重卡橋殼加工設備技術難點分析

張來民

沈陽機床（集團）有限公司設計研究院 遼寧沈陽 110000

汽車車橋（又稱車軸）通過懸架與車架（或承載式車身）相連接，其兩端安裝車輪。車橋的作用是承受汽車的載荷，維持汽車在道路上的正常行駛。根據驅動方式的不同，車橋也分成轉向橋、驅動橋、轉向驅動橋和支持橋四種。此設備用于加工橋殼大盤面、盤孔及銷孔、加工板簧座孔、連接板孔；鉆感應塞孔，固定盤孔、粗精鏜橋殼兩端內孔，加工背面孔及貫通軸孔等內容。

1 概述

汽車的行駛系統分為四大主要部分：車橋、車輪、車架和懸架。汽車車橋（又稱車軸）通過懸架與車架（或承載式車身）相連接，其兩端安裝車輪。車橋的作用是承受汽車的載荷，維持汽車在道路上的正常行駛。車橋可以是整體式的，有如一個巨大的杠鈴，兩端通過懸架系統支撐著車身，因此整體式車橋通常與非獨立懸架配合；車橋也可以是斷開式的，像兩把雨傘插在車身兩側，再各自通過懸架系統支撐車身，所以斷開式車橋與獨立懸架配用。根據驅動方式的不同，車橋也分成轉向橋、驅動橋、轉向驅動橋和支持橋四種。其中轉向橋和支持橋都屬于從動橋。大多數汽車采用前置后驅動（FR），因此前橋作為轉向橋，后橋作為驅動橋；而前置前驅動（FF）汽車則前橋成為轉向驅動橋，后橋充當支持橋。轉向驅動橋與轉向橋的區別就是一切都是空心的，橫梁變成了橋殼，轉向節變成了轉向節殼體，因為里面多了根驅動軸。這根驅動軸因被位于橋殼中間的差速器一分為二，而變成了兩根半軸。兩個草帽也不是簡單地套在腦袋上，還要與里面的兩根半軸直接相連。半軸在“脖子”的位置也多了一個關節—萬向節，因此半軸也變成了兩部分，內半軸和外半軸。

我們此次研究的設備就是用來加工轉向驅動橋，此種橋形狀特點是中間帶一個大橋殼，兩端軸頭是焊接的，橋殼按照材料也分為鑄造和焊接兩種，實際使用中焊接橋比較常見。此設備用于加工橋殼大盤面、盤孔及銷孔、加工板簧座孔、連接板孔；鉆感應塞孔，固定盤孔、粗精鏜橋殼兩端內孔，加工背面孔及貫通軸孔等內容。

重卡橋殼加工設備的研究主要是針對我國重卡橋殼柔性加工工藝的研究及生產線布局結合國產高檔數控機床的現狀,結合重卡橋殼加工工藝特點，通過對重卡橋殼加工數控機床、共性技術等成果的實際工程應用，解決國產高檔數控機床在生產使用過程中存在的實際問題并進行應用,完善機床功能、提高機床精度和可靠性、提高工件加工質量和加工效率。以共性技術研究成果為技術支撐，實現國產高檔數控機床在重卡橋殼生產線加工中的應用。根據應用過程中存在的問題，提出國產高檔數控機床的設計優化方案,為國產機床的后續開發提供經驗，進一步促進國產高檔數控機床的研發水平和產業化水平。

2 重卡橋殼加工設備總體規劃

本設備采用倒T型分體床身布置，橫床身上設置數控轉臺，轉臺可實現連續分度，轉臺沿床身導軌做X軸運動；縱床身上設置立柱，立柱沿縱床身導軌做Z軸運動；主軸箱沿立柱導軌做X軸運動；主軸箱采用正掛方式，用配重鐵平衡自身重量，降低驅動系統的負荷；機床前端設置兩個交換臺站，通過推拉方式實現工作臺臺板的交換，這樣兩個臺子輪流進入機床加工，節省了上下料等待時間，極大地提高了加工效率。縱床身側面設置60把自動刀庫，實現機床加工中的自動換刀功能。

