半軸法蘭盤鉆鉸錐孔專用機床設計

韓海群，吳俊杰，李春燕

(1.江蘇勝德龍機電科技有限公司，鹽城 224731；2.鹽城工學院機械工程學院，鹽城 224051)

0 引言

半軸是汽車驅動橋中的一個重要零件，在差速器和驅動輪之間傳遞扭矩，通過法蘭結構和驅動輪連接，法蘭盤上錐孔的加工精度決定了驅動輪安裝的精度和運動平穩(wěn)性、可靠性。組合機床是根據實際需求，運用預制好的通用部件和一些根據零件要求設計的專業(yè)部件組成的一種高效自動化專業(yè)設備，可以針對零件需求實現多軸、多面、多刀、多工位加工，可以實現鉆、擴、鉸孔，車削，銑削，磨削等多種加工工序，且研發(fā)周期短，設計制造方便，加工精度高，生產效率高，成本低，方便維護。

許玉改[1]介紹了一種將鉆、擴、鉸孔共用一個主軸箱的組合機床，降低了工人的勞動強度，縮短加工時間提高了生產效率。來逢亮[2]對盤類零件的加工工藝進行了分析，對提高盤類零件的加工質量和加工效率有十分重要的意義。徐春梅等[3]介紹了一種法蘭盤鉆孔專用機床，在一定程度上縮短了加工時間，減少勞動強度，提高加工效率。

現有的加工裝備大多采用人工上下料，單機工作，一次性加工多個孔，無法完成自動上下料的過程，不適合流水線自動化生產。為了進一步提高生產效率，適應智能化、無人化車間的建設需求，采用臥式加工方式，柔性化夾具，精確定位的三軸控制裝置，能實現自動定位夾緊、自動換刀、自動排屑的多個部件，研制出一款能夠實現機器人上下料，易于組成流水線，且能適應多種型號半軸法蘭盤上錐孔加工的專用機床。

1 加工工藝分析

1.1 零件分析

被加工零件是半軸，有7種型號，共計19種產品，所有產品法蘭盤尺寸相同，軸部長度(FE=50.8 mm～57.15 mm)、直徑(DIA=944 mm～1116 mm)不等。加工工序圖示意圖如圖1所示。

圖1 零件加工工序示意圖

被加工部分是在左端法蘭盤上均布的8個圓錐孔，主要技術要求有：

小徑為φ18.65 mm；小徑孔口倒角0.2 mm～0.5 mm；錐度為28°±30′；以半軸兩端中心孔為基準，同軸度為φ0.5 mm；零件材料為40Mn2B或42CrMo，硬度HB217-269；錐孔粗糙度為Ra3.2 μm。

綜合分析加工要求后，確定錐孔的加工過程為：鉆底孔→鉸錐孔至尺寸→孔口倒角，一次裝夾，機器人上下料，分工步完成加工，達到圖紙要求。

1.2 定位基準的選擇

零件在夾具上的定位精度對組合機床加工質量的影響很大。根據同軸度的要求，采用軸類零件常用的雙頂尖作為主要的定位基準，限制4個自由度。法蘭盤右側端面作為軸向基準，限制1個自由度。因法蘭盤上無底孔，故圓周方向的自由度不需限制?？紤]到左側定位頂尖可能和刀具干涉，故采用法蘭盤左端面作為夾緊面，在可靠夾緊后，左頂尖退后，讓出加工空間。

1.3 工序間余量的確定

工藝要求法蘭盤無底孔，故首先按照小徑尺寸φ18.65 mm打底孔。再根據孔加工常用工序間余量確定鉆鉸工序間余量[4]，因大徑部分余量較大，故采用內冷錐鉸刀，保證錐度尺寸、表面粗糙度等精度要求。最后用倒角刀完成倒角。

1.4 切削用量的確定

由于組合機床在多數情況下為多刀、多面、多軸同步加工，所以根據經驗，應比一般萬能機床在單刀加工時切削用量低30%左右[5]。已知被加工零件為鋼件，孔的加工直徑為18.65 mm，切削深度=11.2 mm。根據設計手冊查到在鉆孔的切削速度為V=100 m/min，進給量S=340 mm/min；在鉸錐孔過程中，切削速度為V=60 m/min，進給量為S=270 mm/min；在內倒角過程中切削速度為V=100 m/min，進給量為S=320 mm/min。再根據公式求得主軸轉速為：N鉆=1700 r/min；N鉸=850 r/min；N倒角=1600 r/min。

