起重機轉向節的數控車削加工

孟維，馬黎麗，黃龍

徐州重型機械有限公司 江蘇徐州 221004

1 序言

轉向節是獨立懸架系統（見圖1）的核心零件，在某新型起重機上承受著多變的沖擊載荷，支撐并帶動車輪轉動，使起重機在行駛過程中轉向。轉向節分為驅動轉向節和非驅動轉向節，轉向性能受轉向節精度的影響較大。我公司自2017年1月以來，對廢品轉向節進行統計，因尺寸超差的廢品轉向節占比達到85%以上，所以需要對轉向節的加工工藝進行研究，使其能夠滿足使用性能，在保證質量的前提下實現批量生產。

圖1 獨立懸架系統

2 轉向節加工技術要求

圖2所示為轉向節，其質量為58.15kg，目前采用臥式車床進行加工，工藝路線為：來料檢驗→粗銑→粗車→調質處理→精車→精銑→滾花鍵→檢驗入庫。轉向節屬于異形件，各型面和加工尺寸較多，幾何精度要求高，主要加工部位包括型腔上下基準面、型腔內腔、各精度孔、錐面、外圓和內孔等。

圖2 轉向節

3 加工難點分析

經分析，加工中存在如下難點。

1）鍛件毛坯粗加工余量大（見圖3），軸肩余量相比其他位置更多，且外形不規則，無法實現高效除去余量，車削效率低。

圖3 鍛件毛坯粗加工余量大

2）轉向節幾何公差和尺寸精度要求高，采用花盤裝夾定位，裝夾剛性差，且裝夾不牢靠導致車削過程中工件產生微動，造成尺寸精度、幾何精度超差。

3）轉向節內腔不規則，空間位置復雜，加工干涉導致內孔刀具直徑受限，車削時易產生振動，其內孔f80mm軸承座孔相對于基準C-D的徑向圓跳動最大變動量為0.005mm。由于用于反車內孔的刀桿受通孔直徑限制，剛性差，轉向節的內孔加工精度控制困難，且一次裝夾車削后，內孔的精度檢測正確率低。

4）轉向節f110mm外圓處要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，中低速車削很難保證表面粗糙度要求。

4 解決思路

針對轉向節車削工序裝夾不牢、定位精度差、剛性差及加工精度不易控制等難題，解決思路如下。

1）通過心軸裝夾或單動卡盤裝夾方案，實現轉向節在數控車床的定位，解決轉向節無法裝夾的難題。

2）通過建立轉向節余量車削模型，借助計算機輔助編程軟件優化車削路線，解決車削效率低的難題。

3）通過設計制作轉向節專用裝夾過渡套，實現轉向節能夠調頭裝夾，采用階梯式組合變徑鏜孔刀解決剛性差和無法測量的難題。

5 確定裝夾方案

1）根據轉向節結構特點，在數控鏜銑床完成粗銑后，使用普通心軸裝夾方案（見圖4）粗加工，將自制心軸工裝穿入轉向節f76mm、f50mm臺階孔，通過鎖緊螺母實現轉向節在數控車床上的定位裝夾，依靠卡盤夾持和心軸端的撥塊2實現車削時的轉矩傳遞，并在卡盤處安裝配重平衡塊。

圖4 轉向節使用普通心軸裝夾方案

2）經過初步驗證，采用心軸裝夾，由于轉向節f76mm、f50mm臺階孔在數控鏜銑床通過U鉆和擴孔鉆加工，內孔尺寸不穩定，受內孔精度低的限制，僅依靠端面進行鎖緊，工件易松動，對轉向節的裝夾方案有限制，且每次都需拆卸撥塊2，撥塊2也有松動的隱患。

3）采用單動卡盤裝夾方案（見圖5），考慮到轉向節可夾持的位置均遠離卡盤，經測量，需要將卡爪長度增加約300mm，標準卡爪不能滿足要求。通過重新設計制作卡爪，增加夾持剛性，上道工序粗銑時還需要將平面銑出，增加卡爪與工件的接觸面積。

圖5 轉向節單動卡盤裝夾方案

4）轉向節軸向定位（見圖6）采用分體式定位工裝，即在本體上實現與轉向節接觸部位可更換，安裝工裝本體時需要進行軸向圓跳動、徑向圓跳動找正。此裝夾方案可滿足驅動轉向節和非驅動轉向節的粗、精加工的裝夾定位要求。

