臥式雙工位車軸加工數(shù)控鏜床設(shè)計(jì)

霍蘇萍

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 三門峽 472000)

臥式雙工位車軸加工數(shù)控鏜床設(shè)計(jì)

霍蘇萍

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 三門峽 472000)

針對車軸加工技術(shù)要求，提出了采用專用組合機(jī)床加工車軸的工藝方案。設(shè)計(jì)了用于車軸軸頭銑端面、鉆鏜孔及倒角的自動(dòng)加工專用數(shù)控鏜床。分析了機(jī)床的工作循環(huán)，并對機(jī)床的雙主軸箱動(dòng)力部件、液壓夾緊裝置、軸向檢測裝置進(jìn)行重點(diǎn)闡述。機(jī)床采用在線檢測裝置，加工柔性化，適用于大批量自動(dòng)化加工，有效地提高了車軸軸頭加工的精度和效率。

臥式雙工位；車軸加工；數(shù)控鏜床

0 引言

車軸是車體上較復(fù)雜的重要關(guān)鍵部件，通過懸架和車架(或承載式車身)相連，傳遞車架(或承載式車身)與車輪之間各方向作用力，起著承載、行駛、制動(dòng)功能。分整體式車軸和焊接式車軸，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件惡劣，加工精度直接影響整車行駛的可靠性和安全性。目前，車軸生產(chǎn)為專業(yè)化大批量加工，若采用通用數(shù)控機(jī)床、普通車床、磨床等設(shè)備加工，存在多次裝夾定位、加工工序多、節(jié)拍長，同軸度難以保證，加工效率低等弊端。如何改進(jìn)車軸的加工工藝、提高加工精度和效率，是車軸生產(chǎn)企業(yè)面臨的技術(shù)問題。針對專業(yè)化車軸生產(chǎn)企業(yè)的需求，開發(fā)了車軸加工一系列組合機(jī)床。臥式雙工位車軸加工數(shù)控鏜床是成組專用機(jī)床中用于車軸軸頭加工的組合機(jī)床，該機(jī)床在車軸加工中主要完成車軸軸頭端面銑削、擴(kuò)孔、鏜孔及倒角的自動(dòng)化加工。機(jī)床采用雙工位雙主軸設(shè)計(jì)，一次裝夾，雙動(dòng)力頭依次進(jìn)行加工，縮短了加工時(shí)間，有效地提高了車軸軸頭加工的精度和效率。經(jīng)多次試加工，技術(shù)指標(biāo)和生產(chǎn)效率完全達(dá)到需求，適用于大批量的自動(dòng)化加工[1]。

1 車軸零件工藝要求

圖1所示為某整體式車軸零件圖，材料為20Mn2，為典型的空心長軸類零件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工序多；軸頸、軸體兩端內(nèi)孔的尺寸精度和同軸度要求高，軸體兩端要求對稱制作。兩端軸頸同軸度為0.05，圓跳動(dòng)0.03，全跳動(dòng)0.3。

圖1中，車軸軸頭加工的工序是為后序的軸頸加工提供精基準(zhǔn)，保障軸頸加工的同軸度和軸頭鏜孔后軸頸部內(nèi)壁壁厚均勻，否則，在車輛行駛中會(huì)引起車軸受力不均，偏磨，甚至引起車軸斷裂。

整體車軸軸頭傳統(tǒng)加工方法是采用加長臥車加工或兩工位的數(shù)控車床，中間用中心架提高工件剛性，這兩種方法均需掉頭加工，且車軸表面架中心架部位需先車中心架支撐基準(zhǔn)，存在工序多、加工工藝效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。

針對車軸加工技術(shù)要求，遵循技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、提高效率的原則，對車軸加工工藝改進(jìn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了成組專用機(jī)床，改進(jìn)后車軸加工工藝為:采用車軸兩端雙面同時(shí)加工，車軸一次安裝即可完成軸頭兩端的端面銑削、擴(kuò)孔、鏜孔及倒角，采用數(shù)控技術(shù)，有效的保證車軸加工的同軸度和圓跳動(dòng)等技術(shù)要求。

圖1 車軸零件圖

2 機(jī)床配置、主要參數(shù)與工作循環(huán)

