一種重型商用車轉向節機加工工藝路線制定

文／劉國偉·湖北神力鍛造有限責任公司

汽車轉向節是汽車轉向系統中的一個重要零件，是汽車前輪導向及承載部分的關鍵零件之一，它將方向盤轉動的角度有效地傳遞到汽車前輪上，實時控制汽車行進中的路線，從而保證汽車安全、準確無誤地運行。其軸部與前輪相連；叉架部的主銷孔，通過主銷與汽車前軸相連；此外，叉架部還與左、右轉向節臂相連，使汽車獲得正常的靈活轉向。轉向節上主銷孔的中心線與軸承頸中心線的垂線有一定的偏角，俗稱主銷內傾角，其主要作用是使汽車轉向靈活方便，安全可靠。轉向節承受的作用力較復雜，既受到變載荷的彎曲變應力的作用，又承受一定的沖擊載荷和扭轉力矩，因此轉向節的材料需要有良好的機械強度和剛度。其幾何形狀比較復雜，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影響到汽車運行中的轉向精度。

零件的結構特點和工藝分析

我公司承接的一種重型商用車轉向節，零件圖如圖1所示，材料為42CrMo，調質處理，硬度269～321HBW。

轉向節的結構是支承軸、凸緣盤和支架等零件結構的空間組合。支承軸部分的結構形狀為階梯軸，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、過渡圓角和端面組成的回轉體；凸緣盤部分包括凸緣面、均布的連接螺栓孔和轉向限位螺釘孔；支架部分是由轉向節的上、下耳和凸緣面構成的支架形體。轉向節由于其結構特征，決定了其特殊、復雜的加工工藝流程。

經過我們認真分析后認為該零件的加工難點有以下幾個方面：⑴15-M16螺紋孔的位置度φ0.3mm；⑵上、下兩主銷孔的跳動量0.05mm；⑶上、下耳環內端面相對主銷孔中心的垂直度0.05mm；⑷上耳環內端面φ315/R4的加工；⑸下耳環φ81.6mm沉孔的加工；⑹法蘭端面環形槽的加工；⑺兩軸承頸的跳動量0.03mm及其圓度0.01mm。這幾個難點也是我們在進行工藝設計時需要重點考慮的地方。

毛坯的制造形式

根據該零件的產品設計和結構形式，毛坯生產廠家確定采用立式鍛造的方式生產該零件。對于轉向節，采用立式鍛造的優缺點如下：

優點：⑴鍛件桿部直徑方向的尺寸比較穩定，形狀也規整，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無需拔模，因此可以不用加工，故可以直接打中心孔。

缺點：⑴桿部長度方向加工余量不穩定，公差累積后，存在桿部端面和法蘭面端面加工余量大的問題；⑵叉架部位的上、下耳環端面，由于主銷內傾角的存在，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鍛件的錯差，直接影響到上、下耳環端面的加工余量的均勻性，嚴重的情況下會出現端面黑皮的現象。

工藝路線的制定

生產綱領和生產節拍

根據客戶需求和市場預測情況，確定年綱領為9萬件，三班制生產，工藝節拍為3.5min/件。

工序劃分

通過對零件的認真分析，我們對工序進行了如下劃分：銑端面打中心孔→粗車桿部外圓和法蘭端面→精車桿部外圓和法蘭端面→叉架部位銑凸臺、鉆孔、攻螺紋、鉸孔→法蘭部位鉆孔、攻絲→粗銑上下耳環端面→粗鉆主銷孔→精鏜主銷孔，銑內端面→精磨桿部軸承頸→打刻標識、下線。

理由如下：⑴銑端面打中心孔是為后續桿部和法蘭端面的加工提供基準；叉架部位銑凸臺，鉆孔、攻螺紋、鉸孔是為了后續叉架部位其他尺寸的加工提供基準；⑵粗加工和精加工分開，如設置了粗車桿部外圓和法蘭端面、粗銑上下耳環端面、粗鉆主銷孔三個粗加工工序；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15個，絲錐容易折斷，產生廢品；而且螺紋孔的位置度精度要求較高，易出現不良品。從而避免其他工序加工后的浪費；⑷銑內端面和精鏜主銷孔放在一個工序內，主要考慮內端面相對主銷孔中心的端面垂直度要求較高，放在一個工序內，可以避免二次裝夾誤差，保證加工質量；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對軸承頸產生磕碰傷。

