一種重型商用車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)機(jī)加工工藝路線制定

文／劉國(guó)偉·湖北神力鍛造有限責(zé)任公司

汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的一個(gè)重要零件，是汽車(chē)前輪導(dǎo)向及承載部分的關(guān)鍵零件之一，它將方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度有效地傳遞到汽車(chē)前輪上，實(shí)時(shí)控制汽車(chē)行進(jìn)中的路線，從而保證汽車(chē)安全、準(zhǔn)確無(wú)誤地運(yùn)行。其軸部與前輪相連；叉架部的主銷(xiāo)孔，通過(guò)主銷(xiāo)與汽車(chē)前軸相連；此外，叉架部還與左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂相連，使汽車(chē)獲得正常的靈活轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向節(jié)上主銷(xiāo)孔的中心線與軸承頸中心線的垂線有一定的偏角，俗稱主銷(xiāo)內(nèi)傾角，其主要作用是使汽車(chē)轉(zhuǎn)向靈活方便，安全可靠。轉(zhuǎn)向節(jié)承受的作用力較復(fù)雜，既受到變載荷的彎曲變應(yīng)力的作用，又承受一定的沖擊載荷和扭轉(zhuǎn)力矩，因此轉(zhuǎn)向節(jié)的材料需要有良好的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。其幾何形狀比較復(fù)雜，需要加工的幾何形體比較多，各幾何表面之間位置精度要求較高，其加工精度的高低會(huì)影響到汽車(chē)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)向精度。

零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝分析

我公司承接的一種重型商用車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)，零件圖如圖1所示，材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度269～321HBW。

轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)是支承軸、凸緣盤(pán)和支架等零件結(jié)構(gòu)的空間組合。支承軸部分的結(jié)構(gòu)形狀為階梯軸，是由同軸的外圓柱面、圓錐面、螺紋面以及與軸心線垂直的軸肩、過(guò)渡圓角和端面組成的回轉(zhuǎn)體；凸緣盤(pán)部分包括凸緣面、均布的連接螺栓孔和轉(zhuǎn)向限位螺釘孔；支架部分是由轉(zhuǎn)向節(jié)的上、下耳和凸緣面構(gòu)成的支架形體。轉(zhuǎn)向節(jié)由于其結(jié)構(gòu)特征，決定了其特殊、復(fù)雜的加工工藝流程。

經(jīng)過(guò)我們認(rèn)真分析后認(rèn)為該零件的加工難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：⑴15-M16螺紋孔的位置度φ0.3mm；⑵上、下兩主銷(xiāo)孔的跳動(dòng)量0.05mm；⑶上、下耳環(huán)內(nèi)端面相對(duì)主銷(xiāo)孔中心的垂直度0.05mm；⑷上耳環(huán)內(nèi)端面φ315/R4的加工；⑸下耳環(huán)φ81.6mm沉孔的加工；⑹法蘭端面環(huán)形槽的加工；⑺兩軸承頸的跳動(dòng)量0.03mm及其圓度0.01mm。這幾個(gè)難點(diǎn)也是我們?cè)谶M(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的地方。

毛坯的制造形式

根據(jù)該零件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)形式，毛坯生產(chǎn)廠家確定采用立式鍛造的方式生產(chǎn)該零件。對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)，采用立式鍛造的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：⑴鍛件桿部直徑方向的尺寸比較穩(wěn)定，形狀也規(guī)整，比較適合于第一序銑端面打中心孔工序的定位，桿部加工余量也比較均勻；⑵法蘭面的叉架部位側(cè)無(wú)需拔模，因此可以不用加工，故可以直接打中心孔。

缺點(diǎn)：⑴桿部長(zhǎng)度方向加工余量不穩(wěn)定，公差累積后，存在桿部端面和法蘭面端面加工余量大的問(wèn)題；⑵叉架部位的上、下耳環(huán)端面，由于主銷(xiāo)內(nèi)傾角的存在，下端面為了便于拔模，拔模方向正好和加工后端面的傾斜方向相反，故加工余量大；⑶鍛件的錯(cuò)差，直接影響到上、下耳環(huán)端面的加工余量的均勻性，嚴(yán)重的情況下會(huì)出現(xiàn)端面黑皮的現(xiàn)象。

工藝路線的制定

生產(chǎn)綱領(lǐng)和生產(chǎn)節(jié)拍

根據(jù)客戶需求和市場(chǎng)預(yù)測(cè)情況，確定年綱領(lǐng)為9萬(wàn)件，三班制生產(chǎn)，工藝節(jié)拍為3.5min/件。

