臥式雙工位車(chē)軸加工數(shù)控鏜床設(shè)計(jì)

霍蘇萍

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 三門(mén)峽 472000)

臥式雙工位車(chē)軸加工數(shù)控鏜床設(shè)計(jì)

霍蘇萍

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 三門(mén)峽 472000)

針對(duì)車(chē)軸加工技術(shù)要求，提出了采用專用組合機(jī)床加工車(chē)軸的工藝方案。設(shè)計(jì)了用于車(chē)軸軸頭銑端面、鉆鏜孔及倒角的自動(dòng)加工專用數(shù)控鏜床。分析了機(jī)床的工作循環(huán)，并對(duì)機(jī)床的雙主軸箱動(dòng)力部件、液壓夾緊裝置、軸向檢測(cè)裝置進(jìn)行重點(diǎn)闡述。機(jī)床采用在線檢測(cè)裝置，加工柔性化，適用于大批量自動(dòng)化加工，有效地提高了車(chē)軸軸頭加工的精度和效率。

臥式雙工位；車(chē)軸加工；數(shù)控鏜床

0 引言

車(chē)軸是車(chē)體上較復(fù)雜的重要關(guān)鍵部件，通過(guò)懸架和車(chē)架(或承載式車(chē)身)相連，傳遞車(chē)架(或承載式車(chē)身)與車(chē)輪之間各方向作用力，起著承載、行駛、制動(dòng)功能。分整體式車(chē)軸和焊接式車(chē)軸，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件惡劣，加工精度直接影響整車(chē)行駛的可靠性和安全性。目前，車(chē)軸生產(chǎn)為專業(yè)化大批量加工，若采用通用數(shù)控機(jī)床、普通車(chē)床、磨床等設(shè)備加工，存在多次裝夾定位、加工工序多、節(jié)拍長(zhǎng)，同軸度難以保證，加工效率低等弊端。如何改進(jìn)車(chē)軸的加工工藝、提高加工精度和效率，是車(chē)軸生產(chǎn)企業(yè)面臨的技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)專業(yè)化車(chē)軸生產(chǎn)企業(yè)的需求，開(kāi)發(fā)了車(chē)軸加工一系列組合機(jī)床。臥式雙工位車(chē)軸加工數(shù)控鏜床是成組專用機(jī)床中用于車(chē)軸軸頭加工的組合機(jī)床，該機(jī)床在車(chē)軸加工中主要完成車(chē)軸軸頭端面銑削、擴(kuò)孔、鏜孔及倒角的自動(dòng)化加工。機(jī)床采用雙工位雙主軸設(shè)計(jì)，一次裝夾，雙動(dòng)力頭依次進(jìn)行加工，縮短了加工時(shí)間，有效地提高了車(chē)軸軸頭加工的精度和效率。經(jīng)多次試加工，技術(shù)指標(biāo)和生產(chǎn)效率完全達(dá)到需求，適用于大批量的自動(dòng)化加工[1]。

1 車(chē)軸零件工藝要求

圖1所示為某整體式車(chē)軸零件圖，材料為20Mn2，為典型的空心長(zhǎng)軸類零件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工序多；軸頸、軸體兩端內(nèi)孔的尺寸精度和同軸度要求高，軸體兩端要求對(duì)稱制作。兩端軸頸同軸度為0.05，圓跳動(dòng)0.03，全跳動(dòng)0.3。

圖1中，車(chē)軸軸頭加工的工序是為后序的軸頸加工提供精基準(zhǔn)，保障軸頸加工的同軸度和軸頭鏜孔后軸頸部?jī)?nèi)壁壁厚均勻，否則，在車(chē)輛行駛中會(huì)引起車(chē)軸受力不均，偏磨，甚至引起車(chē)軸斷裂。

整體車(chē)軸軸頭傳統(tǒng)加工方法是采用加長(zhǎng)臥車(chē)加工或兩工位的數(shù)控車(chē)床，中間用中心架提高工件剛性，這兩種方法均需掉頭加工，且車(chē)軸表面架中心架部位需先車(chē)中心架支撐基準(zhǔn)，存在工序多、加工工藝效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。

針對(duì)車(chē)軸加工技術(shù)要求，遵循技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、提高效率的原則，對(duì)車(chē)軸加工工藝改進(jìn)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了成組專用機(jī)床，改進(jìn)后車(chē)軸加工工藝為:采用車(chē)軸兩端雙面同時(shí)加工，車(chē)軸一次安裝即可完成軸頭兩端的端面銑削、擴(kuò)孔、鏜孔及倒角，采用數(shù)控技術(shù)，有效的保證車(chē)軸加工的同軸度和圓跳動(dòng)等技術(shù)要求。

