等速萬向節車銑專用機床設計及關鍵技術研究

潘丁丁

（沈陽機床股份有限公司，沈陽 110142）

鐘形殼和星型套是等速萬向節結構中的主要零件。通過深入研究零件加工工藝，發掘客戶需求，了解現有的鐘形殼和星型套球道及球面在淬火后的加工主要通過采用不同設備進行分序磨削加工，加工效率低，輔助時間長，人工成本高。為提高生產效率，降低人工成本，解決現有零件加工瓶頸問題，研發設計了等速萬向節車銑專用機床，用于等速萬向節中鐘形殼和星型套淬火后球道和球面工序的加工。通過采用以銑代磨和以車代磨工藝，可以在保證工件精度的情況下，提高工件的加工效率。機床配置了兩個主軸，分別為車削主軸和銑削主軸。車削主軸倒置安裝在機床滑鞍上[1]，可以沿機床Y軸方向和Z軸方向往復運動。銑削主軸安裝在機床搖籃上，可沿機床B軸方向隨搖籃往復旋轉。在與銑削主軸中心平行的Y軸方向，安裝了一個車刀。

機床配置了機內料線，車削主軸通過專用卡盤可以完成對工件的抓取和送放料功能，替代了機械手，自動化程度高，對外則可以通過外部桁架機械手進行零件的交互。

1 機械結構設計

1.1 主機結構設計

圖1為等速萬向節車銑專用機床主機結構。滑鞍安裝在床身上，通過兩側的Y軸傳動機構，驅動滑鞍在Y方向上往復運動。主軸箱安裝在滑鞍上，車削主軸安裝在主軸箱上，車削主軸隨主軸箱通過Z軸傳動機構在Z方向上往復運動。車削主軸前端安裝有專用卡盤，可以直接在機內料線上抓取和送放工件。機內料線托盤可以在V軸方向上往復運動，從而將外部零件傳送到機床內部，便于車削主軸抓取，同時將加工完的零件送到機床外部，然后機床外部通過桁架機械手實現工件交互。銑主軸安裝在搖籃上，可以在B軸-25°/+90°上運動。車刀安裝在搖籃上，與銑主軸在Y方向并排。

1.2 工作原理

等速萬向節車銑專用機床能夠通過機內料線接收外部毛坯，在每次開機時，料線托盤先移動到料線光電傳感器位置，檢測上料倉位和下料倉位是否有料，根據判斷狀態按表1執行動作。在機外，主要通過外部桁架機械手將毛坯放置在機內料線的放料倉上，在機內主要由車削主軸完成取放料動作。車削主軸抓取料后，車削主軸鎖緊，銑削主軸旋轉，對球道進行加工。待加工完一球道后，車削主軸鎖緊松開，旋轉與球道相同等分角度后重新鎖緊，銑削主軸加工第二球道，并按此過程依次加工其余剩余球道。當球道銑削加工完成后，搖籃旋轉到B軸0°位置后鎖緊。此時，車削主軸鎖緊松開，高速旋轉，搖籃上的車刀對工件進行車削球面加工。當球面加工完成后，車削主軸將工件放置到料線托盤放料倉位置。托盤通過料線傳動到機床外，外部桁架通過機械手取走已加工完的工件，并重新在放料倉位放置毛坯。

圖1 主機結構

表1 機床開機狀態判斷過程

2 關鍵技術研究

2.1 帶角向定位和鎖緊結構的車削主軸

等速萬向節中的鐘形殼和星型套的球道均布在圓周上[2]，因此對其進行銑削時，需要車削主軸能夠等分度角向定位及鎖緊。為實現此功能，在主軸頭部采用三片式直齒端齒盤結構[3]，如圖2所示。

圖2 主軸前端角向定位及鎖緊機構

三片式直齒端齒盤結構主要由鎖緊盤、定齒盤和動齒盤3部分組成。鎖緊盤通過液壓驅動在機床Z軸方向上做往復運動，完成與定齒盤和動齒盤的咬合和松開動作。采用三片式直齒端齒盤結構主要有以下4個特點[4]。第一，分度精度高。實際分度誤差等于所有齒單個分度誤差的平均值，即為齒數）。第二，精度的重復性和持久性好。由于工作時相當于上下齒盤在不斷對研，因此使用越久，分度精度的重復性和持久性越好，且有可能提高精度。第三，剛性好。因所有齒面同時參加嚙合，不論承受的是切向力、徑向力還是軸向力，整個分度裝置可形成一個良好的剛性整體。第四，結構緊湊，維護方便，多次拆裝不影響其原有的精度。

根據客戶實際需求，主要加工的鐘形殼和星型套球道數等分為6個或者8個。因此，在加工過程中需要主軸每60°或者45°定位鎖緊一次。為同時能夠滿足這兩個定位角度，選擇最大定位角度為15°，齒盤選擇24齒。齒盤的齒形角有40°、60°和90°3種，其中60°最常用，因此采用60°齒型角。齒與齒嚙合處受力分析如圖3所示，其中Fv為切向力，Fa為軸向力，Fn為法向力。