工序劃分

通過(guò)對(duì)零件的認(rèn)真分析，我們對(duì)工序進(jìn)行了如下劃分：銑端面打中心孔→粗車(chē)桿部外圓和法蘭端面→精車(chē)桿部外圓和法蘭端面→叉架部位銑凸臺(tái)、鉆孔、攻螺紋、鉸孔→法蘭部位鉆孔、攻絲→粗銑上下耳環(huán)端面→粗鉆主銷(xiāo)孔→精鏜主銷(xiāo)孔，銑內(nèi)端面→精磨桿部軸承頸→打刻標(biāo)識(shí)、下線。

理由如下：⑴銑端面打中心孔是為后續(xù)桿部和法蘭端面的加工提供基準(zhǔn)；叉架部位銑凸臺(tái)，鉆孔、攻螺紋、鉸孔是為了后續(xù)叉架部位其他尺寸的加工提供基準(zhǔn)；⑵粗加工和精加工分開(kāi)，如設(shè)置了粗車(chē)桿部外圓和法蘭端面、粗銑上下耳環(huán)端面、粗鉆主銷(xiāo)孔三個(gè)粗加工工序；⑶法蘭部位鉆孔、攻絲安排在其他工序前面，主要是考慮需加工的孔高達(dá)15個(gè)，絲錐容易折斷，產(chǎn)生廢品；而且螺紋孔的位置度精度要求較高，易出現(xiàn)不良品。從而避免其他工序加工后的浪費(fèi)；⑷銑內(nèi)端面和精鏜主銷(xiāo)孔放在一個(gè)工序內(nèi)，主要考慮內(nèi)端面相對(duì)主銷(xiāo)孔中心的端面垂直度要求較高，放在一個(gè)工序內(nèi)，可以避免二次裝夾誤差，保證加工質(zhì)量；⑸精磨桿部軸承頸，主要是考慮軸承頸精度要求很高，故將其排在后面，避免其他工序加工時(shí)對(duì)軸承頸產(chǎn)生磕碰傷。

定位基準(zhǔn)的選擇

針對(duì)該零件，由于既有桿部的加工，又有叉架部位孔和平面的加工，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工部位較多，因此，加工不同的部位，需要選擇不同的基準(zhǔn)：⑴在加工桿部時(shí)，不管是粗車(chē)、精車(chē)、精磨工序，我們均以桿部?jī)啥说闹行目鬃鳛榧庸さ幕鶞?zhǔn)，即桿部加工的精基準(zhǔn)；⑵在加工作為桿部精基準(zhǔn)的中心孔時(shí)，選擇桿部外圓作為粗基準(zhǔn)，可以保證后續(xù)車(chē)、磨工序加工余量均勻；⑶加工叉架部位時(shí)，所有工序均選擇φ100mm軸頸、φ18mm孔及法蘭端面作為精基準(zhǔn)，采用“一面雙銷(xiāo)”的定位方式。這樣各工序的基準(zhǔn)就實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，確保加工質(zhì)量。

工藝方案及路線

設(shè)備選型方面，粗加工和精加工設(shè)備分開(kāi)，關(guān)鍵工序選用加工中心等數(shù)控設(shè)備，部分工序選擇專機(jī)和通用設(shè)備，保證適當(dāng)?shù)娜嵝浴⑸a(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也可以避免加工過(guò)程中因疏忽而造成加工尺寸遺漏。

根據(jù)前述一些原則，結(jié)合我們工藝調(diào)研情況，確定了：⑴零件的加工工序；⑵滿足各工序要求的工藝設(shè)備（設(shè)備、夾具、刀具、量具等），對(duì)專用工藝裝備提出工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)；⑶各工序的技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法；⑷各工序的加工余量、計(jì)算工序尺寸和公差；⑸切削用量；⑹時(shí)間定額。形成的最終工藝方案和路線如表1所示。

表1 最終工藝方案和路線

在生產(chǎn)綱領(lǐng)一定的情況下，我們確定建設(shè)一條生產(chǎn)線，故在提出專用機(jī)床的設(shè)備技術(shù)任務(wù)書(shū)時(shí)，我們要求該工序必須用一臺(tái)設(shè)備保證生產(chǎn)節(jié)拍的要求，這樣相對(duì)于兩條或多條生產(chǎn)線，可以大大減少設(shè)備的投入，節(jié)約了投資和成本。

此外，由于該零件毛坯重量為32kg，采用人工上下料勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，同時(shí)為了降低人工成本，我們提出了采用3臺(tái)行走機(jī)器人組成的自動(dòng)物流線代替人工實(shí)現(xiàn)上下料和工序間工件的轉(zhuǎn)運(yùn)。工藝設(shè)備平面布置如圖2所示。

