十字軸高效車削自動線的總體設計

孫建平

摘 要：十字軸在機械傳動中應用廣泛，但其車加工尺寸精度要求高，傳統的工藝很難達到尺寸要求，且加工效率極低。本文優化了十字軸的加工工藝流程，把車加工與孔加工獨立進行，分別實現一次裝夾、完全加工，再應用機器人實現自動化，設計了全自動加工生產線的總體方案，可實現高效生產。

關鍵詞：萬向節；十字軸；自動線

中圖分類號：TH133 文獻標志碼：A

0 引言

隨著工業機器人的發展，裝備制造業的升級，數控設備與工業機器人合力發展已成為主流，機加工行業使用先進加工技術（設備）搭配工業機器人集成應用替代傳統加工工藝已成為一種趨勢。

十字軸是機械傳動系統的重要部件，被廣泛應用于冶金設備、汽車工業等方面。十字軸在工作過程中要求傳動高效、平穩，故其車加工尺寸要求較高，通常同軸軸頭的同軸度要求≤0.015mm，對稱度要求≤0.06mm， 軸與軸的垂直度要求≤0.03mm。使用傳統工藝設備需要多次裝夾，故加工尺寸很難達到要求，且生產效率十分低下。

為解決上述問題，在分析十字軸加工特點的基礎上并應用先進制造技術，設計出一種可以保證尺寸加工精度，加工效率高的生產線。該生產線采用高精度數控設備、專用鉆孔設備并結合工業機器人，可實現自動上下料、自動加工、加工過程中自動翻轉工件，極大地提高加工效率。

1 車削自動線的設計

本節僅以某型號十字軸為例來設計車削自動線，十字軸的車件主要尺寸如圖1所示。

1.1 自動線選型

參照國外十字軸加工自動線及江浙地區一些十字軸生產企業的加工情況，十字軸車削自動線可分為兩種類型：①設計專用的組合機床結合機器人完成自動化生產；②采用標準數控車搭配機器人來實現自動化生產。按十字軸的結構特點，其專用的組合機床應設計成多軸式轉盤式組合機床，8～9工位（第1工位為裝卸料），14個～16個主軸同時對工件的兩個面進行加工，各工位帶獨立伺服可實現工裝轉角，單個工件20s～30s可完成加工，生產效率極快。但這種專用機床集合的工序過多，存在剛性不高（不適合不銹鋼及鍛件加工）、精度不穩容易跑偏、刀具使用苛刻、換刀調整十分麻煩、產品單一、換型時間非常長（5、6天）等缺點，目前國內十字軸車加工前的毛坯主要用鍛造獲得，故此類型自動化不適用于國內產品。因此本文所設計的車削自動線主要選用標準數控設備、工業機器人等來構建。

1.2 工藝方案的確定

工藝方案的確定直接影響到生產線的配置、數量、加工效率等。十字軸傳統的加工工藝流程為粗車軸1（外圓、端面）→粗車軸2→粗車軸3→粗車軸4→精車軸1→…→精車軸4→鉆軸1深度孔→…→鉆軸4深度孔→擴軸1油孔→…→擴軸4油孔。工藝流程十分煩瑣，且每換一個工序需再裝夾一次，裝夾次數太多，尺寸加工精度難于保證，加工效率極低。

十字軸的加工主要是4個軸的同尺寸精度車削、鉆孔。為減少裝夾次數，應采用分度卡盤實現“一次裝夾完全加工”的工藝技術；為縮短打孔時間，應采用四孔同時加工的專用設備，故把整個生產線分成兩個加工單元：車加工單元，數控車床配分度卡盤僅裝夾一次完成所有軸的外圓與端面粗、精車；孔加工單元采用專用鉆孔設備、鉆擴孔復合刀具四孔四向同時加工。故優化后的工藝流程：粗、精車外圓端面（四軸依次在同一設備上實現）→孔加工（采用鉆擴孔復合刀具，四向同時加工如圖2所示）。

1.3 加工節拍測算與生產平衡率

根據現有設備測算出各工步的節拍（加工中應選用多種常用參數，結果取平均值）見表1。

假定目前已實現自動化，那么車加工單元還有卡盤吹氣時間3s、開閉門時間6s、裝卸時間10s（數據來源于經驗及模型），故十字軸自動車加工總時間為211s，與孔加工區61s相比較相差甚多。根據生產線平衡的原理，應盡量使各工序所耗時間接近，按公式（平衡率=單臺設備合計耗時/（最大實際作業時間×設備總數量））計算，1臺鉆孔機匹配3臺數控設備，其生產線平衡率0.967最接近1，為最佳配比。

