回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件加工自動(dòng)線的研究

袁承家 董艷紅

摘要： 在機(jī)械零件加工制造中，回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件約占機(jī)械零件的70%。機(jī)械加工自動(dòng)線可實(shí)現(xiàn)從零件毛坯到成品的主要部位自動(dòng)加工，減少機(jī)械零件加工中不同加工設(shè)備間進(jìn)行工序轉(zhuǎn)換而引起的待工和多次上下料等時(shí)間，大幅度提高批量零件加工的效率?；剞D(zhuǎn)體軸類(lèi)零件加工自動(dòng)線的研制，可以滿足機(jī)械加工企業(yè)高效自動(dòng)化加工需求，解決企業(yè)由于人工成本不斷上漲，招工難、用工貴的問(wèn)題。

Abstract： In the machining and manufacturing of mechanical parts， the rotary shaft parts account for about 70% of the mechanical parts. Mechanical processing automatic line can achieve automatic processing from parts to the main parts of the finished product， reduce the mechanical parts processing of different processing equipment between the process conversion caused by waiting for work and multiple loading and unloading time， greatly improve the efficiency of batch parts processing. The development of automatic processing line for rotary shaft parts can meet the needs of efficient automatic processing of mechanical processing enterprises and solve the problems of labor cost rising， difficult recruitment and expensive employment.

關(guān)鍵詞： 回轉(zhuǎn)體;軸類(lèi);零件加工;自動(dòng)線

Key words： rotary body;axial;parts processing;automatic line

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.73 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0085-03

0 ?引言

隨著機(jī)械零件制造的不斷發(fā)展，械制造業(yè)已經(jīng)形成了較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)群。近年來(lái)由于人工成本不斷上漲，工廠訂單不穩(wěn)定，眾多加工企業(yè)同時(shí)面臨招工難、用工貴的問(wèn)題，嚴(yán)重影響加工制造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。傳統(tǒng)的人力生產(chǎn)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)在新的發(fā)展形勢(shì)，自動(dòng)化智能制造越來(lái)越受到重視。在機(jī)械零件加工制造中，回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件約占機(jī)械零件的70%，研制回轉(zhuǎn)體零件加工自動(dòng)線可以大大提高加工效率，解決加工企業(yè)人工成本不斷上漲的問(wèn)題。

1 ?軸類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝

1.1 軸類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)、材料

軸類(lèi)零件是機(jī)器中常用典型零件，主要用來(lái)支承傳動(dòng)零部件，傳遞扭矩和承受載荷。軸類(lèi)零件是旋轉(zhuǎn)體零件，其長(zhǎng)度大于直徑，一般由同心軸的外圓柱面、圓錐面、內(nèi)孔和螺紋及相應(yīng)的端面所組成。根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀的不同，軸類(lèi)零件可分為光軸、階梯軸、空心軸和曲軸等。軸類(lèi)零件的材料一般有碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，軸類(lèi)零件的毛坯有圓棒料、鍛件、鑄鋼件。軸在工作中需承受載荷，保證一定的回轉(zhuǎn)精度軸類(lèi)零件的加工表面通常有內(nèi)、外圓柱面，內(nèi)、外圓錐面，臺(tái)階平面和端平面，以及螺紋、花鍵、鍵槽和溝槽。

1.2 軸類(lèi)零件的加工工藝

軸類(lèi)零件的零件加工工藝根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)批量、精度及表面粗糙度要求、毛坯種類(lèi)、熱處理要求等的不同而變化，車(chē)削和磨削是加工軸類(lèi)零件的主要加工方法。公共軸線是各回轉(zhuǎn)面的徑向設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，精度要求較高的軸可以兩端中心孔軸線作為徑向加工基準(zhǔn);精度要求不高的軸及粗加工，可用外圓表面作加工基準(zhǔn)。按照先粗車(chē)，再精車(chē)的順序加工，精度要求高的軸要進(jìn)行磨削加工。軸上花鍵、鍵槽、螺紋加工安排在車(chē)削后、磨削前;需淬火的軸，螺紋加工放在表面淬火后。軸的毛坯為鍛件時(shí)，需進(jìn)行正火處理，重要的軸類(lèi)零件要經(jīng)過(guò)多次熱處理。加工分為粗加工、半精加工、精加工三個(gè)階。粗加工階段主要完成齊端面，打中心孔，粗車(chē)各外圓工作。半精加工階段進(jìn)行半精車(chē)，精車(chē)各外圓，車(chē)螺紋，銑鍵槽，銑齒輪等工作。精加工階段主要修研中心孔。