X、Y、Z軸導軌采用直線滾動導軌，保證低速無爬行、高速無振動。進給采用進口交流進給伺服電機帶動滾珠絲杠傳動。交流伺服進給電機作為動力源，滾珠絲杠作為傳動部件。滾珠絲杠為兩端固定支撐，預拉伸，確保絲杠進給剛度和壽命。

主軸組具有高精度，高剛性，整套主軸在恒溫條件下組裝完成后，均通過動平衡校正及跑合測試，提高了整套主軸的使用壽命及可靠性。交流主伺服電機經過變檔減速機驅動主軸，既能實現高轉速、又能實現大扭矩。

3 重卡橋殼加工設備技術難點

3.1 臥式加工中心大直徑工件回轉與雙交換上下料技術攻關

重卡橋殼零件具有質量重、長度長（最大長度達到2100mm）加工內容復雜等結構特點，如此大的零件在機床加工區范圍內回轉加工以及雙交換工作臺的交換成為技術難點。如采用傳統的回轉式雙交換工作臺，工件交換的回轉直徑至少要5000m以上，在設備占地空間、交換時間、交換可靠性方面均存在問題。經過大量調研和實地考察結合相關重卡橋殼生產廠家技術人員多次探討、調研后，最終確定推拉式雙交換工作臺型式的臥式加工中心方案，推拉式上下料機構穩定，有效的解決了上述問題。

在交換臺站的框架上，布置鏈輪鏈條傳動機構，由液壓馬達通過減速機增大扭矩后驅動鏈條傳動，滑板伸出后上層鏈條上的滾輪勾住臺板上的滑槽，從而帶動臺板回到交換臺上料位或是推動臺板到數控轉臺加工位。

在上料位液壓馬達通過鏈條推動臺板停止在撞停位置上，由于自動上下料時機械手有一個反向的撫平力，所以要計算出此時液壓馬達的保持力。根據選型可知液壓馬達在7MPa油壓下能提供的扭矩為160Nm以上，經減速機1：7減速后增大為160X7=1120Nm，由圖1可知在直線位置時，驅動力F=1120/0.15=7466.7N；臺板停下位置為45°圓弧處，此時的驅動力為F1=Fcos45°=5279.8N。所以機械手的撫平力不可超過此數值，并留有一定安全系數。

圖1 推拉式雙交換工作臺方案圖

3.2 超大直徑與重量刀具加工以及快換技術攻關

重卡橋殼加工刀具直徑大、質量重（如琵琶孔加工刀具直徑達?428mm，重量超過25kg）長度長（如兩端孔加工刀具長度360mm）等特點。為此在傳統刀庫基礎上增強了換刀機械手的剛性以及抓刀重量，改進刀庫結構。增加刀庫擺刀和插拔速度控制功能，在更換大刀或重刀時，整個換刀動作變慢，減小刀具運動的慣性，使換到動作穩定、準確、可靠。

3.3 工序集中需求相關特殊工裝自動姿態切換技術攻關

重卡鑄造橋殼零件特點，板簧座面與琵琶面存在3度夾角，正常是至少需要三道工序才能加工完成，由于設備雙交換工作臺只能提供兩道工序，如果多臺設備分序加工，零件各項尺寸精度和位置精度無法有效保證，本著工序集中原則，目標把三道工序壓縮為二道工序，為解決這個難題，在夾具設計中專門設計了二層底板，上層的底板通過兩端的回轉軸承實現回轉，固定在下層底板上的推拉油缸驅動，來實現上層底板3度夾角的變換。由于加工過程中無法提供液壓油路供應，在加工區側面設置油路快換接頭，并且夾具上增加保壓裝置，一個姿態加工完畢后工作臺靠近快插接頭后通油，待姿態變換之后脫離，夾具上保壓裝置確保內部油路不會失壓。此套方案有效的解決了工序集中以及帶來的相關技術難題。

我們為滿足雙交換式重卡橋殼加工專用機床的夾具供油，專門設計研究出適合該結構的油路快插機構：使夾具在工件上下料，松開夾緊，工件姿態轉換上能夠不依靠人工干預，自動完成，同時避免油路交叉，使兩套夾具可以自動交換。該結構的使用使雙交換機床組線成為可能。

