转向节铣端面钻中心孔复合机床设计*

2014-04-27李春燕

制造技术与机床 2014年6期

李春燕王斌

(盐城工学院机械优集学院，江苏盐城224051)

转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向，承受多变冲击载荷。首道工序加工以轴颈作为粗基准，加工端面和中心孔，后续轴颈加工均以中心孔作为精基准，满足“基准统一”原则［1］。铣端面和钻中心孔通常在两台独立的机床上分别完成，或者在车床上先铣轴端端面定长钻中心孔，然后调头钻另一端中心孔［2］。现有技术方案都是以毛坯面作为粗基准，工件重复定位装夹，使得对中精度差，影响后续工序的加工质量，工作量大，自动化程度低。

为解决上述问题，利用组合机床多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的优势，设计铣钻复合机床，满足加工要求，大幅提高生产效率。

1 转向节的加工要求

被加工零件为左右转向节(被加工部位形状、尺寸一致)，锻件，毛坯重32 kg，材料42CrMo，热处理硬度269～321HB，粗糙度6.3 μm。工序要求如图1 所示，铣小轴颈端面，保持长度尺寸245.7 ±0.2 mm(加工余量:1. 7～8. 8 mm);钻两端中心孔A10/21.2GB145 -85，锥面深度尺寸9.7 mm，公差要求±0.05 mm，相当于IT9～IT10 级公差，其他尺寸为未注公差。

转向节由支承轴颈和叉架两部分组成，结构复杂不规则。本工序加工的难度在于铣钻一次装夹加工，小轴轴颈端面既是加工面又是定位面，叉架部分中心孔位于叉口内部，距离较小，工艺装备受限。

2 总体解决方案

2.1 方案分析

现有的铣钻专用机床主要针对轴类工件，结构简单，精度要求低，设备大多没有考虑排屑方便，自动化程度低，生产效率低。

文献［3 -5］均设计了加工端面打中心孔的卧式双面组合机床，分别用于普通轴、铁路货车用轴和汽车底盘直弯臂的加工，工件结构规则，长度不同，定位容易。文献［6］将变频器用于加工火车车轴的铣打机床上，减小了表面粗糙度值，延长了中心钻使用寿命。文献［7］对铣钻轴类工件的机床做了较大改进，采用了斜导轨实现自动排屑，斜面较大，夹具适合简单轴类工件。

根据图1 所示转向节零件的结构特点和加工要求，考虑生产效率、自动化、自动排屑等要求，在现有技术基础上，设计一台斜导轨铣端面钻中心孔的复合机床，一次加工一个工件。

2.2 总体方案

斜导轨铣端面钻中心孔复合机床如图2 所示，包括机床工作示意图和布局图。底座1 含中间底座和侧床身，中间底座上部为斜导轨，其上安装移动工作台6，夹具5 可在移动工作台的带动下沿斜面自下而上，完成定位夹紧、铣削和钻削等加工内容，侧床身自操作位按加工顺序依次放置轴向定位装置2、铣削装置3和两侧钻削装置4，自动排屑装置7 安装在远离操作位的位置，其中承装切屑和冷却液的箱体置于中间底座的空腔内。

2.3 加工示意图的编制

通常，铣钻双工位采用复合式刀盘，即铣刀盘中空布置钻头，这种方法铣刀盘直径需大于200 mm，而转向节轴端直径仅60 mm，且叉架部分空间受限，对机床拓展不利，因此考虑将钻铣刀具分开，满足双工位的加工要求。工件为锻打件，余量不均匀，选用进口重切削铣削刀具，单边余量10～15 mm，刀具旋转，工件移动，不留刀痕，保证工件表面质量。钻孔采用高速钢中心钻，工件不动，钻头进给，一次性保证中心孔加工要求。铣钻装置由通用的铣削头和钻削头改装，选择带主轴气密封的通用件，防止冷却水进入主轴轴承，避免生锈，采用伺服控制，保证加工过程自动化。

