剎車盤機床加工工藝研究及生產(chǎn)線規(guī)劃

劉 妍

（沈陽優(yōu)尼斯智能裝備有限公司，遼寧 沈陽 110142）

中國作為世界最大金屬切削機床消費國和進口國，各類機床產(chǎn)品年產(chǎn)銷量在80萬臺左右，應(yīng)用范圍基本涵蓋了航空航天、汽車、軍工、工程機械以及紡織等全部制造行業(yè)。在眾多的制造行業(yè)中，汽車行業(yè)無疑是機床需求量最大的行業(yè)之一，在步入21世紀(jì)后，汽車銷量直線上升，尤其是對于國內(nèi)的需求暴增，呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長的態(tài)勢，同時行業(yè)內(nèi)對機床的需求量也逐年提高。我國的剎車盤加工產(chǎn)業(yè)主要集中在山東、河北以及山西等省份，對內(nèi)循環(huán)的車企較多，為中國第一汽車集團、上海汽車集團以及東風(fēng)汽車等公司提供穩(wěn)定的貨源[1]。同時還出口至外企。隨著行業(yè)的快速發(fā)展，對于產(chǎn)量的需求逐年提升，剎車盤的加工環(huán)境較為惡劣，同時工人的勞動強度較大[2]，為了有效地提升工人的工作效率，最大限度地降低工人的勞動強度，該文通過自動化的生產(chǎn)技術(shù)實現(xiàn)機床的自動加工。機床自動加工技術(shù)也逐漸成為了眾多企業(yè)首選的加工方法。該文針對生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品線的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)措施進行相應(yīng)的綜述。綜述了剎車盤加工制造的工作原理、制造特點和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了不同剎車盤生產(chǎn)線的加工工藝和應(yīng)用形式的優(yōu)缺點。

1 剎車盤機加行業(yè)概況

剎車盤是汽車剎車制動裝置的重要組成零件，隨著汽車輪胎一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)汽車剎車時，制動卡鉗夾住剎車盤而產(chǎn)生制動力，從而使汽車減速或停止[3]。在一般的車型中，每臺乘用車通常有2幅共計4個剎車盤。

1.1 行業(yè)情況

進入21世紀(jì)第二個10年，隨著中國國力的增強，人民生活水平的持續(xù)提高，我國新乘用車年產(chǎn)銷量均在2 400萬臺左右，為新車配套的底盤傳動系統(tǒng)總成需求量即達到2 400萬套以上。而剎車制動裝置使用率高，剎車盤也逐漸成為汽車汰換率最高的零件。中國是世界范圍內(nèi)汽車售后市場零部件的主要生產(chǎn)國，剎車盤售后市場生產(chǎn)量占全世界售后市場的60%[4]。每輛車4個剎車盤，結(jié)合我國新車年產(chǎn)銷量和售后市場需求量，計算出我國剎車盤的年加工量約為1.6億個。因為龐大規(guī)模的剎車盤需要大規(guī)模的數(shù)控車床進行加工，所以保證高質(zhì)量和高效率是剎車盤制造行業(yè)的需求。

1.2 加工要求及難點

剎車盤是盤式制動器的摩擦件，除了應(yīng)該具有構(gòu)件所需要的強度和剛度外，還應(yīng)有盡可能高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，以及適當(dāng)?shù)哪湍バ浴⒛蜔嵝?、散熱性和熱容量等。為了提高安全系?shù)以及制動裝置的壽命，在對剎車盤進行加工的過程中，需要保證剎車盤兩側(cè)夾持面平面度小于0.01 mm，表面粗糙度小于1.6。由于剎車盤工件的剎車區(qū)域制動面多為薄壁零件盤面，因此在加工的過程中采用原始單刀加工方式容易對薄壁位置產(chǎn)生損傷。傳統(tǒng)的數(shù)控車床加工方式難以滿足完全高精度的加工要求。出現(xiàn)該問題必須增加修復(fù)或磨花工序，這就嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 剎車盤專機

剎車盤是汽車制動系統(tǒng)當(dāng)中的核心組件，通過安裝在汽車車輪當(dāng)中，有效地將液壓系統(tǒng)中的壓力施加到制動鉗上，通過摩擦片和車輪轉(zhuǎn)動中的剎車盤進行劇烈摩擦進而實現(xiàn)車輪的降速，最終達到降速的目的。為了保證降速的舒適性，剎車盤的制動要保持穩(wěn)定和無抖動的特性，保證剎車盤的表面厚度均勻，同時對剎車面的跳動度、平行度以及表面的粗糙度具有特殊的要求。依據(jù)不同的構(gòu)造形式，剎車盤的表面可以分為單面盤、雙面盤、高性能盤、軸承盤以及輪轂盤等[5]。為了解決加工難點點而設(shè)計的剎車盤專機，是一種采用伺服雙刀加工結(jié)構(gòu)的加工剎車盤的專用機床，其改變了對剎車盤車序的加工方式，極大地提高了加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