圖2 工藝設(shè)備平面布置

工藝裝備的要求

⑴對(duì)機(jī)床夾具的要求。一是穩(wěn)定地保證工件的加工精度；二是提高機(jī)械加工的勞動(dòng)生產(chǎn)率；三是結(jié)構(gòu)件簡(jiǎn)單，有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和勞動(dòng)條件；四是應(yīng)能降低工件的制造成本。簡(jiǎn)而言之，設(shè)計(jì)夾具時(shí)必須保證加工質(zhì)量、生產(chǎn)率、勞動(dòng)條件和經(jīng)濟(jì)性等幾方面達(dá)到辯證的統(tǒng)一。其中保證加工質(zhì)量是最基本的要求。

⑵對(duì)設(shè)備的特殊要求。由于生產(chǎn)線全新建設(shè)，設(shè)備全部為新增，為了統(tǒng)一美觀，對(duì)所有設(shè)備的外觀顏色和積屑小車(chē)提出了統(tǒng)一的要求；由于計(jì)劃采用機(jī)器人自動(dòng)物流線進(jìn)行上下料，對(duì)設(shè)備還提出了以下特殊要求：1）設(shè)備的控制系統(tǒng)須和自動(dòng)上下料機(jī)械手或機(jī)器人的控制系統(tǒng)相互通訊，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，確保裝卸零部件和運(yùn)行安全；2）配置可自動(dòng)開(kāi)、關(guān)的防護(hù)門(mén)，采用雙開(kāi)“┓”敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，方便機(jī)器人更換零件；防護(hù)門(mén)裝有電氣聯(lián)鎖保護(hù)裝置及解除互鎖控制開(kāi)關(guān)，并采用光電保護(hù)，光電信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)綑C(jī)器人系統(tǒng)，以保證操作者和機(jī)器人的安全；3）機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式工作；4）機(jī)床的控制系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床操作門(mén)的開(kāi)關(guān)、工件的夾緊松開(kāi)、夾具定位面的自動(dòng)清理等動(dòng)作。

⑶刀具。對(duì)于刀具的選擇，盡量采用復(fù)合刀具，以提高加工效率，同時(shí)還要保證刀具消耗控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。

⑷量、檢具。轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸磨削、主銷(xiāo)孔孔徑鏜削和軸承頸精車(chē)時(shí)采用自動(dòng)在線測(cè)量，以確保關(guān)鍵尺寸的加工質(zhì)量；普通尺寸采用通用量具（卡規(guī)、塞規(guī)、卡尺、內(nèi)徑量表、外徑千分尺等），形位公差采用CMM進(jìn)行檢查。

⑸配套的自動(dòng)物流線。生產(chǎn)線采用3臺(tái)行走機(jī)器人組成的自動(dòng)物流線代替人工實(shí)現(xiàn)上下料和工序間工件的轉(zhuǎn)運(yùn)。自動(dòng)物流線由上下料平臺(tái)、中間轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)、抽檢平臺(tái)、機(jī)器人導(dǎo)軌單元、機(jī)器人、機(jī)器人自動(dòng)夾具單元、工件自動(dòng)清理裝置、工件打刻標(biāo)識(shí)設(shè)備、安全隔離護(hù)欄、安全防護(hù)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、各類控制柜和控制系統(tǒng)等組成。

⑹控制、信息系統(tǒng)。由中央控制臺(tái)、機(jī)器人控制系統(tǒng)與所有設(shè)備進(jìn)行通信的從站、網(wǎng)絡(luò)及軟件、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、警示/報(bào)警/顯示以及安全防護(hù)系統(tǒng)等組成。機(jī)器人中央控制系統(tǒng)采用S7-317-2DP系列PLC，與各臺(tái)設(shè)備之間采用profibus總線通訊方式。

實(shí)施效果

生產(chǎn)線建成及投產(chǎn)后，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，達(dá)到了工藝設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品質(zhì)量符合技術(shù)要求，同時(shí)也為我公司自動(dòng)化生產(chǎn)線建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。建成后的生產(chǎn)線如圖3所示。

圖3 建成后的生產(chǎn)線

在加工生產(chǎn)的過(guò)程中，采用立式鍛造方式生產(chǎn)的鍛件的優(yōu)缺點(diǎn)也得到了驗(yàn)證。通過(guò)鍛造控制和加工時(shí)的調(diào)整，鍛件就能很好的滿足機(jī)加工要求。