機(jī)械加工自動(dòng)線可實(shí)現(xiàn)從零件毛坯至成品的主要部位加工?？梢源蠓忍岣吲苛慵庸さ墓π?，減少機(jī)械零件加工中不同加工設(shè)備間進(jìn)行工序的轉(zhuǎn)換而引起的待工以及多次上下料等時(shí)間，通常這些時(shí)間要占整個(gè)零件生產(chǎn)周期的40-60%。

2 ?回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件加工自動(dòng)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

研制的回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件加工自動(dòng)線集金屬切削、自動(dòng)上下料、智能控制和測(cè)量技術(shù)為一體，具備高效自動(dòng)化加工特點(diǎn)，為軸類(lèi)回轉(zhuǎn)體零件的后續(xù)加工提供高精度加工基準(zhǔn)。加工自動(dòng)線具體配置為如圖1所示，由上料料倉(cāng)、兩個(gè)機(jī)械手、銑端面鉆中心孔機(jī)床、待料料倉(cāng)、2臺(tái)數(shù)控車(chē)床、翻轉(zhuǎn)料倉(cāng)、下料料倉(cāng)、檢測(cè)臺(tái)和桁架組成。針對(duì)長(zhǎng)度≦1000mm的回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件的加工特點(diǎn)、加工部位和生產(chǎn)產(chǎn)量需求，自動(dòng)化裝置采用了桁架結(jié)構(gòu)形式，可方便實(shí)現(xiàn)進(jìn)線機(jī)床的增減，外形尺寸為30007×3660×4533mm。

2.2 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)加工生產(chǎn)線采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶加工需求配置不同功能、數(shù)量和規(guī)格的進(jìn)線機(jī)床，可根據(jù)零件的加工部位、生產(chǎn)節(jié)拍和產(chǎn)量需求配置機(jī)床數(shù)量、增減加工和檢測(cè)功能。進(jìn)線機(jī)床也采用了模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，可根據(jù)零件加工需求增減功能。數(shù)控車(chē)床可以配置為車(chē)削中心，進(jìn)行零件的鉆孔及銑削加工;銑端面鉆（磨）中心孔機(jī)床可以增減套車(chē)功能、磨中心孔功能。

2.3 自動(dòng)線加工工藝研究

自動(dòng)線加工的零件為長(zhǎng)度≦1000mm的回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件，活塞桿及汽車(chē)變速箱傳動(dòng)軸零件是汽車(chē)、工程機(jī)械行業(yè)批量加工的回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件，且多數(shù)零件的長(zhǎng)度≦1000mm，其加工工藝也基本相同，作為典型回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件進(jìn)行加工工藝研究，如圖2所示。

首先加工零件的兩個(gè)端面，銑削或車(chē)削兩端面;第二步加工零件的兩端中心孔，鉆兩端中心孔，精度要求高的零件（如電動(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)軸）還需磨削兩端中心孔。第三步以中心孔或中心孔和其中一個(gè)端面作為零件加工裝夾基準(zhǔn)進(jìn)行零件的車(chē)削、銑削和鉆削。第四步另一中心孔和另一個(gè)端面作為零件加工裝夾基準(zhǔn)進(jìn)行零件的掉頭車(chē)削、銑削和鉆削。最后進(jìn)行花鍵的加工或熱處理及外圓的磨削等。

3 ?自動(dòng)加工線主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件加工自動(dòng)線主要包括：銑端面鉆中心孔機(jī)床1臺(tái)、數(shù)控車(chē)床3臺(tái)和自動(dòng)化裝置1套。

