一種重型商用車轉向節(jié)機加工工藝路線制定

文／劉國偉·湖北神力鍛造有限責任公司

汽車轉向節(jié)是汽車轉向系統(tǒng)中的一個重要零件，是汽車前輪導向及承載部分的關鍵零件之一，它將方向盤轉動的角度有效地傳遞到汽車前輪上，實時控制汽車行進中的路線，從而保證汽車安全、準確無誤地運行。其軸部與前輪相連；叉架部的主銷孔，通過主銷與汽車前軸相連；此外，叉架部還與左、右轉向節(jié)臂相連，使汽車獲得正常的靈活轉向。轉向節(jié)上主銷孔的中心線與軸承頸中心線的垂線有一定的偏角，俗稱主銷內(nèi)傾角，其主要作用是使汽車轉向靈活方便，安全可靠。轉向節(jié)承受的作用力較復雜，既受到變載荷的彎曲變應力的作用，又承受一定的沖擊載荷和扭轉力矩，因此轉向節(jié)的材料需要有良好的機械強度和剛度。其幾何形狀比較復雜，需要加工的幾何形體比較多，各幾何表面之間位置精度要求較高，其加工精度的高低會影響到汽車運行中的轉向精度。

零件的結構特點和工藝分析

我公司承接的一種重型商用車轉向節(jié)，零件圖如圖1所示，材料為42CrMo，調(diào)質處理，硬度269～321HBW。

轉向節(jié)的結構是支承軸、凸緣盤和支架等零件結構的空間組合。支承軸部分的結構形狀為階梯軸，是由同軸的外圓柱面、圓錐面、螺紋面以及與軸心線垂直的軸肩、過渡圓角和端面組成的回轉體；凸緣盤部分包括凸緣面、均布的連接螺栓孔和轉向限位螺釘孔；支架部分是由轉向節(jié)的上、下耳和凸緣面構成的支架形體。轉向節(jié)由于其結構特征，決定了其特殊、復雜的加工工藝流程。

經(jīng)過我們認真分析后認為該零件的加工難點有以下幾個方面：⑴15-M16螺紋孔的位置度φ0.3mm；⑵上、下兩主銷孔的跳動量0.05mm；⑶上、下耳環(huán)內(nèi)端面相對主銷孔中心的垂直度0.05mm；⑷上耳環(huán)內(nèi)端面φ315/R4的加工；⑸下耳環(huán)φ81.6mm沉孔的加工；⑹法蘭端面環(huán)形槽的加工；⑺兩軸承頸的跳動量0.03mm及其圓度0.01mm。這幾個難點也是我們在進行工藝設計時需要重點考慮的地方。

毛坯的制造形式

根據(jù)該零件的產(chǎn)品設計和結構形式，毛坯生產(chǎn)廠家確定采用立式鍛造的方式生產(chǎn)該零件。對于轉向節(jié)，采用立式鍛造的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：⑴鍛件桿部直徑方向的尺寸比較穩(wěn)定，形狀也規(guī)整，比較適合于第一序銑端面打中心孔工序的定位，桿部加工余量也比較均勻；⑵法蘭面的叉架部位側無需拔模，因此可以不用加工，故可以直接打中心孔。

缺點：⑴桿部長度方向加工余量不穩(wěn)定，公差累積后，存在桿部端面和法蘭面端面加工余量大的問題；⑵叉架部位的上、下耳環(huán)端面，由于主銷內(nèi)傾角的存在，下端面為了便于拔模，拔模方向正好和加工后端面的傾斜方向相反，故加工余量大；⑶鍛件的錯差，直接影響到上、下耳環(huán)端面的加工余量的均勻性，嚴重的情況下會出現(xiàn)端面黑皮的現(xiàn)象。

工藝路線的制定

生產(chǎn)綱領和生產(chǎn)節(jié)拍

根據(jù)客戶需求和市場預測情況，確定年綱領為9萬件，三班制生產(chǎn)，工藝節(jié)拍為3.5min/件。

工序劃分

通過對零件的認真分析，我們對工序進行了如下劃分：銑端面打中心孔→粗車桿部外圓和法蘭端面→精車桿部外圓和法蘭端面→叉架部位銑凸臺、鉆孔、攻螺紋、鉸孔→法蘭部位鉆孔、攻絲→粗銑上下耳環(huán)端面→粗鉆主銷孔→精鏜主銷孔，銑內(nèi)端面→精磨桿部軸承頸→打刻標識、下線。

理由如下：⑴銑端面打中心孔是為后續(xù)桿部和法蘭端面的加工提供基準；叉架部位銑凸臺，鉆孔、攻螺紋、鉸孔是為了后續(xù)叉架部位其他尺寸的加工提供基準；⑵粗加工和精加工分開，如設置了粗車桿部外圓和法蘭端面、粗銑上下耳環(huán)端面、粗鉆主銷孔三個粗加工工序；⑶法蘭部位鉆孔、攻絲安排在其他工序前面，主要是考慮需加工的孔高達15個，絲錐容易折斷，產(chǎn)生廢品；而且螺紋孔的位置度精度要求較高，易出現(xiàn)不良品。從而避免其他工序加工后的浪費；⑷銑內(nèi)端面和精鏜主銷孔放在一個工序內(nèi)，主要考慮內(nèi)端面相對主銷孔中心的端面垂直度要求較高，放在一個工序內(nèi)，可以避免二次裝夾誤差，保證加工質量；⑸精磨桿部軸承頸，主要是考慮軸承頸精度要求很高，故將其排在后面，避免其他工序加工時對軸承頸產(chǎn)生磕碰傷。