切削用量见表1。移动工作台、轴端钻削装置和叉端钻削装置动作及行程如图3 所示。

表1 切削用量

2.4 机床工作流程

按照加工示意图上设定的工作台、钻削头的动作循环，综合各个部件的动作要求，制定机床工作流程，设计电气动作循环图(如图4 所示)，利用控制系统完成自动操作。

机械手上料后，工件放在初限位装置上，轴向定位装置的定位油缸伸出实现轴向定位，推靠油缸夹紧，然后利用夹具中的油缸带动上下传动轴运动，对工件进行径向定位夹紧，之后，轴向定位装置中的定位油缸和夹紧油缸退回，工件完成安装。然后由工件在移动工作台的带动下，由起始位快进，至铣削位工进，完成铣平面，工件快进转慢进到钻孔位停止。两端的钻削头同时启动，经快进转工进完成钻孔。最后工件快退至原位，夹紧油缸松开，防护门打开，完成一次加工。

机床完成后实现单件工时1.5 min/件，机床生产率40 件/h，机床负荷率96%。

3 机床关键技术

3.1 斜导轨实现自动排屑

通常双工位加工机床采用平导轨，操作距离大，易积屑，故将底座中的中间底座上端设计为斜面，且由周边向内倾斜，其上安装滑台，带动夹具和工件移动更换工位。滑台采用伺服控制，滚珠丝杠传动，重复定位精度达0.01 mm。在整机调试时，确定工件安装位置作为零点，利用程序控制到达两个工位。

切屑靠重力落下，沿预定轨道进入排屑装置，工件材料为42CrMo，铣削为片状切屑，钻削为丝状切屑，故选用链板传动将切屑排出。冷却排屑装置包括箱体、输送小车、安装在箱体内的油水分离器、液位计和冷却泵等。箱体放在中间底座空腔内，自然形成半封闭空间，保证切屑和冷却液准确地随链板进入自动排屑器。

考虑到斜面角度影响两头中心距，角度大，则距离近，铣削头和钻削头安装不方便，故设定斜面角度为20°，不需要配重，简化了夹具结构，伺服电动机不带锁死，利用抱闸电动机定位，防止下滑。

3.2 夹具设计

铣端面钻中心孔为转向节加工的首道工序，选取不加工的大端端面作为轴向尺寸的粗基准，小端轴颈作为径向定位的粗基准。夹具结构如图5 所示，包括初限位装置、自定心装置、轴向定位装置和夹具体等。

转向节结构既有回转轴类，又有叉类，重心不稳，单独采用轴作为定位夹紧基准时，叉部会引起偏心，故设计初限位装置进行预定位，使工件初位置略低于最终位置。包括初两个限位支架和两个定位销等。

为保证对心，采用最常见的双短V 型块的形式。如果将V 型块竖直放置，位置固定，易与初限位装置一起造成过定位。因此将V 型块水平放置，且一端固定，另一端浮动，可绕销轴做一定角度范围的旋转，既保证定位准确可靠，又可实现夹紧。自定心装置的传动部分采用一个齿轮和两根带齿条的圆柱，结构紧凑，离操作位置近，密封防尘，故障率低。

为解决轴端端面既是定位基准又是加工表面的难题，设计了独立的轴向定位装置，待夹具夹紧后，移出工作空间。叉部不加工面作为轴向定位基准，采用带锁死的定位油缸，安装限位杆和限位块。小端采用推靠油缸，与压块相连。两个油缸配合动作，对工件进行轴向定位。

3.3 高速高效自动化

机床的电气系统实现了工作台动作、铣削钻削加工的全流程自动化控制，可完成机床操作门的开关、工件的夹紧松开、夹具定位面的自动清理、工件切屑、切削液自动清理、切削冷却系统和加工过程的联动和工件夹紧自动检测等自动控制。

数控系统采用FANUC-0i 系统，有手动和自动两种操作模式，同时预留用于自动上、下料机器人的通讯接口，编制两种模式下通信与控制的程序，实现联动，机器人系统采用的是西门子S7 -317 -DP 型PLC 系统，Profibus 总线通信方式。系统具有中文操作界面的人机对话功能，彩色显示器，配备手动脉冲发生器及三色警示灯。机床电气系统具有可靠的联锁保护，故障报警，故障自诊断，系统急停的功能，安全可靠。