圖1 車(chē)軸零件圖

2 機(jī)床配置、主要參數(shù)與工作循環(huán)

2.1 機(jī)床配置

機(jī)床采用臥式雙工位、雙主軸結(jié)構(gòu)布局，即在一個(gè)主軸箱里面安裝有兩套主軸，其中一套主軸加工車(chē)軸的端面和內(nèi)孔，另外一套主軸精鏜車(chē)軸的內(nèi)孔及倒角，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。機(jī)床配置2個(gè)動(dòng)力鏜削頭，采用雙動(dòng)力頭兩側(cè)同時(shí)加工方式，兩動(dòng)力頭分別由兩套雙主軸動(dòng)力頭及其傳動(dòng)裝置組成，主軸采用變頻電機(jī)調(diào)速。2套專用液壓自定心夾具，2個(gè)數(shù)控滑臺(tái)，通過(guò)數(shù)控滑臺(tái)調(diào)整專用夾具的距離，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格品種車(chē)軸的加工。為保證不同規(guī)格車(chē)軸加工精度和尺寸的一致性，機(jī)床設(shè)計(jì)了軸向檢測(cè)裝置，加工定位時(shí)對(duì)車(chē)軸軸向位置進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)計(jì)算與設(shè)定值的差值，并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)保證加工尺寸的一致性。機(jī)床采用封閉式防護(hù)，管路布局合理整齊，集屑箱配高壓氣槍，排屑方便。潤(rùn)滑系統(tǒng)采用自動(dòng)潤(rùn)滑裝置，數(shù)控十字滑臺(tái)導(dǎo)軌采用VERSAⅢ型南京貝奇爾集中潤(rùn)滑裝置，定時(shí)定量供油，對(duì)導(dǎo)軌等自動(dòng)供油潤(rùn)滑[3]。

1.變速箱 2.鏜削頭 3.測(cè)量裝置 4.輔助夾緊裝置 5.車(chē)軸 6.主夾緊裝置 7.數(shù)控滑臺(tái) 8.床身 9.擴(kuò)孔、銑端面刀輔具 10.鏜孔、倒角刀輔具圖2 機(jī)床布局結(jié)構(gòu)圖

2.2 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)：

數(shù)控十字滑臺(tái)：縱向最大行程500mm；橫向最大行程：420mm；

最大加工長(zhǎng)度：2500mm；

鏜頭行程：縱向630mm，橫向220mm；

縱橫向快移速度：10mm/min；

主軸中心高：1200 mm；

主電機(jī)功率及型號(hào)：7.5kW；變頻電機(jī)：UABP-132S-4-50-5.5-B5；

數(shù)控十字滑臺(tái)集中潤(rùn)滑裝置： 南京貝奇爾VERSAⅢ-18221A-1C；

主機(jī)外觀尺寸:長(zhǎng)×寬×高(mm)：5600×1825×2100；

數(shù)控系統(tǒng)：三菱64SL；

液壓滑臺(tái)最大行程：400mm。

2.3 機(jī)床工作循環(huán)

工件定位安裝后，兩側(cè)動(dòng)力頭行程由數(shù)控系統(tǒng)控制同時(shí)徑向進(jìn)給，經(jīng)軸向檢測(cè)裝置檢測(cè)，計(jì)算補(bǔ)償值后，首先進(jìn)行銑端面和鉆孔加工，然后進(jìn)行粗、精鏜孔并倒角的加工。機(jī)床加工工序圖如圖3所示。

機(jī)床工作循環(huán)：上料—工件定位并夾緊—主軸啟動(dòng)—左右數(shù)控滑臺(tái)同時(shí)縱、橫向快進(jìn)至1工位待加工位置—數(shù)控滑臺(tái)工進(jìn)至工件中心線(銑端面)—左右十字滑臺(tái)縱向工進(jìn)，進(jìn)行內(nèi)孔擴(kuò)孔加工；左右十字滑臺(tái)縱向快退—縱、橫向快進(jìn)到2工位—縱向工進(jìn)進(jìn)行鏜孔、倒角—左右十字滑臺(tái)縱快退—橫向快退回原位—主軸停—各夾緊點(diǎn)松開(kāi)—人工下料。同時(shí)安裝一個(gè)新工件，機(jī)床進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)狀態(tài)。

1.測(cè)量頭 2、4、6.車(chē)軸 3. 銑端面、擴(kuò)孔刀輔具 5.鏜孔、倒角刀輔具圖3 機(jī)床加工工序圖

3 機(jī)床關(guān)鍵部件選型及設(shè)計(jì)