圖6 轉向節軸向定位

6 優化工藝路線

6.1 建立轉向節零件模型

隨機抽取5件轉向節毛坯進行測量，在不同位置選取5組數據進行零件毛坯模型的建立，轉向節毛坯采集點如圖7所示。通過比對鍛造毛坯的直徑，發現采集點的工序余量大小相對較為均勻。轉向節毛坯坐標點采集數據匯總見表1。將各項影響因素綜合分析計算[1]并在數控車床上找正后，最高點與最低點的落差為2.5～3.0mm，可將最終建模毛坯外徑增大4～6mm。

表1 轉向節毛坯坐標點采集數據匯總 （單位：mm）

圖7 轉向節毛坯采集點

6.2 粗加工

考慮到機床卡盤直徑大、離心力大等因素，可將安全系數設置為0.8，推薦切削速度vc=131m/min，轉速n=238r/min，背吃刀量ap=3.5mm，進給量f=0.4mm/r。可使用CAXA數控車削軟件編程和手工編程相結合的方式來編制轉向節加工程序。

粗加工時，建議使用頂尖輔助頂緊工件，頂緊前需要在f52mm內孔端面處進行60°倒角，方便頂針頂緊工件，防止工件內孔與尾座不同心，可避免工件在加工過程中出現松動。

6.3 精加工

轉向節精加工受其結構形式限制，按一般的工藝順序應該先內后外[2]，即先加工內孔部分，再車削外圓。但內孔若采用抗振阻尼刀桿進行反向車削，則存在刀桿直徑受限的問題，易引起車削振動，f80mm內孔加工完成后還存在無法測量等問題。

（1）外圓和端面止口的精加工 考慮到外圓加工需要控制f110mm、f93.864mm等6處外圓尺寸，按先后順序分刀車削，其中f110mm外圓要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，受離心力、線速度低的影響，通過車削外圓表面不易達到工藝要求，此處可采用滾壓工藝替代車削，可將f110h7外徑公差車削至0～0.01mm，再通過單針滾壓刀實施滾壓后，使用便攜式表面粗糙度測量儀測得表面粗糙度值Ra=0.423μm，符合工藝技術要求。轉向節外圓精加工車削和滾壓切削參數見表2。

表2 轉向節外圓精加工車削和滾壓切削參數

將機床尾座退至安全距離后，使用內孔刀車削f56mm孔至要求尺寸并按要求倒角，因工件懸伸較長，為保證內孔加工質量，內孔車刀需縮至最短（若刀桿過長，可切除多余部分），盡量選擇正前角鋒利型刀片。

（2）轉向節二次裝夾和過渡保護套 若調頭后直接裝夾工件，則易破壞轉向節的表面粗糙度，需要制作過渡保護套。保護套材質選用QT450-10球墨鑄鐵，考慮到裝夾牢固和安全性，可使用階梯式開口保護套（見圖8）。轉向節二次裝夾找正如圖9所示。

圖8 階梯式開口保護套

圖9 轉向節二次裝夾找正

（3）轉向節f80mm內孔精加工及控制方法 轉向節f80mm內孔以內溝槽為分界線，需要分別控制，可按先內后外的順序[3]，先加工最小尺寸的孔，再控制靠近端面處的f80mm孔。由于受轉向節結構形式影響，內孔刀桿既要滿足懸伸長度400mm,又要避免加工時f52mm底孔干涉問題，優先選用直徑40mm的10倍徑抗振阻尼鏜桿，可通過外轉內冷的方式，即將切削液接入刀桿，實現切削時充分冷卻，避免溫升對內孔尺寸產生影響。切削時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，便于內孔尺寸控制。

精加工完成后，采用內溝槽刀將f83mm槽切出。檢測時，考慮到其公差范圍只有0.019mm，推薦使用內徑千分表檢測，為保證檢測結果的正確性，檢測時需要在同一截面內進行多點測量。

7 結束語

轉向節的余量大、結構形式復雜，幾何精度和尺寸精度要求高，一般情況下很難保證該異形件的加工質量要求。通過對轉向節車削工藝進行研究，采用特制帶配重功能的加長卡爪裝夾，自制分體式定位心軸解決轉向節裝夾不牢的難題；自制階梯開口式保護套，解決了二次裝夾對外圓破壞的難題；合理規劃切削路線、選擇切削參數，保證了轉向節的加工質量。該工藝方法還適用于客車等異形承載結構件的加工。

專家點評

本例中的轉向節結構復雜、加工精度高。通過工藝分析，制定科學合理的車削方案，采用加長卡爪和分體式定位心軸解決轉向節裝夾不牢的難題，自制保護套解決了二次裝夾對外圓的破壞，最終保證了轉向節的加工質量。

文章的亮點是薄壁異形零件的車削工藝改進，從工裝夾具和加工方法入手，制定具體的解決方案，通過合理規劃切削路線，逐項解決了各項車削難點，在保證質量的前提下實現批量生產。