定位基準的選擇

針對該零件，由于既有桿部的加工，又有叉架部位孔和平面的加工，結構比較復雜，加工部位較多，因此，加工不同的部位，需要選擇不同的基準：⑴在加工桿部時，不管是粗車、精車、精磨工序，我們均以桿部兩端的中心孔作為加工的基準，即桿部加工的精基準；⑵在加工作為桿部精基準的中心孔時，選擇桿部外圓作為粗基準，可以保證后續車、磨工序加工余量均勻；⑶加工叉架部位時，所有工序均選擇φ100mm軸頸、φ18mm孔及法蘭端面作為精基準，采用“一面雙銷”的定位方式。這樣各工序的基準就實現了統一，確保加工質量。

工藝方案及路線

設備選型方面，粗加工和精加工設備分開，關鍵工序選用加工中心等數控設備，部分工序選擇專機和通用設備，保證適當的柔性、生產效率及產品質量，同時也可以避免加工過程中因疏忽而造成加工尺寸遺漏。

根據前述一些原則，結合我們工藝調研情況，確定了：⑴零件的加工工序；⑵滿足各工序要求的工藝設備（設備、夾具、刀具、量具等），對專用工藝裝備提出工藝設計任務書；⑶各工序的技術要求和檢驗方法；⑷各工序的加工余量、計算工序尺寸和公差；⑸切削用量；⑹時間定額。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

在生產綱領一定的情況下，我們確定建設一條生產線，故在提出專用機床的設備技術任務書時，我們要求該工序必須用一臺設備保證生產節拍的要求，這樣相對于兩條或多條生產線，可以大大減少設備的投入，節約了投資和成本。

此外，由于該零件毛坯重量為32kg，采用人工上下料勞動強度非常大，同時為了降低人工成本，我們提出了采用3臺行走機器人組成的自動物流線代替人工實現上下料和工序間工件的轉運。工藝設備平面布置如圖2所示。

圖2 工藝設備平面布置

工藝裝備的要求

⑴對機床夾具的要求。一是穩定地保證工件的加工精度；二是提高機械加工的勞動生產率；三是結構件簡單，有良好的結構工藝性和勞動條件；四是應能降低工件的制造成本。簡而言之，設計夾具時必須保證加工質量、生產率、勞動條件和經濟性等幾方面達到辯證的統一。其中保證加工質量是最基本的要求。

⑵對設備的特殊要求。由于生產線全新建設，設備全部為新增，為了統一美觀，對所有設備的外觀顏色和積屑小車提出了統一的要求；由于計劃采用機器人自動物流線進行上下料，對設備還提出了以下特殊要求：1）設備的控制系統須和自動上下料機械手或機器人的控制系統相互通訊，實現聯動，確保裝卸零部件和運行安全；2）配置可自動開、關的防護門，采用雙開“┓”敞開式結構，方便機器人更換零件；防護門裝有電氣聯鎖保護裝置及解除互鎖控制開關，并采用光電保護，光電信號同時傳輸到機器人系統，以保證操作者和機器人的安全；3）機床可以實現自動和手動兩種模式工作；4）機床的控制系統應能自動實現機床操作門的開關、工件的夾緊松開、夾具定位面的自動清理等動作。

⑶刀具。對于刀具的選擇，盡量采用復合刀具，以提高加工效率，同時還要保證刀具消耗控制在目標范圍內。

⑷量、檢具。轉向節軸頸磨削、主銷孔孔徑鏜削和軸承頸精車時采用自動在線測量，以確保關鍵尺寸的加工質量；普通尺寸采用通用量具（卡規、塞規、卡尺、內徑量表、外徑千分尺等），形位公差采用CMM進行檢查。

⑸配套的自動物流線。生產線采用3臺行走機器人組成的自動物流線代替人工實現上下料和工序間工件的轉運。自動物流線由上下料平臺、中間轉運平臺、抽檢平臺、機器人導軌單元、機器人、機器人自動夾具單元、工件自動清理裝置、工件打刻標識設備、安全隔離護欄、安全防護系統、潤滑系統、各類控制柜和控制系統等組成。

⑹控制、信息系統。由中央控制臺、機器人控制系統與所有設備進行通信的從站、網絡及軟件、自動統計、警示/報警/顯示以及安全防護系統等組成。機器人中央控制系統采用S7-317-2DP系列PLC，與各臺設備之間采用profibus總線通訊方式。

實施效果

生產線建成及投產后，經過驗證，達到了工藝設計要求，產品質量符合技術要求，同時也為我公司自動化生產線建設積累了寶貴的經驗。建成后的生產線如圖3所示。

圖3 建成后的生產線

在加工生產的過程中，采用立式鍛造方式生產的鍛件的優缺點也得到了驗證。通過鍛造控制和加工時的調整，鍛件就能很好的滿足機加工要求。