3.1 銑端面鉆（磨）中心孔機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，銑端面鉆（磨）中心孔機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo)為：虎鉗中心至地面高度為1000mm，至床身導(dǎo)軌面高度度為300mm，加工直徑為Φ20-Φ100，加工長(zhǎng)度雙鉗最短為320mm，最長(zhǎng)為1000mm。左右動(dòng)力頭主軸轉(zhuǎn)速：銑軸為20-1200r/min，鉆軸為20-2000r/min，磨頭為5000-60000r/min（選配）。銑刀盤(pán)直徑為Φ100，中心孔有兩種規(guī)格：A型為Φ3.15″-Φ8″，B型為Φ2″-Φ6.3″。銑削進(jìn)給范圍：快進(jìn)為6000mm/min，工進(jìn)≤157mm/min;鉆削和磨頭進(jìn)給范圍均為：快進(jìn)為6000mm/min，工進(jìn)為0.01-50mm/min;磨頭：快進(jìn)為6000mm/min，工進(jìn)≤157mm/min。左右主軸電機(jī)功率為3.7/5.5kW，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min。銑軸和鉆軸錐孔錐度均為7∶24，磨頭定心軸徑為A2-5，每個(gè)虎鉗最高使用壓力為3.5MPa，X/Z定位精度達(dá)到0.016mm，重復(fù)定位精度達(dá)到0.007mm。

3.2 數(shù)控車(chē)床主要技術(shù)指標(biāo)

床身上最大回轉(zhuǎn)直徑為Φ500，床鞍上最大回轉(zhuǎn)直徑為Φ300，最大車(chē)削直徑（盤(pán)件）達(dá)到Φ400，最大鉆孔直徑為Φ20，最大車(chē)削長(zhǎng)度達(dá)到1000mm，X軸最大行程為210+30mm，Z軸最大行程為1100mm。其中主軸箱主軸轉(zhuǎn)速范圍達(dá)到30-3500r/min，錐孔錐度為80（公制），主軸頭部型號(hào)為A2-6，前軸徑尺寸為Φ110，通孔直徑為Φ65，主軸中心至床面高度為300mm，主軸中心至地面高度為1020mm。尾架套筒最大行程為mm，套簡(jiǎn)直徑為Φ100，芯軸錐孔錐度為4#莫氏。刀盤(pán)刀位數(shù)為8，外圓刀方尺寸為25×25mm，最大鏜刀桿直徑為Φ40mm，刀尖最大回轉(zhuǎn)直徑為Φ370mm。液壓浮動(dòng)卡盤(pán)為？準(zhǔn)200，C軸功能可選配。X/Z/C定位精度達(dá)到0.012/0.012/18″，X/Z/C重復(fù)定位精度0.005/0.005/12″。

3.3 自動(dòng)化裝置主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的自動(dòng)化裝置桁架機(jī)械手采用伺服和減速機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，控制方式采用RCS。橫梁（X軸）采用結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)，豎梁（Z軸）采用鋁合金材質(zhì);橫梁和豎梁均設(shè)計(jì)為矩形導(dǎo)軌、齒輪齒條傳動(dòng);機(jī)械手提升力達(dá)到35kg，X軸移動(dòng)速度達(dá)到180m/min，Z軸移動(dòng)速度達(dá)到120m/min，重復(fù)定位精度達(dá)到±0.03mm。

4 ?自動(dòng)線加工設(shè)計(jì)主要問(wèn)題及解決方法

4.1 細(xì)長(zhǎng)軸零件的切削振動(dòng)問(wèn)題

活塞桿和汽車(chē)變速箱傳動(dòng)軸同時(shí)還屬于細(xì)長(zhǎng)軸零件，細(xì)長(zhǎng)軸零件在加工中極易產(chǎn)生切削振動(dòng)。加工細(xì)長(zhǎng)軸零件的機(jī)床結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)、卡緊方式和頂緊力的選擇對(duì)其切削振動(dòng)十分重要。通過(guò)切削振動(dòng)試驗(yàn)，并利用振動(dòng)分析儀進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試分析，確定了機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式、切削參數(shù)、卡緊方式和卡緊力，解決了細(xì)長(zhǎng)軸零件加工中的切削振動(dòng)問(wèn)題。