1.4 工業機器人

在工業的生產加工中尤其是車削，廣泛采用直角坐標型機器人（桁架機器人）和關節型機器人，或者二者相互結合的方式來實現動作自動化。由于十字軸加工過程須自動裝料、翻轉、吹氣以及卸料等動作，故選擇關節型機器人更合適。關節機器人規格的選擇主要依據機器人手臂持重（為提高機器人效率，手爪系統應雙工位如圖3）與空間運轉要求，如1.3所述，需要3臺數控車床，那么匹配1臺關節機器人剛好定置成目前最流行的“品”字形排布，要求3臺數控車床所圍成的平面面積盡量小，一則可減少機械手臂運轉距離，提高動作效率，再則可盡量選用運轉范圍較小的機器人（運轉范圍較小較經濟）。

1.5 分度卡盤及數控設備要求

國內較好的全自動分度卡盤采用低變形合金鋼，表面氮化處理，壽命可達100萬次以上；角度分度精度≤4′，重復定位精度<0.02mm，按十字軸的結構特點，應選用具有4×90°或8×45°轉位功能的分度卡盤。

為了充分發揮車加工單元的加工效率，應選用高剛性、高精度全功能數控車床。為了使自動線在運行中盡量少停機，應采用具有調用備用刀庫功能的刀塔式自動車床，能大幅減少因刀具壽命帶來的停車時間。車床須自帶主軸定位的功能，確保加工結束時分度卡盤夾緊的十字軸四軸徑呈水平狀態，以保證機器人手爪均勻平穩抓料。由于機器人手爪系統在車床內完成翻轉動作，故選用車床時須考慮其最大切削徑及最大切削長度滿足手爪系統的翻轉要求。如1.4所述，設備最好選用側排屑式數控車床。

1.6 專用鉆孔單元

全自動鉆孔單元是在十字軸四軸四向同時加工的裝置的基礎上開發出來的專用設備，其示意圖如圖4所示，桁架梁手臂一端抓取已加工的料的同時另一端抓取上料機上的待加工料（車加工完畢的十字軸工件），可實現自動裝料、鉆孔、卸料等動作，加工效率較高。

1.7 車削自動線總體定置圖

如上所述對自動線主要設備、配置的要求，則對應的布局圖，如圖5所示。

如上所述對自動線主要設備、配置的要求，則對應的布局圖，如圖5所示，工件在車削自動線中的流轉順序按：自動送料倉（輸送至上料工位）→關節機器人（上料抓取、裝料）→數控車床（車削加工）→關節機器人（卸料）→過渡料倉（輸送至指定工位）→全自動鉆孔單元（孔加工）→下料倉。自此，自動線完成對毛坯的自動加工過程。自此，自動線完成對鍛坯的自動加工過程。

1.8 自動線實現的必要條件

十字軸一般選用滲碳鋼，延伸率超過10%，被車削時易形成纏繞狀切屑（圖6）。如果加工過程中不能自動斷屑，那么任何自動化也實現不了。故自動線的順利運行離不開車加工單元和孔加工單元對斷屑的控制。對于孔加工區而言，在加工過程中鉆頭可實現多工段按不同速度進給，且多個工段間又可設置鉆頭停留時間，故孔加工區的自動斷屑比較容易控制。對于車加工單元，其斷屑的控制可選用帶斷屑槽的刀具，設計正交試驗來得出最優的切削用量參數來實現自動斷屑。

2 產能

如1.3所述，結合圖4。自動線出料節拍為211÷3=70.3秒，則每月（按每月26天，每天2班，每班8小時）生產的數量為：（3600×26×2×8）/70.3=21302（件）。考慮到鍛坯質量良莠不齊、設備剛性、所選刀具材質壽命和自動插補等情況，計算結果存在一個波動范圍，根據經驗，其波動值取±10%。故所設計的自動線其產能不少于18640×（1-10%）=19171件/月。

結論

把十字軸的車加工與孔加工工序獨立開來，對十字軸加工工藝流程進行優化，在測算各自工步加工節拍的基礎上，可算出主要的設備配置的最佳配比，然后對各主要設備配置進行要求，實現車削自動線的總體設計。實際加工過程中還需考慮切屑的控制以實現自動斷屑，保證自動線高效、平穩的運行。

參考文獻

[1]郭軍.十字軸加工工藝分析及改進[J].一重技術，2007（3）：55-56.

[2]黃慶華，吳雄彪，陳豐土.基于CJK6136的十字軸全自動專用機床的開發[J].組合機床與自動化加工技術，2012（10）：106-109.

[3]鄭建喜.“十字”軸銑鉆組合機床虛擬樣機設計與研究[D].泉州：華僑大學，2006.

[4]王生.設備連線在加工自動化過程中的應用[J].金屬加工（冷加工），2014（3）：52-53.

[5]劉永安，余天榮.工業機器人的應用研究[J].機電工程技術，2014，43（2）：52-53，104.