韓海群，吳俊杰，李春燕

(1.江蘇勝德龍機電科技有限公司，鹽城 224731；2.鹽城工學(xué)院機械工程學(xué)院，鹽城 224051)

0 引言

半軸是汽車驅(qū)動橋中的一個重要零件，在差速器和驅(qū)動輪之間傳遞扭矩，通過法蘭結(jié)構(gòu)和驅(qū)動輪連接，法蘭盤上錐孔的加工精度決定了驅(qū)動輪安裝的精度和運動平穩(wěn)性、可靠性。組合機床是根據(jù)實際需求，運用預(yù)制好的通用部件和一些根據(jù)零件要求設(shè)計的專業(yè)部件組成的一種高效自動化專業(yè)設(shè)備，可以針對零件需求實現(xiàn)多軸、多面、多刀、多工位加工，可以實現(xiàn)鉆、擴、鉸孔，車削，銑削，磨削等多種加工工序，且研發(fā)周期短，設(shè)計制造方便，加工精度高，生產(chǎn)效率高，成本低，方便維護。

許玉改[1]介紹了一種將鉆、擴、鉸孔共用一個主軸箱的組合機床，降低了工人的勞動強度，縮短加工時間提高了生產(chǎn)效率。來逢亮[2]對盤類零件的加工工藝進行了分析，對提高盤類零件的加工質(zhì)量和加工效率有十分重要的意義。徐春梅等[3]介紹了一種法蘭盤鉆孔專用機床，在一定程度上縮短了加工時間，減少勞動強度，提高加工效率。

現(xiàn)有的加工裝備大多采用人工上下料，單機工作，一次性加工多個孔，無法完成自動上下料的過程，不適合流水線自動化生產(chǎn)。為了進一步提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)智能化、無人化車間的建設(shè)需求，采用臥式加工方式，柔性化夾具，精確定位的三軸控制裝置，能實現(xiàn)自動定位夾緊、自動換刀、自動排屑的多個部件，研制出一款能夠?qū)崿F(xiàn)機器人上下料，易于組成流水線，且能適應(yīng)多種型號半軸法蘭盤上錐孔加工的專用機床。

1 加工工藝分析

1.1 零件分析

被加工零件是半軸，有7種型號，共計19種產(chǎn)品，所有產(chǎn)品法蘭盤尺寸相同，軸部長度(FE=50.8 mm～57.15 mm)、直徑(DIA=944 mm～1116 mm)不等。加工工序圖示意圖如圖1所示。

圖1 零件加工工序示意圖

被加工部分是在左端法蘭盤上均布的8個圓錐孔，主要技術(shù)要求有：

小徑為φ18.65 mm；小徑孔口倒角0.2 mm～0.5 mm；錐度為28°±30′；以半軸兩端中心孔為基準，同軸度為φ0.5 mm；零件材料為40Mn2B或42CrMo，硬度HB217-269；錐孔粗糙度為Ra3.2 μm。

綜合分析加工要求后，確定錐孔的加工過程為：鉆底孔→鉸錐孔至尺寸→孔口倒角，一次裝夾，機器人上下料，分工步完成加工，達到圖紙要求。

1.2 定位基準的選擇

零件在夾具上的定位精度對組合機床加工質(zhì)量的影響很大。根據(jù)同軸度的要求，采用軸類零件常用的雙頂尖作為主要的定位基準，限制4個自由度。法蘭盤右側(cè)端面作為軸向基準，限制1個自由度。因法蘭盤上無底孔，故圓周方向的自由度不需限制。考慮到左側(cè)定位頂尖可能和刀具干涉，故采用法蘭盤左端面作為夾緊面，在可靠夾緊后，左頂尖退后，讓出加工空間。

1.3 工序間余量的確定

工藝要求法蘭盤無底孔，故首先按照小徑尺寸φ18.65 mm打底孔。再根據(jù)孔加工常用工序間余量確定鉆鉸工序間余量[4]，因大徑部分余量較大，故采用內(nèi)冷錐鉸刀，保證錐度尺寸、表面粗糙度等精度要求。最后用倒角刀完成倒角。

