轉向節銑端面鉆中心孔復合機床設計*

李春燕 王 斌

(鹽城工學院機械優集學院，江蘇 鹽城224051)

轉向節是汽車轉向橋上的主要零件之一，支承并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向，承受多變沖擊載荷。首道工序加工以軸頸作為粗基準，加工端面和中心孔，后續軸頸加工均以中心孔作為精基準，滿足“基準統一”原則［1］。銑端面和鉆中心孔通常在兩臺獨立的機床上分別完成，或者在車床上先銑軸端端面定長鉆中心孔，然后調頭鉆另一端中心孔［2］。現有技術方案都是以毛坯面作為粗基準，工件重復定位裝夾，使得對中精度差，影響后續工序的加工質量，工作量大，自動化程度低。

為解決上述問題，利用組合機床多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的優勢，設計銑鉆復合機床，滿足加工要求，大幅提高生產效率。

1 轉向節的加工要求

被加工零件為左右轉向節(被加工部位形狀、尺寸一致)，鍛件，毛坯重32 kg，材料42CrMo，熱處理硬度269～321HB，粗糙度6.3 μm。工序要求如圖1 所示，銑小軸頸端面，保持長度尺寸245.7 ±0.2 mm(加工余量:1. 7～8. 8 mm);鉆兩端中心孔A10/21.2GB145 -85，錐面深度尺寸9.7 mm，公差要求±0.05 mm，相當于IT9～IT10 級公差，其他尺寸為未注公差。

轉向節由支承軸頸和叉架兩部分組成，結構復雜不規則。本工序加工的難度在于銑鉆一次裝夾加工，小軸軸頸端面既是加工面又是定位面，叉架部分中心孔位于叉口內部，距離較小，工藝裝備受限。

2 總體解決方案

2.1 方案分析

現有的銑鉆專用機床主要針對軸類工件，結構簡單，精度要求低，設備大多沒有考慮排屑方便，自動化程度低，生產效率低。

文獻［3 -5］均設計了加工端面打中心孔的臥式雙面組合機床，分別用于普通軸、鐵路貨車用軸和汽車底盤直彎臂的加工，工件結構規則，長度不同，定位容易。文獻［6］將變頻器用于加工火車車軸的銑打機床上，減小了表面粗糙度值，延長了中心鉆使用壽命。文獻［7］對銑鉆軸類工件的機床做了較大改進，采用了斜導軌實現自動排屑，斜面較大，夾具適合簡單軸類工件。

根據圖1 所示轉向節零件的結構特點和加工要求，考慮生產效率、自動化、自動排屑等要求，在現有技術基礎上，設計一臺斜導軌銑端面鉆中心孔的復合機床，一次加工一個工件。

2.2 總體方案

斜導軌銑端面鉆中心孔復合機床如圖2 所示，包括機床工作示意圖和布局圖。底座1 含中間底座和側床身，中間底座上部為斜導軌，其上安裝移動工作臺6，夾具5 可在移動工作臺的帶動下沿斜面自下而上，完成定位夾緊、銑削和鉆削等加工內容，側床身自操作位按加工順序依次放置軸向定位裝置2、銑削裝置3和兩側鉆削裝置4，自動排屑裝置7 安裝在遠離操作位的位置，其中承裝切屑和冷卻液的箱體置于中間底座的空腔內。

2.3 加工示意圖的編制

通常，銑鉆雙工位采用復合式刀盤，即銑刀盤中空布置鉆頭，這種方法銑刀盤直徑需大于200 mm，而轉向節軸端直徑僅60 mm，且叉架部分空間受限，對機床拓展不利，因此考慮將鉆銑刀具分開，滿足雙工位的加工要求。工件為鍛打件，余量不均勻，選用進口重切削銑削刀具，單邊余量10～15 mm，刀具旋轉，工件移動，不留刀痕，保證工件表面質量。鉆孔采用高速鋼中心鉆，工件不動，鉆頭進給，一次性保證中心孔加工要求。銑鉆裝置由通用的銑削頭和鉆削頭改裝，選擇帶主軸氣密封的通用件，防止冷卻水進入主軸軸承，避免生銹，采用伺服控制，保證加工過程自動化。

切削用量見表1。移動工作臺、軸端鉆削裝置和叉端鉆削裝置動作及行程如圖3 所示。

表1 切削用量

2.4 機床工作流程

按照加工示意圖上設定的工作臺、鉆削頭的動作循環，綜合各個部件的動作要求，制定機床工作流程，設計電氣動作循環圖(如圖4 所示)，利用控制系統完成自動操作。

機械手上料后，工件放在初限位裝置上，軸向定位裝置的定位油缸伸出實現軸向定位，推靠油缸夾緊，然后利用夾具中的油缸帶動上下傳動軸運動，對工件進行徑向定位夾緊，之后，軸向定位裝置中的定位油缸和夾緊油缸退回，工件完成安裝。然后由工件在移動工作臺的帶動下，由起始位快進，至銑削位工進，完成銑平面，工件快進轉慢進到鉆孔位停止。兩端的鉆削頭同時啟動，經快進轉工進完成鉆孔。最后工件快退至原位，夾緊油缸松開，防護門打開，完成一次加工。

