汽车铝合金车轮一刀车夹具设计

孙洪胜 郭云松 李灵凤

(①燕山大学，河北秦皇岛066004；②沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110807)

铝合金车轮由于具有重量轻、散热好、平衡性能优良等显著的行驶性能，加之外观精美大气、造型丰富多样等优点，已经在轿车、轻型客车等乘用车范畴内成为客户首选，并占有绝对的市场领先地位。即使在客车、卡车等商用车范畴内，铝合金车轮也持续发力，且后来居上，逐渐取代部分商用车的传统钢制车轮。甚至在高铁、军工、航空领域，性能卓越的铝合金车轮也正在突破一个又一个技术难题，并取得显著成果。

1 铝合金车轮的接刀棱及其产生原因

铝合金车轮是按照铝锭熔炼、毛坯铸造、机械加工、喷涂、成品包装等工艺流程进行制造的。在机械加工阶段，一般又分为三道工序，国内一般称之为机加一序、机加二序、机加三序，也有称之为一工程、二工程、三工程的。三道工序的顺序并没有严格规定，或者稍有交叉，但大同小异。下面简介如下。

(1)机加一序。如图1所示，在数控车床上，使用一序专用夹具，将毛坯定位、夹紧，接着按照工步A1→A2、B1→B2、C1→C2的走刀轨迹，进行车削加工。

(2)机加二序。如图2所示，在数控车床上，使用二序专用夹具，将毛坯调头定位、夹紧，接着按照工步D1→D2、E1→E2的走刀轨迹，进行车削加工。

(3)机加三序。如图3所示，在加工中心上，使用三序专用夹具，将毛坯定位、夹紧，接着分别钻削螺栓孔、气门孔、装饰孔等。

根据以上工艺路线，不难看出，铝合金车轮的外轮辋部位是由机加一序的工步A1→A2和机加二序的工步D1→D2组合而成的，是分别在两台机床上加工的。

在铝合金轮毂的整个金属切削过程中，加工变形是不可避免的，同时，由于存在二次装夹造成的定位误差，于是，在几乎所有的机加成品中，都有图4所示的接刀痕迹(台阶)，行业内称之为“接刀棱”。接刀棱的存在，一般会导致车轮径向跳动不好、轮辋壁厚不均匀、局部尺寸超差、动平衡不好等质量缺陷。

在上述的走刀轨迹中，接刀棱是不可避免的，虽然有各种整改措施，但仍无法根本杜绝。对于常规的乘用车和商用车来说，接刀棱的存在并不会对车轮质量、整车性能带来过多的影响。因此，在保证车轮性能指标的前提下，汽车厂也认可接刀棱的存在，并给出具体的接收指标。

2 一刀车夹具的结构组成

但是对于高端客户或者其他有特殊技术指标要求的客户来说，就不允许接刀棱的存在了。如高速行驶、极度轻量化的赛车，轮辋壁厚很薄的高端乘用车，特殊要求的军用车辆等，这就要求在机械加工过程中，必须根治接刀棱。

理论上，使用前述的车床夹具，是无论如何也不能根除接刀棱的，其根本原因就是因为夹具的夹紧位置限制了车刀走刀轨迹。

为了解决接刀棱的问题，设计了一种一刀车夹具，如图5所示。该夹具端面定位环15和弹性涨套13固定在底座1上，起到为车轮提供端面(轴向)和径向定位的作用，弹性涨套13上端开口呈圆锥形，和锥形拉杆14头部吻合，锥形拉杆14下端和联结套3固定在一起，防转销12安装在15上，起到带动车轮转动的作用，气密胶圈11安装在端面定位环15和底座1中间，形成气密检测回路，上盘10和下盘7通过螺钉6组合在一起，然后用螺栓5与底座1联结，在外缘部位形成内、外两个环形回路，内侧回路安放钢珠8，外侧回路安放橡胶环9。

铝合金车轮一刀车夹具结构组成和特点如下。

(1)弹性涨紧部分。包含弹性涨套13、锥形拉杆14，和常规的芯轴定位方式不同，弹性涨套能够根据车轮中心孔直径的大小自动涨紧，彻底消除中心孔径向定位部分的定位误差，使车轮的径向跳动更小。

(2)定位检测部分。如图5、图6所示，在底座圆筒部位、端面定位环内部，预先制作了通气孔，形成气路，将压缩空气从主轴鼻端引流到底座部分，并最终引导到端面定位环上表面。如果车轮定位不好、车轮放置不正、车轮法兰面翘起，此时压缩空气会从气孔泄漏。只有当气孔被车轮法兰面贴平时，法兰面堵住气孔，使压缩空气不泄漏，机床才会正常工作。

(3)辅助支撑部分。为了避免车削过程中产生震刀、让刀和切削变形，在夹具中间部位，设置了辅助支撑部分，即上盘、下盘、钢珠、橡胶环组合。当机床主轴高速旋转时，在离心力的作用下，钢珠向外侧滑动，并挤压橡胶环9，使橡胶环9顶住车轮17下缘内侧，给车轮提供内部支撑。

3 一刀车夹具的工作模式

工作之前，先将底座1用螺栓2联结在数控车床的主轴101鼻端上，并用锁紧螺钉4把联结套3和数控车床的主轴拉杆102联结在一起，这样就可以正常工作了(图6)。

工作时，首先安放待加工车轮工件17。此时，需要确保工件17法兰面和端面定位环15接触、贴平，如果贴不平，泄气孔会漏气，触发机床报警；同时，防转销12需要插入到任意一个螺栓孔中。然后，锥形拉杆14在主轴拉杆102的作用下向下运行，并将弹性涨套13向外涨开，从而撑在工件中心孔部位，起到径向定位和夹紧的作用。至此，工件的定位、夹紧工作基本完成。

然后启动数控车床，数控车床主轴旋转，并带动底座1旋转，相应的，安放在上盘10和下盘7外缘部位的钢珠8，在离心力的作用下，向外侧滑动，并挤压橡胶环9，使橡胶环9顶住车轮17下缘内侧，给车轮提供内部支撑。

此时，就可以进行车削加工了，X1→X2即为车刀的走刀轨迹。由图6可以看出，车轮的外轮辋部位再也没有夹具干涉了，可以由一把车刀连续加工而成了，因此，就不会出现接刀棱了。

4 结语

按照常规的加工工艺，接刀棱是不可避免的。这制约了铝合金车轮品质的提高，也或多或少地降低了产品的合格率。本文根据铝合金车轮的加工特点，设计的一刀车专用夹具，具有减震效果良好、装夹可靠、定位误差小等优点。图7即为现场使用实景，现场使用证明，该夹具能彻底消除接刀棱的困惑。