3.1 雙主軸箱動(dòng)力部件

機(jī)床采用雙動(dòng)力頭兩側(cè)同時(shí)加工方式，機(jī)床雙主軸主軸箱技術(shù)要求主要滿足兩個(gè)方面,一是同軸度的要求，二是雙主軸的同步旋轉(zhuǎn)和主軸定向可調(diào)，機(jī)床主軸箱及主軸組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。雙主軸箱采用對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)完全獨(dú)立，2套動(dòng)力頭分別由2套雙主軸動(dòng)力頭及其傳動(dòng)裝置組成，電動(dòng)機(jī)采用變頻電機(jī)，通過(guò)變速箱帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。銑削和鏜削傳動(dòng)比分別為1：3、1：2，這樣既可以滿足銑削時(shí)的低速加工，又可以滿足鏜削時(shí)的高速加工。采用變頻電動(dòng)機(jī)為適應(yīng)加工工件線速度變化。

1.主軸箱 2.主軸 3.封油環(huán) 4.壓蓋 5.軸承蓋 6.軸承 7.注油杯 8.隔套 9.套 10.套 11. 徑向鎖緊螺母 12.蓋板 13.軸承 14.15封油環(huán) 16.蓋 17.套 18.徑向鎖緊螺母圖4 主軸箱及主軸組件結(jié)構(gòu)

圖5 雙主軸

主軸箱采用雙主軸復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主傳動(dòng)分兩路分別傳遞至鉆銑主軸和鏜孔主軸，如圖5所示。機(jī)床鏜削動(dòng)力頭采用通用部件 1TA 系列，實(shí)現(xiàn)鏜孔后同時(shí)倒角，設(shè)備安裝了用于倒角的專用組合鏜頭，在鏜頭桿前端分別安裝用于粗、精鏜2把鏜頭，在鏜頭桿中部安裝用于倒角的倒角刀塊。2鏜刀塊在軸向及徑向相互錯(cuò)開(kāi)，形成階梯，使粗、精鏜削加工中減少單刃切削加工余量，降低切削力和振動(dòng)；并且2鏜刀塊在軸向及徑向都設(shè)置有微調(diào)裝置，加工中可以根據(jù)切削余量對(duì)鏜刀塊軸向和徑向單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高加工精度[4]。

3.2 液壓夾緊裝置

針對(duì)車(chē)軸零件在本工序加工為鍛件毛坯的特點(diǎn)，機(jī)床設(shè)計(jì)了毛坯自定心修正和輔助夾緊相結(jié)合的夾緊機(jī)構(gòu)。采用毛坯多點(diǎn)夾緊、自鎖且不干涉，保證機(jī)床粗加工有足夠的夾緊力，同時(shí)減小精加工的變形。夾緊機(jī)構(gòu)由主夾緊機(jī)構(gòu)、輔助夾緊機(jī)構(gòu)和輔助支撐機(jī)構(gòu)三部分組成。主夾緊機(jī)構(gòu)為自定心夾緊裝置，由液壓油缸帶動(dòng)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)兩夾爪的同步動(dòng)作，夾緊準(zhǔn)確可靠。輔助夾緊機(jī)構(gòu)夾緊軸頭，以減小銑削時(shí)工件的振動(dòng)，保證工件的位置精度和重復(fù)定位精度，工件定位圖如圖6所示。輔助支撐機(jī)構(gòu)，由四對(duì)軸承支撐工件，便于工件的軸向移動(dòng)，使工件軸向移動(dòng)更加方便、輕快。主夾緊機(jī)構(gòu)兩夾爪可以實(shí)現(xiàn)在夾具小滑板上軸向調(diào)整，在專用十字滑板的下導(dǎo)軌體上安裝夾具調(diào)整滑板，通過(guò)Z向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)工件長(zhǎng)度的變化精確的調(diào)整夾具滑板的位置，以適應(yīng)不同軸頭的加工，提高了組合機(jī)床的柔性化[5]。

1、5.自定心夾緊裝置 2.車(chē)軸 3.中間支撐夾緊裝置 4.端部支撐裝置圖6 工件定位圖

3.3 軸向檢測(cè)裝置

機(jī)床設(shè)計(jì)2套軸向檢測(cè)裝置。左右兩端同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)工裝夾具和零件的裝夾找正、零件編程原點(diǎn)的設(shè)定，對(duì)工件軸向位置在線檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)計(jì)算出與目標(biāo)值的差值，并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)保證批量加工工件尺寸的一致性。軸向檢測(cè)裝置如圖7所示。