機床完成后實現單件工時1.5 min/件，機床生產率40 件/h，機床負荷率96%。

3 機床關鍵技術

3.1 斜導軌實現自動排屑

通常雙工位加工機床采用平導軌，操作距離大，易積屑，故將底座中的中間底座上端設計為斜面，且由周邊向內傾斜，其上安裝滑臺，帶動夾具和工件移動更換工位。滑臺采用伺服控制，滾珠絲杠傳動，重復定位精度達0.01 mm。在整機調試時，確定工件安裝位置作為零點，利用程序控制到達兩個工位。

切屑靠重力落下，沿預定軌道進入排屑裝置，工件材料為42CrMo，銑削為片狀切屑，鉆削為絲狀切屑，故選用鏈板傳動將切屑排出。冷卻排屑裝置包括箱體、輸送小車、安裝在箱體內的油水分離器、液位計和冷卻泵等。箱體放在中間底座空腔內，自然形成半封閉空間，保證切屑和冷卻液準確地隨鏈板進入自動排屑器。

考慮到斜面角度影響兩頭中心距，角度大，則距離近，銑削頭和鉆削頭安裝不方便，故設定斜面角度為20°，不需要配重，簡化了夾具結構，伺服電動機不帶鎖死，利用抱閘電動機定位，防止下滑。

3.2 夾具設計

銑端面鉆中心孔為轉向節加工的首道工序，選取不加工的大端端面作為軸向尺寸的粗基準，小端軸頸作為徑向定位的粗基準。夾具結構如圖5 所示，包括初限位裝置、自定心裝置、軸向定位裝置和夾具體等。

轉向節結構既有回轉軸類，又有叉類，重心不穩，單獨采用軸作為定位夾緊基準時，叉部會引起偏心，故設計初限位裝置進行預定位，使工件初位置略低于最終位置。包括初兩個限位支架和兩個定位銷等。

為保證對心，采用最常見的雙短V 型塊的形式。如果將V 型塊豎直放置，位置固定，易與初限位裝置一起造成過定位。因此將V 型塊水平放置，且一端固定，另一端浮動，可繞銷軸做一定角度范圍的旋轉，既保證定位準確可靠，又可實現夾緊。自定心裝置的傳動部分采用一個齒輪和兩根帶齒條的圓柱，結構緊湊，離操作位置近，密封防塵，故障率低。

為解決軸端端面既是定位基準又是加工表面的難題，設計了獨立的軸向定位裝置，待夾具夾緊后，移出工作空間。叉部不加工面作為軸向定位基準，采用帶鎖死的定位油缸，安裝限位桿和限位塊。小端采用推靠油缸，與壓塊相連。兩個油缸配合動作，對工件進行軸向定位。

3.3 高速高效自動化

機床的電氣系統實現了工作臺動作、銑削鉆削加工的全流程自動化控制，可完成機床操作門的開關、工件的夾緊松開、夾具定位面的自動清理、工件切屑、切削液自動清理、切削冷卻系統和加工過程的聯動和工件夾緊自動檢測等自動控制。

數控系統采用FANUC-0i 系統，有手動和自動兩種操作模式，同時預留用于自動上、下料機器人的通訊接口，編制兩種模式下通信與控制的程序，實現聯動，機器人系統采用的是西門子S7 -317 -DP 型PLC 系統，Profibus 總線通信方式。系統具有中文操作界面的人機對話功能，彩色顯示器，配備手動脈沖發生器及三色警示燈。機床電氣系統具有可靠的聯鎖保護，故障報警，故障自診斷，系統急停的功能，安全可靠。

4 結語

銑端面鉆中心孔復合機床設計了適合具有復雜結構工件的夾具，定位準確，夾緊到位，工件在斜導軌上實現工序換位，配備先進工藝裝備和控制系統，全程自動化操作，切屑和冷卻液自動排出，工作效率高，使用效果良好，得到客戶的認可。該機床可通過簡單改裝，用于加工軸類工件，銑雙端面和鉆中心孔，擴展性好。

［1］鄭長秀.輕卡整體式轉向節機械加工工藝分析［C］. 戰略性新興產業與科技支撐.2012 年山東省科協學年會論文集，2012:185 -188.

［2］宋建武，楊麗.軸類零件中心孔加工專用機床設計［J］.機床與液壓，2009(8):266 -267，237.

［3］孫國強，華國寧.具有自動讓刀功能的銑端面打中心孔機床［J］.制造技術與機床，2007(7):133 -134.

［4］梁俊峰.銑車軸端面、鉆中心孔數控機床的設計［J］.機械工人:冷加工，2005(2):59 -60.

［5］衛道柱，楊沁，桂貴生，等.雙面二工位銑鉆組合機床控制系統設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(11):57 -60.

［6］劉建林.一臺變頻器控制兩臺電動機在銑端面打中心孔機床上的應用［J］.制造技術與機床，2009(7):57 -58.

［7］王可山.銑端面鉆中心孔機床的改進設計［J］. 制造技術與機床，2011(9):83 -85.