轉(zhuǎn)向節(jié)銑端面鉆中心孔復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)*

李春燕 王 斌

(鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇 鹽城224051)

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一，支承并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)向，承受多變沖擊載荷。首道工序加工以軸頸作為粗基準(zhǔn)，加工端面和中心孔，后續(xù)軸頸加工均以中心孔作為精基準(zhǔn)，滿足“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則［1］。銑端面和鉆中心孔通常在兩臺(tái)獨(dú)立的機(jī)床上分別完成，或者在車床上先銑軸端端面定長鉆中心孔，然后調(diào)頭鉆另一端中心孔［2］。現(xiàn)有技術(shù)方案都是以毛坯面作為粗基準(zhǔn)，工件重復(fù)定位裝夾，使得對(duì)中精度差，影響后續(xù)工序的加工質(zhì)量，工作量大，自動(dòng)化程度低。

為解決上述問題，利用組合機(jī)床多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)銑鉆復(fù)合機(jī)床，滿足加工要求，大幅提高生產(chǎn)效率。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)的加工要求

被加工零件為左右轉(zhuǎn)向節(jié)(被加工部位形狀、尺寸一致)，鍛件，毛坯重32 kg，材料42CrMo，熱處理硬度269～321HB，粗糙度6.3 μm。工序要求如圖1 所示，銑小軸頸端面，保持長度尺寸245.7 ±0.2 mm(加工余量:1. 7～8. 8 mm);鉆兩端中心孔A10/21.2GB145 -85，錐面深度尺寸9.7 mm，公差要求±0.05 mm，相當(dāng)于IT9～I(xiàn)T10 級(jí)公差，其他尺寸為未注公差。

轉(zhuǎn)向節(jié)由支承軸頸和叉架兩部分組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜不規(guī)則。本工序加工的難度在于銑鉆一次裝夾加工，小軸軸頸端面既是加工面又是定位面，叉架部分中心孔位于叉口內(nèi)部，距離較小，工藝裝備受限。

2 總體解決方案

2.1 方案分析

現(xiàn)有的銑鉆專用機(jī)床主要針對(duì)軸類工件，結(jié)構(gòu)簡單，精度要求低，設(shè)備大多沒有考慮排屑方便，自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)效率低。

文獻(xiàn)［3 -5］均設(shè)計(jì)了加工端面打中心孔的臥式雙面組合機(jī)床，分別用于普通軸、鐵路貨車用軸和汽車底盤直彎臂的加工，工件結(jié)構(gòu)規(guī)則，長度不同，定位容易。文獻(xiàn)［6］將變頻器用于加工火車車軸的銑打機(jī)床上，減小了表面粗糙度值，延長了中心鉆使用壽命。文獻(xiàn)［7］對(duì)銑鉆軸類工件的機(jī)床做了較大改進(jìn)，采用了斜導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排屑，斜面較大，夾具適合簡單軸類工件。

根據(jù)圖1 所示轉(zhuǎn)向節(jié)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求，考慮生產(chǎn)效率、自動(dòng)化、自動(dòng)排屑等要求，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一臺(tái)斜導(dǎo)軌銑端面鉆中心孔的復(fù)合機(jī)床，一次加工一個(gè)工件。

2.2 總體方案

斜導(dǎo)軌銑端面鉆中心孔復(fù)合機(jī)床如圖2 所示，包括機(jī)床工作示意圖和布局圖。底座1 含中間底座和側(cè)床身，中間底座上部為斜導(dǎo)軌，其上安裝移動(dòng)工作臺(tái)6，夾具5 可在移動(dòng)工作臺(tái)的帶動(dòng)下沿斜面自下而上，完成定位夾緊、銑削和鉆削等加工內(nèi)容，側(cè)床身自操作位按加工順序依次放置軸向定位裝置2、銑削裝置3和兩側(cè)鉆削裝置4，自動(dòng)排屑裝置7 安裝在遠(yuǎn)離操作位的位置，其中承裝切屑和冷卻液的箱體置于中間底座的空腔內(nèi)。

