孟维，马黎丽，黄龙

徐州重型机械有限公司 江苏徐州 221004

1 序言

转向节是独立悬架系统（见图1）的核心零件，在某新型起重机上承受着多变的冲击载荷，支撑并带动车轮转动，使起重机在行驶过程中转向。转向节分为驱动转向节和非驱动转向节，转向性能受转向节精度的影响较大。我公司自2017年1月以来，对废品转向节进行统计，因尺寸超差的废品转向节占比达到85%以上，所以需要对转向节的加工工艺进行研究，使其能够满足使用性能，在保证质量的前提下实现批量生产。

图1 独立悬架系统

2 转向节加工技术要求

图2所示为转向节，其质量为58.15kg，目前采用卧式车床进行加工，工艺路线为：来料检验→粗铣→粗车→调质处理→精车→精铣→滚花键→检验入库。转向节属于异形件，各型面和加工尺寸较多，几何精度要求高，主要加工部位包括型腔上下基准面、型腔内腔、各精度孔、锥面、外圆和内孔等。

图2 转向节

3 加工难点分析

经分析，加工中存在如下难点。

1）锻件毛坯粗加工余量大（见图3），轴肩余量相比其他位置更多，且外形不规则，无法实现高效除去余量，车削效率低。

图3 锻件毛坯粗加工余量大

2）转向节几何公差和尺寸精度要求高，采用花盘装夹定位，装夹刚性差，且装夹不牢靠导致车削过程中工件产生微动，造成尺寸精度、几何精度超差。

3）转向节内腔不规则，空间位置复杂，加工干涉导致内孔刀具直径受限，车削时易产生振动，其内孔f80mm轴承座孔相对于基准C-D的径向圆跳动最大变动量为0.005mm。由于用于反车内孔的刀杆受通孔直径限制，刚性差，转向节的内孔加工精度控制困难，且一次装夹车削后，内孔的精度检测正确率低。

4）转向节f110mm外圆处要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，中低速车削很难保证表面粗糙度要求。

4 解决思路

针对转向节车削工序装夹不牢、定位精度差、刚性差及加工精度不易控制等难题，解决思路如下。

1）通过心轴装夹或单动卡盘装夹方案，实现转向节在数控车床的定位，解决转向节无法装夹的难题。

2）通过建立转向节余量车削模型，借助计算机辅助编程软件优化车削路线，解决车削效率低的难题。

3）通过设计制作转向节专用装夹过渡套，实现转向节能够调头装夹，采用阶梯式组合变径镗孔刀解决刚性差和无法测量的难题。

5 确定装夹方案

1）根据转向节结构特点，在数控镗铣床完成粗铣后，使用普通心轴装夹方案（见图4）粗加工，将自制心轴工装穿入转向节f76mm、f50mm台阶孔，通过锁紧螺母实现转向节在数控车床上的定位装夹，依靠卡盘夹持和心轴端的拨块2实现车削时的转矩传递，并在卡盘处安装配重平衡块。

图4 转向节使用普通心轴装夹方案

2）经过初步验证，采用心轴装夹，由于转向节f76mm、f50mm台阶孔在数控镗铣床通过U钻和扩孔钻加工，内孔尺寸不稳定，受内孔精度低的限制，仅依靠端面进行锁紧，工件易松动，对转向节的装夹方案有限制，且每次都需拆卸拨块2，拨块2也有松动的隐患。

3）采用单动卡盘装夹方案（见图5），考虑到转向节可夹持的位置均远离卡盘，经测量，需要将卡爪长度增加约300mm，标准卡爪不能满足要求。通过重新设计制作卡爪，增加夹持刚性，上道工序粗铣时还需要将平面铣出，增加卡爪与工件的接触面积。

图5 转向节单动卡盘装夹方案

4）转向节轴向定位（见图6）采用分体式定位工装，即在本体上实现与转向节接触部位可更换，安装工装本体时需要进行轴向圆跳动、径向圆跳动找正。此装夹方案可满足驱动转向节和非驱动转向节的粗、精加工的装夹定位要求。

图6 转向节轴向定位

6 优化工艺路线

6.1 建立转向节零件模型

随机抽取5件转向节毛坯进行测量，在不同位置选取5组数据进行零件毛坯模型的建立，转向节毛坯采集点如图7所示。通过比对锻造毛坯的直径，发现采集点的工序余量大小相对较为均匀。转向节毛坯坐标点采集数据汇总见表1。将各项影响因素综合分析计算[1]并在数控车床上找正后，最高点与最低点的落差为2.5～3.0mm，可将最终建模毛坯外径增大4～6mm。