定位基準的選擇

針對該零件，由于既有桿部的加工，又有叉架部位孔和平面的加工，結構比較復雜，加工部位較多，因此，加工不同的部位，需要選擇不同的基準：⑴在加工桿部時，不管是粗車、精車、精磨工序，我們均以桿部兩端的中心孔作為加工的基準，即桿部加工的精基準；⑵在加工作為桿部精基準的中心孔時，選擇桿部外圓作為粗基準，可以保證后續(xù)車、磨工序加工余量均勻；⑶加工叉架部位時，所有工序均選擇φ100mm軸頸、φ18mm孔及法蘭端面作為精基準，采用“一面雙銷”的定位方式。這樣各工序的基準就實現(xiàn)了統(tǒng)一，確保加工質量。

工藝方案及路線

設備選型方面，粗加工和精加工設備分開，關鍵工序選用加工中心等數(shù)控設備，部分工序選擇專機和通用設備，保證適當?shù)娜嵝?、生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質量，同時也可以避免加工過程中因疏忽而造成加工尺寸遺漏。

根據(jù)前述一些原則，結合我們工藝調(diào)研情況，確定了：⑴零件的加工工序；⑵滿足各工序要求的工藝設備（設備、夾具、刀具、量具等），對專用工藝裝備提出工藝設計任務書；⑶各工序的技術要求和檢驗方法；⑷各工序的加工余量、計算工序尺寸和公差；⑸切削用量；⑹時間定額。形成的最終工藝方案和路線如表1所示。

表1 最終工藝方案和路線

在生產(chǎn)綱領一定的情況下，我們確定建設一條生產(chǎn)線，故在提出專用機床的設備技術任務書時，我們要求該工序必須用一臺設備保證生產(chǎn)節(jié)拍的要求，這樣相對于兩條或多條生產(chǎn)線，可以大大減少設備的投入，節(jié)約了投資和成本。

此外，由于該零件毛坯重量為32kg，采用人工上下料勞動強度非常大，同時為了降低人工成本，我們提出了采用3臺行走機器人組成的自動物流線代替人工實現(xiàn)上下料和工序間工件的轉運。工藝設備平面布置如圖2所示。

圖2 工藝設備平面布置

工藝裝備的要求

⑴對機床夾具的要求。一是穩(wěn)定地保證工件的加工精度；二是提高機械加工的勞動生產(chǎn)率；三是結構件簡單，有良好的結構工藝性和勞動條件；四是應能降低工件的制造成本。簡而言之，設計夾具時必須保證加工質量、生產(chǎn)率、勞動條件和經(jīng)濟性等幾方面達到辯證的統(tǒng)一。其中保證加工質量是最基本的要求。

⑵對設備的特殊要求。由于生產(chǎn)線全新建設，設備全部為新增，為了統(tǒng)一美觀，對所有設備的外觀顏色和積屑小車提出了統(tǒng)一的要求；由于計劃采用機器人自動物流線進行上下料，對設備還提出了以下特殊要求：1）設備的控制系統(tǒng)須和自動上下料機械手或機器人的控制系統(tǒng)相互通訊，實現(xiàn)聯(lián)動，確保裝卸零部件和運行安全；2）配置可自動開、關的防護門，采用雙開“┓”敞開式結構，方便機器人更換零件；防護門裝有電氣聯(lián)鎖保護裝置及解除互鎖控制開關，并采用光電保護，光電信號同時傳輸?shù)綑C器人系統(tǒng)，以保證操作者和機器人的安全；3）機床可以實現(xiàn)自動和手動兩種模式工作；4）機床的控制系統(tǒng)應能自動實現(xiàn)機床操作門的開關、工件的夾緊松開、夾具定位面的自動清理等動作。

⑶刀具。對于刀具的選擇，盡量采用復合刀具，以提高加工效率，同時還要保證刀具消耗控制在目標范圍內(nèi)。

⑷量、檢具。轉向節(jié)軸頸磨削、主銷孔孔徑鏜削和軸承頸精車時采用自動在線測量，以確保關鍵尺寸的加工質量；普通尺寸采用通用量具（卡規(guī)、塞規(guī)、卡尺、內(nèi)徑量表、外徑千分尺等），形位公差采用CMM進行檢查。

⑸配套的自動物流線。生產(chǎn)線采用3臺行走機器人組成的自動物流線代替人工實現(xiàn)上下料和工序間工件的轉運。自動物流線由上下料平臺、中間轉運平臺、抽檢平臺、機器人導軌單元、機器人、機器人自動夾具單元、工件自動清理裝置、工件打刻標識設備、安全隔離護欄、安全防護系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、各類控制柜和控制系統(tǒng)等組成。

⑹控制、信息系統(tǒng)。由中央控制臺、機器人控制系統(tǒng)與所有設備進行通信的從站、網(wǎng)絡及軟件、自動統(tǒng)計、警示/報警/顯示以及安全防護系統(tǒng)等組成。機器人中央控制系統(tǒng)采用S7-317-2DP系列PLC，與各臺設備之間采用profibus總線通訊方式。

實施效果

生產(chǎn)線建成及投產(chǎn)后，經(jīng)過驗證，達到了工藝設計要求，產(chǎn)品質量符合技術要求，同時也為我公司自動化生產(chǎn)線建設積累了寶貴的經(jīng)驗。建成后的生產(chǎn)線如圖3所示。

圖3 建成后的生產(chǎn)線

在加工生產(chǎn)的過程中，采用立式鍛造方式生產(chǎn)的鍛件的優(yōu)缺點也得到了驗證。通過鍛造控制和加工時的調(diào)整，鍛件就能很好的滿足機加工要求。