2.3 加工示意圖的編制

通常，銑鉆雙工位采用復(fù)合式刀盤，即銑刀盤中空布置鉆頭，這種方法銑刀盤直徑需大于200 mm，而轉(zhuǎn)向節(jié)軸端直徑僅60 mm，且叉架部分空間受限，對(duì)機(jī)床拓展不利，因此考慮將鉆銑刀具分開，滿足雙工位的加工要求。工件為鍛打件，余量不均勻，選用進(jìn)口重切削銑削刀具，單邊余量10～15 mm，刀具旋轉(zhuǎn)，工件移動(dòng)，不留刀痕，保證工件表面質(zhì)量。鉆孔采用高速鋼中心鉆，工件不動(dòng)，鉆頭進(jìn)給，一次性保證中心孔加工要求。銑鉆裝置由通用的銑削頭和鉆削頭改裝，選擇帶主軸氣密封的通用件，防止冷卻水進(jìn)入主軸軸承，避免生銹，采用伺服控制，保證加工過程自動(dòng)化。

切削用量見表1。移動(dòng)工作臺(tái)、軸端鉆削裝置和叉端鉆削裝置動(dòng)作及行程如圖3 所示。

表1 切削用量

2.4 機(jī)床工作流程

按照加工示意圖上設(shè)定的工作臺(tái)、鉆削頭的動(dòng)作循環(huán)，綜合各個(gè)部件的動(dòng)作要求，制定機(jī)床工作流程，設(shè)計(jì)電氣動(dòng)作循環(huán)圖(如圖4 所示)，利用控制系統(tǒng)完成自動(dòng)操作。

機(jī)械手上料后，工件放在初限位裝置上，軸向定位裝置的定位油缸伸出實(shí)現(xiàn)軸向定位，推靠油缸夾緊，然后利用夾具中的油缸帶動(dòng)上下傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行徑向定位夾緊，之后，軸向定位裝置中的定位油缸和夾緊油缸退回，工件完成安裝。然后由工件在移動(dòng)工作臺(tái)的帶動(dòng)下，由起始位快進(jìn)，至銑削位工進(jìn)，完成銑平面，工件快進(jìn)轉(zhuǎn)慢進(jìn)到鉆孔位停止。兩端的鉆削頭同時(shí)啟動(dòng)，經(jīng)快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)完成鉆孔。最后工件快退至原位，夾緊油缸松開，防護(hù)門打開，完成一次加工。

機(jī)床完成后實(shí)現(xiàn)單件工時(shí)1.5 min/件，機(jī)床生產(chǎn)率40 件/h，機(jī)床負(fù)荷率96%。

3 機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)

3.1 斜導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排屑

通常雙工位加工機(jī)床采用平導(dǎo)軌，操作距離大，易積屑，故將底座中的中間底座上端設(shè)計(jì)為斜面，且由周邊向內(nèi)傾斜，其上安裝滑臺(tái)，帶動(dòng)夾具和工件移動(dòng)更換工位?；_(tái)采用伺服控制，滾珠絲杠傳動(dòng)，重復(fù)定位精度達(dá)0.01 mm。在整機(jī)調(diào)試時(shí)，確定工件安裝位置作為零點(diǎn)，利用程序控制到達(dá)兩個(gè)工位。

切屑靠重力落下，沿預(yù)定軌道進(jìn)入排屑裝置，工件材料為42CrMo，銑削為片狀切屑，鉆削為絲狀切屑，故選用鏈板傳動(dòng)將切屑排出。冷卻排屑裝置包括箱體、輸送小車、安裝在箱體內(nèi)的油水分離器、液位計(jì)和冷卻泵等。箱體放在中間底座空腔內(nèi)，自然形成半封閉空間，保證切屑和冷卻液準(zhǔn)確地隨鏈板進(jìn)入自動(dòng)排屑器。