2.1 技術(shù)特點

該專機結(jié)構(gòu)通過數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)加工軸的同時及分時進給方式，實現(xiàn)對剎車盤盤面制動面位置的同時加工，保證兩側(cè)夾持面的平行度，更好地保證厚度尺寸。兩側(cè)面同時加工，也使該工序的加工效率提升了1倍，減少換刀，也縮短了機加輔助時間，進一步提升了加工效率和產(chǎn)量。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

專機具體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，包括底座，在底座工作端面上固定連接了設(shè)有夾具的主軸，底座側(cè)端面連接立柱，立柱上滑動連接Z軸進給系統(tǒng)，Z軸進給系統(tǒng)負(fù)責(zé)大滑板的升降進給，大滑板上滑動連接X軸進給系統(tǒng)，X軸進給系統(tǒng)負(fù)責(zé)小滑板的左右進給，小滑板右側(cè)連接伺服刀架，小滑板左側(cè)立面連接輔助軸機構(gòu)，伺服刀架朝向底座上端面的一側(cè)連接夾刀刀座，在夾刀刀座上裝夾有刀具I，輔助軸機構(gòu)上裝夾連接刀具II，刀具I和刀具II工作端面在同一水平面。

輔助軸機構(gòu)如圖1（b）所示，其結(jié)構(gòu)為基座與小滑板固定連接，基座另一端面滑動連接輔助滑板，輔助滑板下方通過螺栓固定連接輔助刀夾，輔助滑板上連接伺服電機，伺服電機通過滾珠絲杠與輔助滑板連接?；嗣嬖O(shè)有滾珠導(dǎo)軌，輔助滑板與滾珠導(dǎo)軌滑動連接。輔助刀夾夾持刀具II處設(shè)有調(diào)整墊。

圖1 主機結(jié)構(gòu)示意圖1

輔助軸機構(gòu)與伺服刀架共同安裝在小滑板上，小滑板安裝在大滑板上，并通過X軸進給系統(tǒng)沿X軸方向上移動，達到橫向加工的目的。大滑板安裝在立柱上，通過Z軸進給系統(tǒng)使大滑板及其上方所安裝的組件共同沿Z向移動。Z軸進給系統(tǒng)、X軸進給系統(tǒng)及輔助軸機構(gòu)都安裝了伺服電機進行驅(qū)動，通過機床的數(shù)控系統(tǒng)控制，伺服電機內(nèi)置編碼器反饋，實時檢測位置和速度。

輔助軸機構(gòu)包括基座、滾珠導(dǎo)軌、伺服電機、輔助滑板、輔助刀夾、滾珠絲杠以及調(diào)整墊。通過機床的數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電機驅(qū)動直聯(lián)絲杠拖動輔助滑板升降，輔助刀夾把合于輔助滑板底部，從而調(diào)整適合不同盤面厚度的尺寸。調(diào)整墊將刀具的基準(zhǔn)面調(diào)整至統(tǒng)一截面內(nèi)，更加有利于平衡切削過程中的切削力。

同時如圖2所示，Z軸進給系統(tǒng)和X軸進給系統(tǒng)控制伺服刀架移動至剎車盤盤面下方的目標(biāo)位置，完成刀架刀具與下盤面的對刀，系統(tǒng)控制伺服電機驅(qū)動直聯(lián)絲杠，使輔助刀夾升降至剎車盤盤面上方目標(biāo)尺寸位置，完成輔助刀具與上盤面的對刀，系統(tǒng)控制X軸進給系統(tǒng)拖動小滑板橫向移動，完成對剎車盤上下盤面的同時切削。當(dāng)?shù)毒逫 發(fā)生磨損時，可通過系統(tǒng)控制Z軸進給系統(tǒng)進行刀具補償，同時應(yīng)對刀具II 進行相應(yīng)的刀具補償，以保證Z軸移動后的位置變化。當(dāng)?shù)毒逫I 發(fā)生磨損時，僅需要針對伺服電機輸入刀具補償指令即可。在完成加工后，首先系統(tǒng)編程控制伺服電機驅(qū)動直聯(lián)絲杠，使輔助刀夾升起，Z軸進給系統(tǒng)拖動伺服刀架下降，X軸進給系統(tǒng)拖動小滑板帶動伺服刀架及輔助軸機構(gòu)橫向移動完成退刀。

在最初的加工進程中，需要保證剎車盤的內(nèi)外元端進行連接。在汽車實際的運行進程中，在剎車過程中會有大量顆粒物的生成，鉆孔能夠有效地將顆粒物粉塵進行及時疏散。這就對于機床的加工環(huán)節(jié)提出了新的要求，在加工節(jié)點處需要安裝輔助的鉆孔措施，這個制作進程中需要機床保持良好的防護狀態(tài)以及潤滑狀態(tài)。能夠在高速的大扭轉(zhuǎn)的運行進程中保持高速穩(wěn)定地運行，進而保證機床的剛度和精度。

