汽车敞篷机构连杆工艺研究与优化

关键词：工艺研究与优化；夹具；刀具；定位

中图分类号：U466 文献标识码：A

0 引言

随着个性化产品的需求，纯电敞篷汽车被越来越多的消费者接受及选择，其敞篷连杆机构则是篷布顺畅开启及关闭的关键。敞篷连杆机构通常由液压驱动控制单元、连杆机构、篷布支架三个部分组织。连杆机构是由多个不同形状的杆件通过铆接、弹簧连接形式形成的左右对称的结构，连杆作为敞篷连杆机构的基础组成部分，起到连接作用的同时，还承受一定强度的牵引力，在机构中起关键作用[1]。连杆加工质量的好坏、稳定性对连杆机构的顺畅及稳定运行有重要影响。

以我公司的一款产品为例，其连杆机构单侧由11 个主要零件精细组装而成，其中连杆1（图1）和连杆2（图2）作为长度约600.000 mm 的细长件，相较于其他较短杆件加工难度更大。这些杆件经过精密锻造处理后，需进入机械加工环节，以确保安装面、安装孔等关键部位的形状和位置精度达到产品设计要求。针对这些零件的特殊性和产品的质量标准，制定一套合理的加工工艺至关重要。这不仅关系到零件的加工质量，更是实现高效、稳定生产的核心。为此，我司相关技术团队通过对加工工艺的精心规划和优化，能够确保每个零件的加工精度，提升整体产品的性能和可靠性，从而满足市场和客户的高标准需求。

1 连杆加工工艺分析

本文将从连杆材料性能、毛坯尺寸精度、加工设备、加工工艺顺序、刀具选型、夹具及其装夹定位方式进行工艺分析。

1.1 连杆的材料性能介绍

连杆采用一种高强度合金结构钢，主要元素包含C、Si、Mn、S 和P 等。该合金钢具有重量轻、密度小并且低温状态下冲击韧性较好，且具有优良的抗振性能，能够满足敞篷机构要求的材料性能和力学性能要求。

1.2 连杆加工前的尺寸精度介绍

连杆在加工前采用锻压成型工艺， 之后进行喷丸及钣金处理，形成用于机械加工的毛坯件，毛坯的硬度要求不小于130 HB。同时为了保证后续机械加工的质量精度及定位精度，需要确保毛坯的长度尺寸、厚度尺寸、关键定位面的平行度和平面度、宽度方向外轮廓尺寸以及定位面的高度差等关键控制尺寸精度均在技术要求范围内。

1.3 加工设备介绍

连杆加工采用四轴（X、Y、Z、B 轴）卧式数控加工中心，具有刀库自动换刀功能、切削冷却系统，机床的主要技术参数如表1 所示。该类机床不仅加工精度高，可实现数控孔高效加工，而且在同一台机床上通过B 轴旋转可同时实现连杆两个面的特征机加工，减少了零件重复定位及装夹的误差。

1.4 连杆机加工工艺方案及刀具选型方案

在机械加工过程中，连杆1 的加工尤为关键，其工艺流程严谨有序。

（1）在一台功能强大的四轴卧式数控加工中心上，完成连杆1 的精准定位和装夹。

（2）依据图3 所规定的工艺顺序，加工过程依次展开。先是粗铣和精铣，确保零件两端的铰链铆接安装平面和车顶连杆安装平面达到设计要求，精度至关重要，尤其是安装平面的厚度公差需控制在≤ 0.040 mm 以内。

（3）进行钻孔和铰孔工序，先后加工车顶连杆安装孔和铰链铆接安装孔，每一步都需要精确控制，保证孔径的公差≤ 0.040 mm。钻孔完成后，进行铰削加工，以提高孔的尺寸精度和表面质量。

（4）进行攻丝工序，钻攻螺纹孔，确保螺纹的精度和强度。

在整个加工过程中，选用的刀具以硬质合金类为主，包括D40 方肩面铣刀、整体合金类铣刀、钻头和倒角刀具，这些高性能刀具保证了加工质量和效率。

（5）对各孔口进行倒角处理，并去除毛刺，以提高零件的外观质量和使用性能。整个加工过程严格遵循相关技术要求和公差标准，确保连杆1 的加工质量达到高精度、高可靠性的要求。

1.5 夹具及装夹定位方式分析

工件六个自由度的限制分析，按照3-2-1 原则：两侧及中间立柱限制Z 方向移动及X、Y 方向的转动；左侧、右侧两个方向的支撑限制了Y 方向上的移动及Z 方向上的转动；右侧X 方向上的限位限制了X 方向的移动。其自由度限制合理，符合六点定位原则（图4）。在连杆的定位方面，各定位面均为锻压成型的毛坯面，且零件宽度较大，需要考虑零件装夹的一致性和稳定性。

2 连杆工艺优化

针对以上的工艺分析及实际加工情况，技术团队对加工过程中的主要问题进行优化及解决，包括：连杆销压装困难、加工孔位置超差和偏移和丝锥异常断刀。

2.1 优化铰刀，保证连杆销孔尺寸精度

在连杆加工过程中，铆接孔的精度直接关系到产品的质量和性能。以连杆1 的铆接孔为例，其设计销孔直径为10.080 mm（-0.040/0），旨在确保与销子的精确配合。然而，在镀锌处理过程中，镀锌层的厚度介于0.005 ～ 0.016 mm 之间，这使得销孔的实际直径变为10.024 ～ 10.075 mm ；与此同时，销子的直径范围定在10.110 ～ 10.130 mm，这一差异导致了过盈量计算的必要性。通过计算，我们发现最小过盈量Ymin 为-0.035 mm，而最大过盈量Ymax 高达-0.106 mm。这样的最大过盈量不仅使得销子的压装过程变得异常困难，而且还可能引起装配后的连杆功能性问题。