1.5 加工所需切削力、功率、扭矩的確定

刀具材料為高速鋼，零件材料為合金鋼。依據鉆孔與倒角過程中所受的切削力、功率和扭矩計算公式和鉸錐孔過程中切削力、功率和扭矩計算公式，計算得到：

鉆孔：切削力P=3584 N，扭矩T=26.55 Nm，切削功率N=4.74 kW；

工程施工隊在進行采購時，要求工程在施工過程中的每一份采購清單，都要高層管理者進行過目，由管理者做出最終決定，清單由項目部和施工部一起制定，管理層進行拍板確認后再傳給采購部，采購部嚴格執(zhí)行，嚴格執(zhí)行此前管理人員制定的標準，有效的降低工程整體成本，在每一個細節(jié)處為整體工程節(jié)省開支。施工過程難免會發(fā)生水電費等費用，每個施工隊，都要對自己的施工區(qū)域負責，管理者定期檢查資源消耗情況，杜絕浪費情況的發(fā)生，全體人員共同對成本進行控制，嚴格遵守相應規(guī)章條例，確保工程的順利進行。

內倒角：切削力P=3585 N，扭矩T=26.56 Nm，功率N=4.45 kW。

鉸錐孔：切削力F=5072 N，扭矩T=37.57 Nm，功率P=3.34 kW。

1.6 組合機床的配置

由于被加工零件半軸的長度在一定范圍內變化，且需滿足機械手自動上下料和易于組成流水線的要求，提高通用性程度，改善機床工藝性能和提高機床的加工精度，因此選用臥式組合機床形式[6]，通過整機設計實現一次裝夾情況下完成鉆孔、鉸孔以及倒角等工序。主要部件包括底座、夾具、立柱、主軸箱、刀庫等。

2 組合機床的總體設計

2.1 組合機床的設計步驟

組合機床大多是根據零件加工要求以及零件本身的結構特點來進行設計制造，設計大概分成三步[7]：調查研究，收集數據；進行總體設計，完成“三圖一卡”；將加工零件的各個需求分配到每個部件當中，最終得出機床各個部件的結構方案。

在分析加工工序圖的基礎上，根據半軸法蘭盤上錐孔的加工要求，確定了工藝方案和結構方案，針對不同工步確定刀具和切削參數繪制加工示意圖，進一步確定零件加工時完成各種動作所需的部件配置，完成聯系尺寸圖。

2.2 加工示意圖

加工示意圖可以表達工藝方案的具體內容，如所用刀具的類型、具體參數、刀具軌跡等。根據錐孔加工工序，選用了內冷鉆、內冷錐鉸和內倒角三種刀具，確定了每種刀具的切削速度、主軸轉速、進給量、安裝位置等。

因倒角在錐孔小徑處，且在半軸側，如果按照正常加工，需將錐鉸刀和倒角刀布置在法蘭盤的兩側，相向加工，使得機床結構復雜，且不能使用刀庫換刀，無法實現自動化操作，故選用了帶偏心的反倒角刀。

零件一次裝夾即可完成三道工序，每道工序進行換刀、快進、工進、退刀等操作。圓周均布孔的傳統(tǒng)加工方式，常采用刀具不動，夾具帶動工件旋轉的方式，更換加工位置，但夾具機構復雜，且多采用立式加工，零件不易用機器手上料，因此，選用工件不動，由刀具在Y軸和Z軸兩個伺服滑臺的帶動下，精確定位圓周孔的位置，工件在X軸伺服滑臺的帶動下，完成工件進給即可。

刀具在依次加工完8個孔之后再換刀進行下一個工序的操作。如圖2所示為加工示意圖，反映出了被加工零件在機床上實際的加工狀態(tài)，機床的加工方法，加工條件及加工過程。

圖2 加工示意圖

2.3 聯系尺寸圖

為滿足上述XY三軸加工的需求，為零件設計適合臥式加工的夾具并安裝在X滑臺上，X軸滑臺安裝在底座上；刀具主軸部件安裝在Z軸滑臺上，Z軸滑臺安裝在立柱上，立柱安裝在Y軸滑臺上，Y軸滑臺安裝在底座上；再配備電器系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及管路、潤滑系統(tǒng)及管路、氣動系統(tǒng)及管路、刀庫及支架、冷卻排屑裝置及管路、機床防護等，組成完整的半軸法蘭盤鉆鉸錐孔的專用機床。機床總體尺寸為4065×3771×2600 mm。機床尺寸聯系圖如圖3所示。

