掛車車軸加工的全新工藝及機(jī)床的研究
2021-5-18 來源： 寧夏長興精密機(jī)械有限責(zé)任公司 作者：施文秀
摘要：汽車掛車軸專門化數(shù)控車床用于掛車軸的車削加工，掛車軸軸身部分為方形或圓形，車軸全長1.8~2.8 m。車軸需根據(jù)毛坯尺寸不同加工成長度不同的成品車軸。本文提出的掛車車軸加工全新藝為：在一臺機(jī)床上，一次上下料即可自動完成車軸兩端的全部車削加工。
關(guān)鍵詞：掛車車軸；加工工藝；基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換；多連桿測量
汽車掛車軸是汽車車輛的重要零部件，主要用于半掛載貨車的長途運(yùn)輸。隨著公路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)及物流運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，該零部件市場有很大的需求。目前全國生產(chǎn)該產(chǎn)品的主要廠家有近百家，年產(chǎn)銷量180余萬件。大部分廠家制造該產(chǎn)品的工藝及設(shè)備都比較落后，車軸兩端的加工均采用分散工藝，一個(gè)車軸的軸端加工約需5~8序完成，存在生產(chǎn)效率低、制造精度低、人工成本高、生產(chǎn)流程長及難以實(shí)現(xiàn)自動化等問題。
通過對現(xiàn)行掛車軸加工工藝的分析研究，充分了解用戶不同車軸制造工藝、不同技術(shù)要求，本文提出的加工工藝采用高度集成的加工工藝，可實(shí)現(xiàn)一次裝夾，完成車軸兩端內(nèi)孔、外圓以及端面的所有車削加工工序內(nèi)容。為達(dá)到本加工工藝要求，機(jī)床通過總體方案設(shè)計(jì)、裝夾基準(zhǔn)自動轉(zhuǎn)換、自動輸送料裝置、自動化控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究，以及自動檢測裝置、高精度尾架、主軸托料裝置、送料裝置等關(guān)鍵部件的研發(fā)，最終設(shè)計(jì)形成了本文論述的掛車軸加工用的雙端面專門化數(shù)控車床。現(xiàn)就掛車軸的加工工藝和本文論述的雙端面專門化數(shù)控車床的大體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。
1、 車軸生產(chǎn)工藝分析及新型生產(chǎn)工藝推薦
為詳細(xì)了解車軸加工工藝，先介紹掛車車軸的結(jié)構(gòu)及要求，汽車掛車軸有很多種，按形狀不同，分為實(shí)心方型車軸,空心方管車軸、空心圓管車軸，其中空心方管車軸按形狀和尺寸不同又分為美式車軸和德式車軸。其大體結(jié)構(gòu)見圖1：掛車車軸結(jié)構(gòu)示意圖。掛車軸要求除外圓內(nèi)孔的通用車削加工要求外，要求后軸承位、油封位、過渡圓弧面以及底板位壁厚均勻且不得小于要求最小值，所以為保證壁厚均勻，在加工車軸前，應(yīng)先對檢測軸肩進(jìn)行軸向位置測量，以測量軸肩位置為加工工件的軸向基準(zhǔn)，以最小加工余量完成車軸外圓、內(nèi)孔和端面的加工。掛車車軸兩端車加工的形位公差、尺寸公差等精度要求均較高，本文不做過多贅述。
圖1 掛車車軸結(jié)構(gòu)示意圖
圖2
1.1 整體車軸傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝
工序1：毛胚軋制成型。
工序2：毛胚調(diào)質(zhì)。
工序3：雙頭鏜床/銑專機(jī)：加工兩端端面、內(nèi)孔/中心孔。為保證加工零件壁厚均勻的要求，此序加工工藝基準(zhǔn)為軸承位，軸向檢測油封位檢測軸肩。
工序4~5：采用單刀架通用數(shù)控車床：掉頭加工兩端軸徑各部位。此序加工工藝基準(zhǔn)為前序加工的內(nèi)孔及錐面，軸向檢測端面位置。少部分用戶用雙刀架數(shù)控車床：一端由主軸夾具內(nèi)撐，另一端尾架頂緊，加工兩端軸徑各部位。采用此設(shè)備比單刀架數(shù)控車床效率高，但加工一些特定車軸，存在由于內(nèi)孔較小，內(nèi)撐夾具傳遞扭矩不夠，不能大扭矩車削等加工質(zhì)量問題。
工序6：銑鍵槽、鉆徑向孔。
工序7：熱處理：軸徑淬火、校直；也有用戶軸徑不淬火。
工序8：磨兩端外圓軸承位，也有客戶軸徑不淬火，而選用毫克能的。
工序9：焊接制動底板等附件。
工序10：加工制動底板端面孔，或者外側(cè)端面（碟剎車軸）。