表1 转向节毛坯坐标点采集数据汇总 （单位：mm）

图7 转向节毛坯采集点

6.2 粗加工

考虑到机床卡盘直径大、离心力大等因素，可将安全系数设置为0.8，推荐切削速度vc=131m/min，转速n=238r/min，背吃刀量ap=3.5mm，进给量f=0.4mm/r。可使用CAXA数控车削软件编程和手工编程相结合的方式来编制转向节加工程序。

粗加工时，建议使用顶尖辅助顶紧工件，顶紧前需要在f52mm内孔端面处进行60°倒角，方便顶针顶紧工件，防止工件内孔与尾座不同心，可避免工件在加工过程中出现松动。

6.3 精加工

转向节精加工受其结构形式限制，按一般的工艺顺序应该先内后外[2]，即先加工内孔部分，再车削外圆。但内孔若采用抗振阻尼刀杆进行反向车削，则存在刀杆直径受限的问题，易引起车削振动，f80mm内孔加工完成后还存在无法测量等问题。

（1）外圆和端面止口的精加工 考虑到外圆加工需要控制f110mm、f93.864mm等6处外圆尺寸，按先后顺序分刀车削，其中f110mm外圆要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，受离心力、线速度低的影响，通过车削外圆表面不易达到工艺要求，此处可采用滚压工艺替代车削，可将f110h7外径公差车削至0～0.01mm，再通过单针滚压刀实施滚压后，使用便携式表面粗糙度测量仪测得表面粗糙度值Ra=0.423μm，符合工艺技术要求。转向节外圆精加工车削和滚压切削参数见表2。

表2 转向节外圆精加工车削和滚压切削参数

将机床尾座退至安全距离后，使用内孔刀车削f56mm孔至要求尺寸并按要求倒角，因工件悬伸较长，为保证内孔加工质量，内孔车刀需缩至最短（若刀杆过长，可切除多余部分），尽量选择正前角锋利型刀片。

（2）转向节二次装夹和过渡保护套 若调头后直接装夹工件，则易破坏转向节的表面粗糙度，需要制作过渡保护套。保护套材质选用QT450-10球墨铸铁，考虑到装夹牢固和安全性，可使用阶梯式开口保护套（见图8）。转向节二次装夹找正如图9所示。

图8 阶梯式开口保护套

图9 转向节二次装夹找正

（3）转向节f80mm内孔精加工及控制方法 转向节f80mm内孔以内沟槽为分界线，需要分别控制，可按先内后外的顺序[3]，先加工最小尺寸的孔，再控制靠近端面处的f80mm孔。由于受转向节结构形式影响，内孔刀杆既要满足悬伸长度400mm,又要避免加工时f52mm底孔干涉问题，优先选用直径40mm的10倍径抗振阻尼镗杆，可通过外转内冷的方式，即将切削液接入刀杆，实现切削时充分冷却，避免温升对内孔尺寸产生影响。切削时采用恒定余量加工方式，即第一刀精加工余量0.5mm，第二刀和第一刀余量相等，便于内孔尺寸控制。

精加工完成后，采用内沟槽刀将f83mm槽切出。检测时，考虑到其公差范围只有0.019mm，推荐使用内径千分表检测，为保证检测结果的正确性，检测时需要在同一截面内进行多点测量。

7 结束语

转向节的余量大、结构形式复杂，几何精度和尺寸精度要求高，一般情况下很难保证该异形件的加工质量要求。通过对转向节车削工艺进行研究，采用特制带配重功能的加长卡爪装夹，自制分体式定位心轴解决转向节装夹不牢的难题；自制阶梯开口式保护套，解决了二次装夹对外圆破坏的难题；合理规划切削路线、选择切削参数，保证了转向节的加工质量。该工艺方法还适用于客车等异形承载结构件的加工。

专家点评

本例中的转向节结构复杂、加工精度高。通过工艺分析，制定科学合理的车削方案，采用加长卡爪和分体式定位心轴解决转向节装夹不牢的难题，自制保护套解决了二次装夹对外圆的破坏，最终保证了转向节的加工质量。

文章的亮点是薄壁异形零件的车削工艺改进，从工装夹具和加工方法入手，制定具体的解决方案，通过合理规划切削路线，逐项解决了各项车削难点，在保证质量的前提下实现批量生产。