3.4 不同品種共線自動識別技術

由重卡橋殼加工專用機床組成的重卡橋殼自動化柔性生產線，能夠自動識別不同品種的重卡橋殼，從而避免誤加工給整線帶來的損失。第一通過是機器人與重卡橋殼專用機床交互通信實現，在上料位自動線識別工件的種類，并將信息傳輸給機床，機床調取相應的加工程序；第二是通過重卡橋殼專用機床配備探針裝置實現不同種重卡橋殼的品種識別，臺板交換進加工區后，機床主軸換上探針去檢測夾具上的一些關鍵點的位置，以此來區分夾具種類，從而能夠識別出當前在加工區內的工件種類，作為二次確認避免發生事故。

同時在機床的上料區設置有上料臺有無料檢測，可以識別和驗證當前兩個臺板的位置，避免發生上料事故；同時也能避免自動機械手在臺板上有料的情況下再次上料，發生碰撞。在涉及到自動線的情況下，各種狀態的判斷就尤為重要，需要嚴謹的邏輯關系，保證安全的前提下，合理的編制運行關系判斷，能起到事半功倍的效果。

3.5 重卡橋殼技術參數攻關

重卡橋殼機床在攻克上述技術難點同時在機床參數方面攻克重卡橋殼加工專用機床精度：X、Y、Z定位精度≤0.009mm；重復定位精度≤0.006mm；轉臺B定位精度≤8″，重復定位精度≤5″；主軸端部徑向跳動≤0.003mm，工作臺交換重復定位精度±0.005mm；設備MTBF≥1500小時；不低于30%設備上采用國產功能部件率。

高定位精度、重復定位精度要求我們在加工和裝配中牢牢把握住質量關，嚴格按照相關國家標準要求鑄件質量，檢驗鑄件性能，充分進行鑄件的去應力處理；壓縮加工精度要求，通過適當的刮研修磨，保證足夠的接觸剛性，使精度滿足要求并且有一定的儲備量。主軸部分進行結構優化設計，改進裝配工藝，緊把加工、裝配質量關；主軸箱裝配完成后，對主軸進行溫升試驗，對傳動機構進行充分的、科學的試運行，達到運行穩定可靠無異響，使其精度達到穩定狀態。如此大規格的數控轉臺，充分和專業生產廠家進行技術溝通，保證其精度和剛性滿足使用要求。為支持民族工業，此設備上采用了大量優質的國產元器件，通過驗證證明國產元件雖然和進口元件性能仍有差距，但已經有了長足的進步，雖然國內裝備制造業仍然任重道遠，但是相信通過不斷的努力，總有一天會實現趕超的。

4 結語

通過重卡橋殼加工設備的研發，可解決重卡橋殼制造業相關的諸多工藝問題，在加工效率、柔性及質量上得到極大提高，經濟效益顯著。相關設備的研制成功可在同行業中進行推廣應用，具有極大的社會效益；可以掌握重卡橋殼高效數控加工各項關鍵技術和適用于重卡橋殼加工的機床設計、制造、成線技術，對于提升國產機床適用性、推動重卡關鍵結構件和機床制造行業發展，提升行業技術水平有顯著幫助；可大幅提高國產數控裝備柔性線加工重卡橋殼的生產效率、降低成本；有助于推動國產高檔數控機床在重型汽車制造企業的應用，促進國產高檔數控機床研發水平和產業化水平的提高。

根據研究表明，此重卡橋殼加工設備，精度指標符合要求。通過將實際加工數據與圖紙要求進行比較，發現本研究內容的重卡橋殼加工設備能夠滿足典型重卡橋殼的加工工藝要求，實現重卡橋殼的精密加工，并達到了重卡橋殼的指標要求；從工藝能力的數據結果對比可以看出，重卡橋殼加工設備在加工精度以及加工效率等方面與國外先進產品已達到同等加工性能。該類設備的研究填補了重卡橋殼工序集中工藝國內設備的空白，成為國內重卡橋殼加工工序集中工藝方案首創者。有力地擋住了進口機床的進入，提升了國內重卡橋殼制造能力和水平。