考慮到斜面角度影響兩頭中心距，角度大，則距離近，銑削頭和鉆削頭安裝不方便，故設(shè)定斜面角度為20°，不需要配重，簡化了夾具結(jié)構(gòu)，伺服電動(dòng)機(jī)不帶鎖死，利用抱閘電動(dòng)機(jī)定位，防止下滑。

3.2 夾具設(shè)計(jì)

銑端面鉆中心孔為轉(zhuǎn)向節(jié)加工的首道工序，選取不加工的大端端面作為軸向尺寸的粗基準(zhǔn)，小端軸頸作為徑向定位的粗基準(zhǔn)。夾具結(jié)構(gòu)如圖5 所示，包括初限位裝置、自定心裝置、軸向定位裝置和夾具體等。

轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)既有回轉(zhuǎn)軸類，又有叉類，重心不穩(wěn)，單獨(dú)采用軸作為定位夾緊基準(zhǔn)時(shí)，叉部會(huì)引起偏心，故設(shè)計(jì)初限位裝置進(jìn)行預(yù)定位，使工件初位置略低于最終位置。包括初兩個(gè)限位支架和兩個(gè)定位銷等。

為保證對(duì)心，采用最常見的雙短V 型塊的形式。如果將V 型塊豎直放置，位置固定，易與初限位裝置一起造成過定位。因此將V 型塊水平放置，且一端固定，另一端浮動(dòng)，可繞銷軸做一定角度范圍的旋轉(zhuǎn)，既保證定位準(zhǔn)確可靠，又可實(shí)現(xiàn)夾緊。自定心裝置的傳動(dòng)部分采用一個(gè)齒輪和兩根帶齒條的圓柱，結(jié)構(gòu)緊湊，離操作位置近，密封防塵，故障率低。

為解決軸端端面既是定位基準(zhǔn)又是加工表面的難題，設(shè)計(jì)了獨(dú)立的軸向定位裝置，待夾具夾緊后，移出工作空間。叉部不加工面作為軸向定位基準(zhǔn)，采用帶鎖死的定位油缸，安裝限位桿和限位塊。小端采用推靠油缸，與壓塊相連。兩個(gè)油缸配合動(dòng)作，對(duì)工件進(jìn)行軸向定位。

3.3 高速高效自動(dòng)化

機(jī)床的電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)動(dòng)作、銑削鉆削加工的全流程自動(dòng)化控制，可完成機(jī)床操作門的開關(guān)、工件的夾緊松開、夾具定位面的自動(dòng)清理、工件切屑、切削液自動(dòng)清理、切削冷卻系統(tǒng)和加工過程的聯(lián)動(dòng)和工件夾緊自動(dòng)檢測等自動(dòng)控制。

數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC-0i 系統(tǒng)，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式，同時(shí)預(yù)留用于自動(dòng)上、下料機(jī)器人的通訊接口，編制兩種模式下通信與控制的程序，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，機(jī)器人系統(tǒng)采用的是西門子S7 -317 -DP 型PLC 系統(tǒng)，Profibus 總線通信方式。系統(tǒng)具有中文操作界面的人機(jī)對(duì)話功能，彩色顯示器，配備手動(dòng)脈沖發(fā)生器及三色警示燈。機(jī)床電氣系統(tǒng)具有可靠的聯(lián)鎖保護(hù)，故障報(bào)警，故障自診斷，系統(tǒng)急停的功能，安全可靠。

4 結(jié)語

銑端面鉆中心孔復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)了適合具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的夾具，定位準(zhǔn)確，夾緊到位，工件在斜導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)工序換位，配備先進(jìn)工藝裝備和控制系統(tǒng)，全程自動(dòng)化操作，切屑和冷卻液自動(dòng)排出，工作效率高，使用效果良好，得到客戶的認(rèn)可。該機(jī)床可通過簡單改裝，用于加工軸類工件，銑雙端面和鉆中心孔，擴(kuò)展性好。

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