4.2 進(jìn)線機(jī)床切削過(guò)程中的斷屑、沖屑、排屑

自動(dòng)線加工中如果出現(xiàn)加工不斷屑、纏屑、積屑，會(huì)造成自動(dòng)線工作異常，甚至發(fā)生事故。鑒于自動(dòng)線零件加工長(zhǎng)度≦1000mm的參數(shù)設(shè)計(jì)，切削機(jī)床均配置為加工長(zhǎng)度為1000mm的斜床身結(jié)構(gòu)機(jī)床，具有自動(dòng)上下料方便、排屑易和剛性強(qiáng)的特點(diǎn)，如圖3所示。分別選用不同角度刀具、刀尖圓弧、斷屑槽、切削參數(shù)進(jìn)行切削試驗(yàn)，在避免由于切削刀具選擇不合理而引起的切削振動(dòng)情況下，解決了零件車(chē)削過(guò)程中因不斷屑而引出的纏屑問(wèn)題。為保持卡盤(pán)卡爪、卡盤(pán)及尾架頂尖、切削刀具的刀尖不存留切屑，分別在機(jī)床卡具附近和刀盤(pán)上配置了沖屑裝置，解決了零件加工過(guò)程中出現(xiàn)的積屑問(wèn)題。

4.3 單元?jiǎng)幼骰ユi

自動(dòng)線能否正常運(yùn)行，與組成自動(dòng)線的各工作單元是否有序正常工作密切相關(guān)。將各序機(jī)床卡具裝置和氣動(dòng)門(mén);自動(dòng)上下料裝置的上料料倉(cāng)、下料料倉(cāng)、各機(jī)械手及手爪、待料料倉(cāng)、翻料料倉(cāng)、零件檢測(cè)臺(tái)分為不同的工作單元進(jìn)行指令控制，并通過(guò)不同形式的檢測(cè)元件進(jìn)行卡緊、松開(kāi)、氣動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)、抓料、卸料、有料、無(wú)料等動(dòng)作和狀態(tài)確認(rèn)。實(shí)現(xiàn)了單元?jiǎng)幼鞯幕ユi控制，保證了自動(dòng)線的正常工作。

4.4 刀具異常監(jiān)控及刀具壽命管理

切削刀具刀片作為金屬切削中的消耗品，涉及被加工零件是否合格和自動(dòng)線能否正常工作。利用選定的數(shù)控系統(tǒng)功能通過(guò)設(shè)定電機(jī)扭矩參數(shù)范圍隨時(shí)監(jiān)測(cè)切削刀具工作狀況，當(dāng)電機(jī)扭矩超出設(shè)定范圍，機(jī)床報(bào)警提示可能出現(xiàn)刀具磨損過(guò)度或刀具破損情況，避免了切削刀具異常加工狀況，如圖4所示。

常規(guī)的刀片更換，都是根據(jù)被加工零件的尺寸變化和表面質(zhì)量變化情況，判斷是否更換刀片。這種方法不適合自動(dòng)化批量的生產(chǎn)模式，利用數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)數(shù)功能對(duì)切削刀具進(jìn)行使用壽命管理，對(duì)不同零件設(shè)定不同加工數(shù)量，當(dāng)零件加工數(shù)量達(dá)到設(shè)定的數(shù)量，機(jī)床即報(bào)警提示更換刀片，實(shí)現(xiàn)了切削刀具壽命管理，如圖5所示。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

研究針對(duì)機(jī)械零件加工制造中長(zhǎng)度≦1000mm的回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件的自動(dòng)化加工，通過(guò)對(duì)典型零件加工工藝分析，進(jìn)行自動(dòng)線總體布局和參數(shù)設(shè)計(jì)?；剞D(zhuǎn)體軸類(lèi)零件加工自動(dòng)線采用模塊化設(shè)計(jì)，解決了自動(dòng)化加工機(jī)床切削加工中振動(dòng)、斷屑、沖屑、排屑和單元?jiǎng)幼骰ユi等問(wèn)題，具有自動(dòng)上下料及料道配置，刀具異常監(jiān)控及刀具壽命管理等功能，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)體軸類(lèi)零件自動(dòng)化加工中關(guān)鍵技術(shù)的突破，技術(shù)上具有新穎性和先進(jìn)性。今后根據(jù)用戶的需求，進(jìn)一步進(jìn)行中心孔高效磨削、零件在線檢測(cè)等技術(shù)的應(yīng)用研究，增強(qiáng)自動(dòng)線的加工及在線檢測(cè)處理能力。研制的加工自動(dòng)線已交付用戶進(jìn)行示范使用，進(jìn)入零件加工試生產(chǎn)階段，加工的零件為：活塞桿零件1種，預(yù)計(jì)年產(chǎn)量2萬(wàn)件;桿體零件2種，預(yù)計(jì)年產(chǎn)量10萬(wàn)件，可批量推向市場(chǎng)。

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