圖3 機床尺寸聯系圖

2.4 生產率計算卡

生產率計算卡能夠反映機床的加工節(jié)拍、計算整體的生產效率、加工時的切削用量以及整個工序所需的加工時間。本機床單件加工工時為3.4 min/件，機床生產率為17.6 件/h，符合客戶要求。生產率計算卡如表1所示。

表1 生產率計算卡

3 機床關鍵技術

3.1 夾具設計

夾具作為組合機床的重要部件，通常需要根據工藝和結構方案來進行設計，零件通過夾具來實現定位、夾緊[8-12]。因此夾具設計的合理性對于組合機床整體功能、加工精度、加工的穩(wěn)定性以及零件加工效率有很大的影響。

為滿足機器人上下料或桁架上下料的需求，零件應從夾具的上方上下料，為防止和刀具主軸干涉，被加工錐孔的軸線水平需放置，即半軸軸線水平放置，主軸水平放置。根據定位方案分析，工件先在兩浮動V形塊上初定位，然后通過兩頂尖將其微微頂起，達到工作位置，起到定位作用。兩頂尖由油缸帶動運動，為把工件順利頂起，采用了大小缸設計?？拷ㄌm盤端采用CHTB-SD-50-N油缸(行程70 mm，伸出55 mm)，半軸端采用CHTB-SD-40-N油缸(行程50 mm，伸出30 mm)。因半軸產品類型較多，且長度不同，右側油缸緊靠行程無法適應所有型號，故將其安裝在一個螺桿移位裝置上，可進行軸向位置調節(jié)。

法蘭盤的半軸側靠在定位塊上，實現軸向定位。另一側選用4個NHU50油壓轉角缸，左右各二，與定位塊對應，保證夾緊可靠，且讓出被加工錐孔的刀具空間。

半軸零件夾緊后，法蘭端的頂尖定位油缸退回，讓出加工空間，零件在X軸滑臺的帶動下移到加工位置，此時法蘭端的頂尖定位油缸安裝在底座上，不隨X軸滑臺移動。

零件初定位采用V形塊，半軸直徑的變化不影響精度，兩頂尖定位，端面定位和夾緊的方案，都避免了半軸軸徑變化引起的影響，故可以適應多種產品型號的半軸產品加工。

3.2 主軸選擇

根據加工時所需轉速，選擇的電機型號為：1PH8107-B5，轉速n=1500 r/min，功率N=9 kW；主軸與電機之間通過齒形帶傳動，皮帶輪上安裝報警機構，防止皮帶因長時間工作而導致疲勞斷裂。根據已知在加工工序中所需的主軸最大切削力F=5072 N以及所受扭矩T=37.57 Nm，選用的電機參數完全滿足加工要求。主軸箱內有旋轉接頭用來與打刀缸連接，端部設有鍵形結構，確保自動換刀時的準確性。

3.3 絲杠結構設計

已知每分鐘進給量的范圍是270 mm/min～340 mm/min，這個參數主要由安裝在底座上的絲杠來控制。選擇滑動導軌，通過伺服電機帶動絲杠轉動，絲杠通過滑塊進而帶動立柱左右移動。電機和絲杠之間裝有減速器，用來降低電機所受的扭矩。并且為了防止電機因扭矩過大而損壞，在減速器和絲杠之間用聯軸器連接。選用角接觸球軸承，消除絲杠相對間隙，同時保證傳動精度。

3.4 底座和排屑裝置設計

由于機床需要符合流水線生產，滿足無人化要求，因此排屑裝置和冷卻液的排出也要著重考慮。在設計底座時將底座周邊設計成凹槽狀，切削液可以通過凹槽最終流到液體的排出口。為了方便切屑的排出，將底座上的一些表面設計成有一定的傾斜角，使得飛散的切屑隨著斜面最終落至漏斗狀的凹槽中，然后再配合螺旋自動排屑裝置，輸送到指定小車，再進行集中清理，實現自動化處理切屑。

4 結束語

在對半軸法蘭盤上錐孔進行工藝分析后，設計出了適應多型號半軸加工的鉆錐鉸專用機床，能夠一次加工8個圓周均布的孔，并完成打底孔、鉸錐孔、內倒角三個工步。機床適應性強，能滿足軸徑和半軸長度可變的零件加工需求，采用機器人或桁架上下料，配有刀庫、自動換刀、電氣自動控制、自動排屑等裝置，減少了人力操控，和前后工序加工機床相配，易于組成加工流水線，為車間整體智能化、網絡化建設提供了依據。