2.1 機(jī)床配置

機(jī)床采用臥式雙工位、雙主軸結(jié)構(gòu)布局，即在一個(gè)主軸箱里面安裝有兩套主軸，其中一套主軸加工車軸的端面和內(nèi)孔，另外一套主軸精鏜車軸的內(nèi)孔及倒角，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。機(jī)床配置2個(gè)動(dòng)力鏜削頭，采用雙動(dòng)力頭兩側(cè)同時(shí)加工方式，兩動(dòng)力頭分別由兩套雙主軸動(dòng)力頭及其傳動(dòng)裝置組成，主軸采用變頻電機(jī)調(diào)速。2套專用液壓自定心夾具，2個(gè)數(shù)控滑臺(tái)，通過數(shù)控滑臺(tái)調(diào)整專用夾具的距離，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格品種車軸的加工。為保證不同規(guī)格車軸加工精度和尺寸的一致性，機(jī)床設(shè)計(jì)了軸向檢測裝置，加工定位時(shí)對車軸軸向位置進(jìn)行檢測，依據(jù)檢測結(jié)果自動(dòng)計(jì)算與設(shè)定值的差值，并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，來保證加工尺寸的一致性。機(jī)床采用封閉式防護(hù)，管路布局合理整齊，集屑箱配高壓氣槍，排屑方便。潤滑系統(tǒng)采用自動(dòng)潤滑裝置，數(shù)控十字滑臺(tái)導(dǎo)軌采用VERSAⅢ型南京貝奇爾集中潤滑裝置，定時(shí)定量供油，對導(dǎo)軌等自動(dòng)供油潤滑[3]。

1.變速箱 2.鏜削頭 3.測量裝置 4.輔助夾緊裝置 5.車軸 6.主夾緊裝置 7.數(shù)控滑臺(tái) 8.床身 9.擴(kuò)孔、銑端面刀輔具 10.鏜孔、倒角刀輔具圖2 機(jī)床布局結(jié)構(gòu)圖

2.2 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)：

數(shù)控十字滑臺(tái)：縱向最大行程500mm；橫向最大行程：420mm；

最大加工長度：2500mm；

鏜頭行程：縱向630mm，橫向220mm；

縱橫向快移速度：10mm/min；

主軸中心高：1200 mm；

主電機(jī)功率及型號：7.5kW；變頻電機(jī)：UABP-132S-4-50-5.5-B5；

數(shù)控十字滑臺(tái)集中潤滑裝置： 南京貝奇爾VERSAⅢ-18221A-1C；

主機(jī)外觀尺寸:長×寬×高(mm)：5600×1825×2100；

數(shù)控系統(tǒng)：三菱64SL；

液壓滑臺(tái)最大行程：400mm。

2.3 機(jī)床工作循環(huán)

工件定位安裝后，兩側(cè)動(dòng)力頭行程由數(shù)控系統(tǒng)控制同時(shí)徑向進(jìn)給，經(jīng)軸向檢測裝置檢測，計(jì)算補(bǔ)償值后，首先進(jìn)行銑端面和鉆孔加工，然后進(jìn)行粗、精鏜孔并倒角的加工。機(jī)床加工工序圖如圖3所示。

機(jī)床工作循環(huán)：上料—工件定位并夾緊—主軸啟動(dòng)—左右數(shù)控滑臺(tái)同時(shí)縱、橫向快進(jìn)至1工位待加工位置—數(shù)控滑臺(tái)工進(jìn)至工件中心線(銑端面)—左右十字滑臺(tái)縱向工進(jìn)，進(jìn)行內(nèi)孔擴(kuò)孔加工；左右十字滑臺(tái)縱向快退—縱、橫向快進(jìn)到2工位—縱向工進(jìn)進(jìn)行鏜孔、倒角—左右十字滑臺(tái)縱快退—橫向快退回原位—主軸?！鲓A緊點(diǎn)松開—人工下料。同時(shí)安裝一個(gè)新工件，機(jī)床進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)狀態(tài)。

1.測量頭 2、4、6.車軸 3. 銑端面、擴(kuò)孔刀輔具 5.鏜孔、倒角刀輔具圖3 機(jī)床加工工序圖

3 機(jī)床關(guān)鍵部件選型及設(shè)計(jì)