工序11：焊接叉架、校直。
工序12：噴涂、檢驗(yàn)，然后轉(zhuǎn)車軸總成裝配。
按照此傳統(tǒng)工藝進(jìn)行車削加工，從工序3~工序5，工序3序完成車加工工序，掛車軸零件外形不規(guī)則，長度1.8m~2.8m，單件重約150Kg，采用傳統(tǒng)工藝多次上下料，增加制造過程的輔助時(shí)間，生產(chǎn)效率低，人工上下料不易操作，工人勞動
強(qiáng)度大。并且存在發(fā)生特定車軸內(nèi)孔小，撐內(nèi)孔尾架頂緊工件時(shí)，夾緊力不足，發(fā)生加工效率低下或夾持不牢造成廢品等質(zhì)量問題的可能性。
1.2 整體車軸全新生產(chǎn)工藝
為改善和解決上述傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝所存在的問題，提出本文論述的全新生產(chǎn)工藝及車加工設(shè)備。
新工藝將傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中工序3~工序5結(jié)合在一臺機(jī)床上進(jìn)行加工，其余傳統(tǒng)加工工藝不做大幅變動。因工序3加工工藝基準(zhǔn)為后軸承位，工序4~工序5加工工藝基準(zhǔn)為工序3加工的內(nèi)孔及錐面。如將工序3~工序5結(jié)合在一臺機(jī)床上完
成，加工過程中，機(jī)床需具備工藝基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的能力。為此結(jié)合中間驅(qū)動雙端面數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)，提出開發(fā)本文論述的掛車軸加工用雙端面專門化數(shù)控車床。
2 、 掛車軸加工用雙端面專門化數(shù)控車床方案及結(jié)構(gòu)
通過對掛車車軸加工工藝的分析，以及上述全新工藝的解析，結(jié)合用戶全自動上下料要求和雙端面數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)思路，完成了掛車軸加工用雙端面專門化數(shù)控車床的總體方案設(shè)計(jì)：機(jī)床采用45°斜床身布局，剛性好，排屑方便。機(jī)床采用雙通道控制系統(tǒng)，左右刀架安裝在上導(dǎo)軌，可同時(shí)或分別與主軸聯(lián)動，完成零件兩端的同時(shí)或順序加工。由一臺機(jī)床完成軸端的全部加工，主、副主軸箱夾具夾持軸端軸承位，雙端同時(shí)加工端面、內(nèi)孔和錐面，然后夾持基準(zhǔn)自動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為由左右尾架頂持工件兩端錐面，主軸箱浮動夾具夾持軸體并傳遞扭矩，加工軸端外圓各部位。按照工藝要求，機(jī)床總體布局方案見圖3。
圖3 機(jī)床總體布局方案
附圖中所示序號代表的名稱：
機(jī)床為了加工工件的高精度和高效率，配置了自動上下料裝置，上下料裝置通過懸伸臂將工件送入機(jī)床，至主主軸箱左端，為配合上下料，機(jī)床主軸箱內(nèi)孔設(shè)有滾動托料裝置，輸送料道的懸臂上帶有動力裝置。上料時(shí)，工件向前移動，右端刀架對工件進(jìn)行粗定位，當(dāng)工件進(jìn)入加工位置后，主軸箱夾持工件，懸臂收回；由左右兩套軸向檢測裝置，檢測并反饋工件測量軸肩的位置，對機(jī)床程序進(jìn)行自動修正，從而實(shí)現(xiàn)零件的精確軸向定位，完成工件第一工步的加工。第一工步加工完成后，左尾架升起，主主軸箱卡爪松開，副主軸箱拖動工件至左尾架頂尖定位，副主軸箱卡爪松開并繼續(xù)向左移動，至右尾架頂緊范圍，右尾架與左尾架共同頂緊工件，實(shí)現(xiàn)工件定心，主主軸箱右端卡爪浮動夾持工件，帶動工件旋轉(zhuǎn)，完成工件第二工步的加工。第二工步加工完成后，主軸卡爪松開，兩尾架松開，左尾架下降，輸送料道的懸臂伸入機(jī)床，將工件拖出機(jī)床。機(jī)床完成單次加工循環(huán)。
3、新型工藝的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)
（1）工序集中，減少了工件裝夾次數(shù)，減少了輔助加工時(shí)間，采用兩端同時(shí)加工工藝，生產(chǎn)效率顯著提高。
（2）一次上料，兩端同時(shí)加工，提高了車軸的加工精度和同軸度。