3 剎車盤生產(chǎn)線設(shè)計

3.1 臥式車床加工生產(chǎn)線

剎車盤加工組件設(shè)計完成后，就要對加工組件的流水生產(chǎn)線進行精加工設(shè)計，臥式加工線是目前采用較多的一種方案。通過2臺臥式機床以及一臺立式的加工中心能夠有效地組成剎車盤的生產(chǎn)線。其中臥式機床需要配置雙車刀刀架，與立式加工中心共同組成一字型的排列形式。同時機床的上部空間也需要得到有效的開發(fā)和利用，配置了框架式的機械手，能夠為機床進行下料，同時結(jié)合機床的卡盤位置的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)夾緊剎車盤的工件效果。通過機械手將削加工后的山車盤上料定位到立式加工中心，在完成鉆孔以及攻絲的工藝之后，通過機械手臂進行自助下料。臥式機床的加工優(yōu)點是實際生產(chǎn)線建設(shè)成本較低，但是缺點是對立體空間的基本要求較高。同時加工流水方向與重力方向為垂直關(guān)系，導(dǎo)致生產(chǎn)線的設(shè)計較為復(fù)雜。

圖3 主機結(jié)構(gòu)示意圖2

3.2 立式車床加工生產(chǎn)線

立式加工生產(chǎn)線是2臺立式車床以及1臺立式加工中心組合而成的，其中1臺車床為普通車床，配備了雙車刀刀架，另一臺立式加工中心為基礎(chǔ)設(shè)備進行深加工，共同組成生產(chǎn)線。機械手為立式車床的上料設(shè)備，能夠有效地將剎車盤放置在立式的車床卡盤上，并通過下料裝置有效地將下料傳輸至回路當(dāng)中，框架機械手將加工后的剎車盤送運至立式加工中心，在完成鉆孔和攻絲的生產(chǎn)工藝后，通過框架機械手進行下料，最終完成整個裝置的加工。立式車床加工生產(chǎn)線的優(yōu)點是加工的流水方向與重力方向相同，同時夾具也較為簡單，其缺點是只能通過水平方向進行機床的上下料，不能通過框架的機械手臂進行垂直方向定料，不利于加工過程中的排屑。

3.3 倒立式車床加工生產(chǎn)線

倒立式車床加工生產(chǎn)線主要是依據(jù)一臺立式加工機組以及兩臺倒立式車床組合而成。其中一臺配置了相應(yīng)的雙刀刀架。通過立式加工中心能夠有效地組成生產(chǎn)線。在這個空間位置當(dāng)中，倒立式的車床在主軸之上，刀架的位置在空間的下方。因此，結(jié)合倒立式主軸的方向能夠?qū)崿F(xiàn)自動上料的進程，進而實現(xiàn)半自動化的加工。同時車床的主軸也具有上下料的機械手的功能。有效地將加工完成的下料進行輸送。3臺機床之間安裝了2臺能夠翻轉(zhuǎn)的機械手。將剎車盤進行翻面操作，并送料到立式加工中心當(dāng)中。在完成鉆孔和切絲的加工工藝之后，可以通過機械手臂進行下料。倒立式的車床一般安裝動力刀架來實現(xiàn)鉆孔和攻絲等動力削切。生產(chǎn)線由2臺倒立式的車床組成，但是考慮到實際的初投資成本以及加工節(jié)拍的匹配問題，一般只選擇1套裝置進行選用。優(yōu)點是能夠通過倒立式的主軸來充當(dāng)機械式的下料。其自動化程度較高，不需要匹配其他的下料機械手，因此生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)較為緊湊。但是缺點是倒立式的車床加工組件的成本較高。

3.4 正倒立式車床加工生產(chǎn)線

通過1臺正倒立式的車床以及立式加工中心組成車盤生產(chǎn)線。正倒立式的車床主要是由2個主軸和2個刀架組合而成。同時倒置的主軸具有工件上料的功能，通過下刀架能夠完成第一工序的加工，并且將第一工序的加工剎車盤置于下主軸上，同時上刀架對剎車盤進行第二工序的加工。滑板位置安裝有氣動的卡爪，通過卡爪完成剎車盤的下料工作。正倒立式車床和立式加工中心之間有翻轉(zhuǎn)機械手，對剎車盤進行一次翻面。立式加工中心配上料氣動卡爪，可將剎車盤上料至立式加工中心的工作臺上。其優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)倒立主軸和正主軸的交替加工，減少了一次加工剎車盤面的翻轉(zhuǎn)過程，缺點是機床的可擴展性較差。正主軸和倒主軸的加工工序很難做到完全匹配。

4 結(jié)語

剎車盤專機其獨特的加工方式，將對剎車盤零件的加工精度及效率進行革新，促使行業(yè)更良性地發(fā)展，剎車制動裝置將不再是傳動系統(tǒng)零部件的機加難點。同時，這也將引領(lǐng)機床行業(yè)從標(biāo)準(zhǔn)機向行業(yè)專機轉(zhuǎn)型。由于目前的汽車行業(yè)零件加工“專、快、精”，在機床加工中對行業(yè)零件的技術(shù)要求更高，要根據(jù)行業(yè)零件的尺寸來決定加工范圍。剎車盤專機開啟了汽車行業(yè)零件車序加工的專機時代，也為數(shù)控車床未來發(fā)展方向提供了一種可能。