3.1 雙主軸箱動(dòng)力部件

機(jī)床采用雙動(dòng)力頭兩側(cè)同時(shí)加工方式，機(jī)床雙主軸主軸箱技術(shù)要求主要滿足兩個(gè)方面,一是同軸度的要求，二是雙主軸的同步旋轉(zhuǎn)和主軸定向可調(diào)，機(jī)床主軸箱及主軸組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。雙主軸箱采用對稱的結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)完全獨(dú)立，2套動(dòng)力頭分別由2套雙主軸動(dòng)力頭及其傳動(dòng)裝置組成，電動(dòng)機(jī)采用變頻電機(jī)，通過變速箱帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。銑削和鏜削傳動(dòng)比分別為1：3、1：2，這樣既可以滿足銑削時(shí)的低速加工，又可以滿足鏜削時(shí)的高速加工。采用變頻電動(dòng)機(jī)為適應(yīng)加工工件線速度變化。

1.主軸箱 2.主軸 3.封油環(huán) 4.壓蓋 5.軸承蓋 6.軸承 7.注油杯 8.隔套 9.套 10.套 11. 徑向鎖緊螺母 12.蓋板 13.軸承 14.15封油環(huán) 16.蓋 17.套 18.徑向鎖緊螺母圖4 主軸箱及主軸組件結(jié)構(gòu)

圖5 雙主軸

主軸箱采用雙主軸復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主傳動(dòng)分兩路分別傳遞至鉆銑主軸和鏜孔主軸，如圖5所示。機(jī)床鏜削動(dòng)力頭采用通用部件 1TA 系列，實(shí)現(xiàn)鏜孔后同時(shí)倒角，設(shè)備安裝了用于倒角的專用組合鏜頭，在鏜頭桿前端分別安裝用于粗、精鏜2把鏜頭，在鏜頭桿中部安裝用于倒角的倒角刀塊。2鏜刀塊在軸向及徑向相互錯(cuò)開，形成階梯，使粗、精鏜削加工中減少單刃切削加工余量，降低切削力和振動(dòng)；并且2鏜刀塊在軸向及徑向都設(shè)置有微調(diào)裝置，加工中可以根據(jù)切削余量對鏜刀塊軸向和徑向單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高加工精度[4]。

3.2 液壓夾緊裝置

針對車軸零件在本工序加工為鍛件毛坯的特點(diǎn)，機(jī)床設(shè)計(jì)了毛坯自定心修正和輔助夾緊相結(jié)合的夾緊機(jī)構(gòu)。采用毛坯多點(diǎn)夾緊、自鎖且不干涉，保證機(jī)床粗加工有足夠的夾緊力，同時(shí)減小精加工的變形。夾緊機(jī)構(gòu)由主夾緊機(jī)構(gòu)、輔助夾緊機(jī)構(gòu)和輔助支撐機(jī)構(gòu)三部分組成。主夾緊機(jī)構(gòu)為自定心夾緊裝置，由液壓油缸帶動(dòng)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)兩夾爪的同步動(dòng)作，夾緊準(zhǔn)確可靠。輔助夾緊機(jī)構(gòu)夾緊軸頭，以減小銑削時(shí)工件的振動(dòng)，保證工件的位置精度和重復(fù)定位精度，工件定位圖如圖6所示。輔助支撐機(jī)構(gòu)，由四對軸承支撐工件，便于工件的軸向移動(dòng)，使工件軸向移動(dòng)更加方便、輕快。主夾緊機(jī)構(gòu)兩夾爪可以實(shí)現(xiàn)在夾具小滑板上軸向調(diào)整，在專用十字滑板的下導(dǎo)軌體上安裝夾具調(diào)整滑板，通過Z向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)工件長度的變化精確的調(diào)整夾具滑板的位置，以適應(yīng)不同軸頭的加工，提高了組合機(jī)床的柔性化[5]。

1、5.自定心夾緊裝置 2.車軸 3.中間支撐夾緊裝置 4.端部支撐裝置圖6 工件定位圖

3.3 軸向檢測裝置

機(jī)床設(shè)計(jì)2套軸向檢測裝置。左右兩端同時(shí)進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)工裝夾具和零件的裝夾找正、零件編程原點(diǎn)的設(shè)定，對工件軸向位置在線檢測，根據(jù)檢測結(jié)果自動(dòng)計(jì)算出與目標(biāo)值的差值，并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，來保證批量加工工件尺寸的一致性。軸向檢測裝置如圖7所示。