1.支撐臂 2.螺桿 3.橡膠套 4.有線通訊側(cè)頭 5.車(chē)軸 6.浮動(dòng)銷(xiāo) 7.支撐座 8.墊板圖7 軸向檢測(cè)裝置示意圖

測(cè)頭采用紅外編碼信號(hào)通訊，車(chē)軸軸頭加工粗對(duì)刀完成后，側(cè)頭自動(dòng)測(cè)量油封位端面，當(dāng)測(cè)頭發(fā)訊后探測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)修正相應(yīng)的刀補(bǔ)值。檢測(cè)裝置工作過(guò)程為：首先測(cè)頭支撐臂旋轉(zhuǎn)90°，至水平位置，測(cè)頭與被測(cè)基準(zhǔn)面面即油封位端面平行，然后縱向移動(dòng)十字滑臺(tái)，由快—慢—碰撞油封端面(測(cè)頭觸發(fā))；測(cè)頭觸發(fā)時(shí)，側(cè)頭控制器通過(guò)通信電纜輸送到數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)計(jì)算出與目標(biāo)值的差值，并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，十字滑臺(tái)退回原位，測(cè)頭支撐臂旋轉(zhuǎn)90°抬起。機(jī)床左右十字滑臺(tái)的軸向檢測(cè)裝置同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，保證批量加工工件尺寸的一致性[6]。軸向檢測(cè)裝置的應(yīng)用，擴(kuò)展數(shù)控機(jī)床功能，解決常規(guī)測(cè)量無(wú)法解決的問(wèn)題，同時(shí)改善數(shù)控機(jī)床性能，提高數(shù)控機(jī)床效率[7]。

4 機(jī)床運(yùn)行調(diào)試

機(jī)床安裝調(diào)試后，檢測(cè)機(jī)床的幾何精度完全合格，重點(diǎn)對(duì)軸線的定位精度、軸線的重復(fù)定位精度、主軸內(nèi)定心直徑的徑向跳動(dòng)、主軸外定心直徑的徑向跳動(dòng)、兩端主軸的同軸度、兩端主軸與夾具的同軸度等進(jìn)行檢測(cè)。機(jī)床的工作精度驗(yàn)收時(shí)加工工序、切削參數(shù)見(jiàn)表2。連續(xù)加工工件30件，到企業(yè)安裝調(diào)試后，驗(yàn)收終檢連續(xù)多天加工100件，檢測(cè)結(jié)果：軸頭加工精度均達(dá)到了技術(shù)要求，且本工序加工時(shí)間(含裝夾、測(cè)量)僅為3.5min，比車(chē)軸生產(chǎn)企業(yè)要求的生產(chǎn)節(jié)拍不低于4～5 min，節(jié)約了0.5～1.5 min，有效保證軸頭加工質(zhì)量的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率[8]。

表2 機(jī)床工作精度測(cè)試切削參數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

該產(chǎn)品已交付用戶使用，性能可靠穩(wěn)定，完全滿足用戶要求。通過(guò)批量加工實(shí)驗(yàn)，本工序加工節(jié)拍僅為3.5min，比采用原有工藝方案加工節(jié)拍12min縮短了8.5min，經(jīng)濟(jì)效益顯著。機(jī)床可進(jìn)行不同規(guī)格品種車(chē)軸的加工，實(shí)現(xiàn)了車(chē)軸軸頭加工的自動(dòng)化和柔性化，為國(guó)內(nèi)車(chē)軸專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)提供了新型高效加工設(shè)備[10]。

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(編輯 李秀敏)

The NC Boring Machine Design of Horizontal Double Station on Axle Processing

HUO Su-ping

(Department of electrical and Mechanical Engineering, Sanmenxia Polytechnic, Sanmenxia Henan 472000,China)

the special combination machine on axle machining technology are proposed to meet processing technical requirements on the axle. milling face, hole and chamfering on shaft head are processed by the special combination machine. Work cycle of the machine are analyzed, and power components of the dual spindle box, clamping device on hydraulic, axial detection device are emphatically illustrated. Due to flexibility and using on-line detection device, the machine is suitable for mass processing automation, and effectively improve the efficiency and precision of the shaft head processing.

horizontal double station; axle processing; NC boring machine

1001-2265(2014)07-0129-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.037

2013-07-10；

2014-02-11

霍蘇萍(1965—)，女，河南陜縣人，三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的研究與教學(xué)，(E-mail)1098699341@qq.com。

TH122；TG65

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