为了解决这一问题，必须重新审视压装需求，并据此选定过盈量，同时对销孔的制造公差进行优化。经过细致的计算和考量，我们决定将销孔的尺寸及公差调整为10.100 mm（-0.040/0）。优化后的过盈量范围为Ymin ＝ -0.015 mm、Ymax ＝ -0.086 mm。这一调整既保证了销子的顺畅压装，又确保了销孔与销子之间产生的摩擦力足以抵抗机构工作时的轴向力，从而确保了连杆的稳定性和耐用性。通过这一改进，技术团队不仅解决了销子压装困难的问题，还提高了生产效率，减少了因过盈量不当导致的返工和废品率。精确的尺寸控制和不断的工艺优化是提升产品质量、满足高精度要求的关键所在[2]。

另外，铰孔加工刀具选用不合理，采用的是φ10H9 的4 刃螺旋铰铣刀。该刀具由于更偏向与铣削功能，且刃口锋利（螺旋角、刀尖圆角、刃口前角度），加工不稳定，前期刀尖磨损快，往往加工10 ～ 30 件已经不能满足销孔的尺寸要求。

为此需要去优化铰刀结构，优化后的铰孔采用硬质合金6 刃涂层铰刀，该刀具为左向螺旋右向切削刃口，更适合高强度合金结构钢材料的通孔排屑，且6 个切削刃采用不等分设计以减少切削振动。为了进一步提升刀具耐磨性刃口采用倒角处理，铰刀制造尺寸及公差10.095 mm（0/0.040）。经过验证，该刀具首件加工尺寸在10.098 ～ 10.099 mm 范围内，可以连续稳定加工500件左右，保证了销孔尺寸稳定的同时，大幅节约了刀具更换及零件检测时间。

2.2 解决零件孔位位置度超差及切削量不均问题

在连杆1 和连杆2 的精密加工过程中，定位装夹的稳定性成为了一个突出的问题。具体表现在连杆2 的加工中，将成品零件放置在专用检具上进行测量时，发现标准销无法顺利插入对应的孔中，这表明孔的位置存在明显的偏差。此外，连杆左右两端控制尺寸的加工面厚度不稳定，波动范围较大，导致零件尺寸超差，不得不报废。进一步分析发现，连杆中部φ14 孔的一端安装面余量不足，而另一端面则加工过多，这不仅造成了材料浪费，还增加了后续加工的难度。这些问题的主要原因在于杆件较长，在安装过程中需要固定多个点，而员工在上紧过程中难以精确控制力度，容易导致工件被顶紧变形[3]。加工完成后，由于弹性形变，孔位偏差便显现出来。

为了解决这一问题，技术团队采取了一系列措施来提升夹具装夹的稳定性与可靠性。首先，我们技术团队固定压块进行了优化设计，将原有的长孔固定方式改为更为精确的孔和销定位方式，这样可以在很大程度上提高定位精度。同时，在易振动的部位增加了辅助支撑，以增强固定的稳定性，减少加工过程中的振动[4]。

2.3 优化丝锥异常断裂问题，提升加工效率

在连杆加工环节中，特别是在加工M6 和M8 螺纹时，原本使用的直槽高速钢直外冷丝锥在攻丝过程中频繁出现断刀现象。通过对断刀情况的详细分析，发现断刀多发生在攻丝完成后的反转退刀阶段，这说明断刀问题可能与机床转速和进给速度的不同步有关。为解决这一问题，技术团队采取了一系列技术改进措施。

首先，技术团队选用了新型号的丝锥，这些丝锥具备内冷功能，能够更有效地冷却切削区域，减少丝锥磨损。同时，技术团队提高了切削参数，并取消了攻丝过程中的反转退刀步骤，以减少丝锥在退刀时受到的冲击力。此外，技术团队对机床Z 轴丝杠的增益进行了精确补偿，以改善转速与进给速度的同步性，从而显著降低了断刀率。

技术团队还采用了带有伸缩刀柄的丝锥，并在加工中实现了平稳的退刀操作[5]。为了减少丝锥在刚性攻丝时受到的轴向力，技术团队引入了柔性浮动攻丝液压刀柄。这种刀柄利用金属弹簧实现了轴向和径向的补偿，有效减少了加工过程中的阻力。在传统的刚性攻丝中，由于丝锥柄部承受了过多的摩擦力和磨损，尤其是小直径丝锥，极易因此折断。而柔性攻丝刀柄的设计，使得丝锥在攻丝时能够适应微小的位置偏差，大大降低了断刀的风险。

通过实施这些措施，我们不仅提高了丝锥的使用寿命，还大幅提升了螺纹加工的稳定性和零件质量，从而减少了生产成本，提高了生产效率，为连杆加工的顺利进行提供了有力保障。

3 结束语

敞篷机构连杆作为一种薄壁细长杆件，其加工过程中的振动问题一直是影响加工质量的关键因素。在四轴卧式加工中心进行加工时，合理的工艺方案和工艺编排显得尤为关键。本文全面分析了毛坯设计、机床选择、夹具设计、刀具及参数选用、切削路径、工艺顺序和定位及夹紧方式等多个方面，确保了零件加工的精度和效率。针对加工中遇到的问题，本文提出了优化加工尺寸公差、改进铰刀结构、优化工装夹具等改进方案，并详细阐述了工艺优化的具体措施。通过实际验证，这些方案有效提升了敞篷机构连杆的加工质量，降低了制造成本，同时提高了加工效率，为敞篷机构连杆的高效、稳定加工提供了可靠的技术支持。

作者简介：甘培良，本科，助理工程师，研究方向为机械设计制造及自动化。