1.支撐臂 2.螺桿 3.橡膠套 4.有線通訊側(cè)頭 5.車軸 6.浮動(dòng)銷 7.支撐座 8.墊板圖7 軸向檢測裝置示意圖

測頭采用紅外編碼信號通訊，車軸軸頭加工粗對刀完成后，側(cè)頭自動(dòng)測量油封位端面，當(dāng)測頭發(fā)訊后探測到的數(shù)據(jù)通過數(shù)控系統(tǒng)來修正相應(yīng)的刀補(bǔ)值。檢測裝置工作過程為：首先測頭支撐臂旋轉(zhuǎn)90°，至水平位置，測頭與被測基準(zhǔn)面面即油封位端面平行，然后縱向移動(dòng)十字滑臺(tái)，由快—慢—碰撞油封端面(測頭觸發(fā))；測頭觸發(fā)時(shí)，側(cè)頭控制器通過通信電纜輸送到數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床根據(jù)檢測結(jié)果自動(dòng)計(jì)算出與目標(biāo)值的差值，并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，十字滑臺(tái)退回原位，測頭支撐臂旋轉(zhuǎn)90°抬起。機(jī)床左右十字滑臺(tái)的軸向檢測裝置同時(shí)進(jìn)行測試，保證批量加工工件尺寸的一致性[6]。軸向檢測裝置的應(yīng)用，擴(kuò)展數(shù)控機(jī)床功能，解決常規(guī)測量無法解決的問題，同時(shí)改善數(shù)控機(jī)床性能，提高數(shù)控機(jī)床效率[7]。

4 機(jī)床運(yùn)行調(diào)試

機(jī)床安裝調(diào)試后，檢測機(jī)床的幾何精度完全合格，重點(diǎn)對軸線的定位精度、軸線的重復(fù)定位精度、主軸內(nèi)定心直徑的徑向跳動(dòng)、主軸外定心直徑的徑向跳動(dòng)、兩端主軸的同軸度、兩端主軸與夾具的同軸度等進(jìn)行檢測。機(jī)床的工作精度驗(yàn)收時(shí)加工工序、切削參數(shù)見表2。連續(xù)加工工件30件，到企業(yè)安裝調(diào)試后，驗(yàn)收終檢連續(xù)多天加工100件，檢測結(jié)果：軸頭加工精度均達(dá)到了技術(shù)要求，且本工序加工時(shí)間(含裝夾、測量)僅為3.5min，比車軸生產(chǎn)企業(yè)要求的生產(chǎn)節(jié)拍不低于4～5 min，節(jié)約了0.5～1.5 min，有效保證軸頭加工質(zhì)量的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率[8]。

表2 機(jī)床工作精度測試切削參數(shù)

5 結(jié)束語

該產(chǎn)品已交付用戶使用，性能可靠穩(wěn)定，完全滿足用戶要求。通過批量加工實(shí)驗(yàn)，本工序加工節(jié)拍僅為3.5min，比采用原有工藝方案加工節(jié)拍12min縮短了8.5min，經(jīng)濟(jì)效益顯著。機(jī)床可進(jìn)行不同規(guī)格品種車軸的加工，實(shí)現(xiàn)了車軸軸頭加工的自動(dòng)化和柔性化，為國內(nèi)車軸專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)提供了新型高效加工設(shè)備[10]。

[1] 高桂華.精銑缸體前后端面組合機(jī)床設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2011(10):109-112.

[2] 大連組合機(jī)床研究所.組合機(jī)床設(shè)計(jì)[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社,1975.

[3] 李洪.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1999.

[4] 吳天培.高級鏜工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

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[9] 陳桂芳.轉(zhuǎn)向節(jié)專用數(shù)控車床的設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2010(12):90-94.

[10] 馬維新,王麗.CKS7815 型雙主軸數(shù)控車床的設(shè)計(jì)制造[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2010(2)：72-74.

(編輯 李秀敏)

The NC Boring Machine Design of Horizontal Double Station on Axle Processing

HUO Su-ping

(Department of electrical and Mechanical Engineering, Sanmenxia Polytechnic, Sanmenxia Henan 472000,China)

the special combination machine on axle machining technology are proposed to meet processing technical requirements on the axle. milling face, hole and chamfering on shaft head are processed by the special combination machine. Work cycle of the machine are analyzed, and power components of the dual spindle box, clamping device on hydraulic, axial detection device are emphatically illustrated. Due to flexibility and using on-line detection device, the machine is suitable for mass processing automation, and effectively improve the efficiency and precision of the shaft head processing.

horizontal double station; axle processing; NC boring machine

1001-2265(2014)07-0129-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.037

2013-07-10；

2014-02-11

霍蘇萍(1965—)，女，河南陜縣人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的研究與教學(xué)，(E-mail)1098699341@qq.com。

TH122；TG65

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