殼涂抹上一層潤滑油,讓襯套外殼和控制臂之間形成一層極薄的油膜,由原來的干摩擦變?yōu)檫吔缒Σ羀3],襯套外殼和控制臂內孔的實際接觸面積減小,只占名義接觸面積的很小一部分[4],在邊界摩擦定義內,潤滑油的厚度、密度越大,成膜厚度就會越厚,實際接觸面積就越小,因此襯套外殼刷完潤滑油后,其摩擦力比沒有潤滑油時要小,可以有效降低襯套的壓入力,使壓入力降低到要求范圍內。

襯套刷油機構,與襯套工裝結合使用,襯套工裝上升通過毛刷時,毛刷就給襯套外殼刷上一層潤滑油。這一圈毛刷內徑與襯套外徑有關,確保剛好能刷到襯套外殼。通過PLC程序控制每個循環(huán)定時定量從毛刷根部的多個油孔噴出潤滑油,保持毛刷上的油量,保持自動刷油的功能,實現(xiàn)邊界摩擦的作用,從而控制住壓入力的范圍,且潤滑油能夠自行揮發(fā)掉,不會降低襯套推出力,從而保證了控制臂的裝配性能。

3結語

襯套的開口角度定位可以通過襯套工裝和專用收口機構上的定位銷實現(xiàn),預防開口角度超出公差范圍,影響控制臂的機械性能。襯套壓裝狀態(tài)通過刷油工藝,由干摩擦變?yōu)檫吔缒Σ?并結合收口的收縮尺寸固定控制,從而將襯套的壓入力控制在要求范圍之內,同時控制推出力,保證控制臂的壓入力在百分百監(jiān)控下穩(wěn)定生產。