鎖緊力計算如下[5]。

對于定齒盤，有

圖3 三片式端齒盤的受力圖和結構圖

對于動齒盤，有

對于鎖緊盤，有

鎖緊狀態時，油腔里的壓強為

式中：T為三片式直齒端齒盤結構鎖緊力矩，N·m；s為安全系數，取1.8～3.0；P油為油路壓強，機床系統壓強一般最大為7 MPa；D1為定齒盤齒外徑，mm；d1為定齒盤齒內徑，mm；D2為動齒盤齒外徑，mm；d2為動齒盤齒內徑，mm；D為鎖緊時壓緊油腔外徑，mm；d為鎖緊時壓緊油腔內徑，mm。通過公式計算，端齒盤鎖緊力矩遠遠大于銑削時切削力矩，滿足工況使用要求。

在此機構中，動齒盤和定齒盤齒型要處于同一高度，保證鎖緊盤在壓緊過程中能同時與動齒盤和定齒盤咬合。因此，在動齒盤與主軸之間增加了配磨墊，在裝配階段可以通過配磨墊厚度達到設計要求。

在鎖緊盤的后端安裝一個導向柱，導向柱與主軸箱上的導向孔配合，防止鎖緊盤在往復運動過程中在圓周方向上發生角度轉向造成齒與齒嚙合不上。

在主軸箱徑向方向安裝有無觸點開關，當鎖緊盤退回到位后，無觸點開關接收信號反饋給系統。系統收到信號后，主軸才允許旋轉，防止鎖緊盤齒還沒有完全離開動齒盤和定齒盤齒主軸就開始旋轉而損壞齒盤。

2.2 機內料線托盤定位裝置

在鐘形殼和星型套銑削過程中，需要將工件角向定位在固定位置，即工件一球道中心與銑削主軸中心在X軸方向上保持一致。在機外桁架處有視覺識別設備，可將每個工件球道預定位到同一角度，然后通過機內料線傳送到機床。車床主軸抓取后，正好球道中心與銑刀中心重合。在機內料線托盤的放料倉位，設計有角度定位裝置，可以精確固定球道中心角度，并保證料線托盤在運動過程中位置和角向不發生改變。車削主軸最小分度為15°，不能對角度誤差進行補償，因此在放料倉位處設有角度微調裝置。放料倉位結構如圖4所示。

圖4 機內料線放料倉位

浮動鋼球在圓周等分處有3個（工件為6球道時），當機外料線機械手放置毛坯時，正好讓浮動鋼球進入工件球道，通過角度微調固定座可以對工件角向進行微調，最終保證球道中心與銑刀中心重合。

2.3 車銑復合搖籃結構

整個搖籃結構一側為驅動端，一側為支撐端。在驅動端采用伺服電機配置減速機直驅結構，增大搖籃的驅動力矩，保證整個搖籃在運動過程中的穩定性。在支撐端配置圓光柵，保證搖籃在B軸上的定位及重復定位精度。同側還安裝了剎車盤和液壓夾鉗[6]，當對工件進行車削時，搖籃B軸處于抱死狀態，保證車削加工時的穩定性。銑削主軸采用電主軸結構，置于搖籃，使機床可滿足搖籃軸、銑削軸、X軸以及Z軸的聯動要求[7]。

圖5 車銑復合搖籃結構

銑削主軸上的銑刀為專用球頭銑刀，安裝在HSK C63刀柄上。根據加工工藝需求，球頭銑刀的球心需處于搖籃B軸中心位置。因此，在銑削主軸安裝端面處增加了配磨墊，裝配階段可以通過此配磨墊調整整個球心的高度，使其達到設計要求，起到微調的作用。

為保證整個搖籃結構在加工過程中的剛性，搖籃兩側通過法蘭結構與床身配合。由于床身為一體式床身，現有加工設備無法一次加工成型，因此需要二次裝夾，無法滿足加工精度要求。經與工藝部門研究，結合公司研發的獨有灌膠工藝，將支撐端法蘭與床身孔設計成小間隙配合，在裝配階段找正支撐端法蘭與驅動端法蘭同軸，并在達到要求時，在支撐端法蘭與床身孔間隙中注入液態膠，等待膠水冷卻凝固來補償床身兩端孔的同軸度。

3 應用實例

3.1 樣機制造

設計制造了IVT22m樣機如圖6所示，主要技術參數如表2所示。

圖6 IVT22m樣機

表2 整機主要技術參數

3.2 零件加工實例

以客戶現場加工的鐘形殼加工為例，采用分序磨削加工球道和球面，共需105 s。通過采用該機床后，通過以銑代磨和以車代磨，加工時間減少到60 s，效率提升了42%，同時節約了廠地面積。

4 結語

根據等速萬向節結構中的鐘形殼和星型套零件特點，深入研究其加工工藝和生產節拍，研發、設計并生產了等速萬向節車銑專用機床IVT22m，研發了帶角向定位和鎖緊結構的車削主軸及料線托盤定位裝置，通過樣件試切驗證了機床的可靠性和加工工藝的可行性。在整個驗證過程中也發現了一些不足，如車削主軸鎖緊盤在壓緊和松開過程時間相對較長，造成等待時間過多，影響整體節拍，后將液壓油路改大解決了問題，但是油路流量變大，鎖緊盤對主軸的沖擊力也隨之上升，會影響主軸軸承的使用壽命，對主軸軸承的損傷變大。后續將繼續研究改善主軸結構，降低鎖緊盤在壓緊過程中的沖擊力對主軸軸承的影響。