（3）縮短生產(chǎn)工藝流程，減少生產(chǎn)現(xiàn)場零件周轉(zhuǎn)，提高場地作業(yè)面積使用效率，有利于提高生產(chǎn)的組織管理。
（4）由于采用了高效加工設(shè)備，本機(jī)床在研發(fā)之初就已經(jīng)考慮了配備上下料裝置及儲料裝置，這樣很容易就可以實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，以降低人工制造成本。
（5）工件在中間位置夾緊，裝夾可靠，傳遞機(jī)床切削時(shí)所需的扭矩足夠，尤其是對端面內(nèi)孔較小的車軸，或者實(shí)體車軸而言，相比端面驅(qū)動方式，可以進(jìn)行大余量車削，機(jī)床剛性強(qiáng)、加工精度高。
（6）機(jī)床可帶自動檢測裝置，尤其是對空心車軸，可以確保加工后的車軸壁厚均勻。
（7）如果車軸兩端的鍵槽和徑向孔需要加工，則本機(jī)床也可配置動力刀架，將后序的鍵槽和徑向孔一起加工完成。
4、攻克的掛車軸加工用雙端面專門化數(shù)控車床技術(shù)難題
（1）開發(fā)了滿足各種掛車軸全新加工工藝的需求，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)、軸肩測量、自動上下料等功能的中間驅(qū)動車床的機(jī)床布局方案。
（2）研制成功了高性能主軸箱。雙端面數(shù)控車床的核心關(guān)鍵技術(shù)在于中間驅(qū)動、夾持零件實(shí)現(xiàn)雙端車削的主軸箱，主軸箱的性能、水平?jīng)Q定了整機(jī)的性能、水平。其結(jié)構(gòu)是將主軸系統(tǒng)、夾具、夾緊油缸、配油系統(tǒng)、驅(qū)動裝置一體化設(shè)計(jì)。滿足掛車車軸加工工藝要求。
（3）多連桿擺臂測量裝置，可實(shí)現(xiàn)車軸加工時(shí)毛坯的軸肩測量，由于測量點(diǎn)位于主軸箱孔內(nèi)部，測量裝置需從卡爪中間較小空間內(nèi)進(jìn)入測量，檢測裝置采用多連桿機(jī)構(gòu)從而完美解決這一難題。
（4）機(jī)床左端上下料輔機(jī)，輔機(jī)可將工件從機(jī)床左側(cè)將工件滾動送入主軸箱，等加工完成后，可將工件從機(jī)床內(nèi)拖出，輔機(jī)可根據(jù)用戶需求，進(jìn)一步擴(kuò)展與自動線連接，實(shí)現(xiàn)自動線全自動生產(chǎn)。
（5）為配合上下料動作，主軸箱內(nèi)孔設(shè)計(jì)了專門的滾動托料架，以降低車軸在上下料過程中的摩擦阻力。方便上下料。
（6）機(jī)床左側(cè)尾架設(shè)計(jì)了高精度上下移動的結(jié)構(gòu)，滿足上下料動作的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了大切削力時(shí)尾架所需的較高剛性。
（7）機(jī)床設(shè)計(jì)有三套大行程徑向油缸卡盤，分別可實(shí)現(xiàn)自定心夾持工件和浮動夾持工件的功能，從最大限度上滿足掛車軸全新加工工藝的需求，其最大卡爪行程單邊可達(dá)65mm。
5、掛車車軸加工全新工藝實(shí)現(xiàn)的意義
汽車掛車軸在長途公路運(yùn)輸中占據(jù)著重要的地位。提高其加工質(zhì)量和加工效率其意義不言而喻；整體式車軸在車軸行業(yè)已經(jīng)普遍應(yīng)用，但是由于國內(nèi)大部分掛車軸生產(chǎn)企業(yè)所用設(shè)備普遍落后，效率低，質(zhì)量差。隨著公路交通運(yùn)輸車輛市場需求的穩(wěn)步增長及車軸制造行業(yè)面臨設(shè)備急需更新?lián)Q代的現(xiàn)狀，采用高集成化、高復(fù)合化、高效率、高自動化、智能化是現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向，也是車軸制造行業(yè)眾多用戶的迫切需求。
新工藝的實(shí)施將為該行業(yè)提供效率高、精度高、自動化程度高、制造成本低的先進(jìn)制造設(shè)備，對促進(jìn)公路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展及國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。
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