1.4 切削用量的確定

由于組合機床在多數(shù)情況下為多刀、多面、多軸同步加工，所以根據(jù)經(jīng)驗，應(yīng)比一般萬能機床在單刀加工時切削用量低30%左右[5]。已知被加工零件為鋼件，孔的加工直徑為18.65 mm，切削深度=11.2 mm。根據(jù)設(shè)計手冊查到在鉆孔的切削速度為V=100 m/min，進給量S=340 mm/min；在鉸錐孔過程中，切削速度為V=60 m/min，進給量為S=270 mm/min；在內(nèi)倒角過程中切削速度為V=100 m/min，進給量為S=320 mm/min。再根據(jù)公式求得主軸轉(zhuǎn)速為：N鉆=1700 r/min；N鉸=850 r/min；N倒角=1600 r/min。

1.5 加工所需切削力、功率、扭矩的確定

刀具材料為高速鋼，零件材料為合金鋼。依據(jù)鉆孔與倒角過程中所受的切削力、功率和扭矩計算公式和鉸錐孔過程中切削力、功率和扭矩計算公式，計算得到：

鉆孔：切削力P=3584 N，扭矩T=26.55 Nm，切削功率N=4.74 kW；

工程施工隊在進行采購時，要求工程在施工過程中的每一份采購清單，都要高層管理者進行過目，由管理者做出最終決定，清單由項目部和施工部一起制定，管理層進行拍板確認后再傳給采購部，采購部嚴格執(zhí)行，嚴格執(zhí)行此前管理人員制定的標準，有效的降低工程整體成本，在每一個細節(jié)處為整體工程節(jié)省開支。施工過程難免會發(fā)生水電費等費用，每個施工隊，都要對自己的施工區(qū)域負責(zé)，管理者定期檢查資源消耗情況，杜絕浪費情況的發(fā)生，全體人員共同對成本進行控制，嚴格遵守相應(yīng)規(guī)章條例，確保工程的順利進行。

內(nèi)倒角：切削力P=3585 N，扭矩T=26.56 Nm，功率N=4.45 kW。

鉸錐孔：切削力F=5072 N，扭矩T=37.57 Nm，功率P=3.34 kW。

1.6 組合機床的配置

由于被加工零件半軸的長度在一定范圍內(nèi)變化，且需滿足機械手自動上下料和易于組成流水線的要求，提高通用性程度，改善機床工藝性能和提高機床的加工精度，因此選用臥式組合機床形式[6]，通過整機設(shè)計實現(xiàn)一次裝夾情況下完成鉆孔、鉸孔以及倒角等工序。主要部件包括底座、夾具、立柱、主軸箱、刀庫等。

2 組合機床的總體設(shè)計

2.1 組合機床的設(shè)計步驟

組合機床大多是根據(jù)零件加工要求以及零件本身的結(jié)構(gòu)特點來進行設(shè)計制造，設(shè)計大概分成三步[7]：調(diào)查研究，收集數(shù)據(jù)；進行總體設(shè)計，完成“三圖一卡”；將加工零件的各個需求分配到每個部件當(dāng)中，最終得出機床各個部件的結(jié)構(gòu)方案。

在分析加工工序圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)半軸法蘭盤上錐孔的加工要求，確定了工藝方案和結(jié)構(gòu)方案，針對不同工步確定刀具和切削參數(shù)繪制加工示意圖，進一步確定零件加工時完成各種動作所需的部件配置，完成聯(lián)系尺寸圖。

2.2 加工示意圖

加工示意圖可以表達工藝方案的具體內(nèi)容，如所用刀具的類型、具體參數(shù)、刀具軌跡等。根據(jù)錐孔加工工序，選用了內(nèi)冷鉆、內(nèi)冷錐鉸和內(nèi)倒角三種刀具，確定了每種刀具的切削速度、主軸轉(zhuǎn)速、進給量、安裝位置等。

因倒角在錐孔小徑處，且在半軸側(cè)，如果按照正常加工，需將錐鉸刀和倒角刀布置在法蘭盤的兩側(cè)，相向加工，使得機床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不能使用刀庫換刀，無法實現(xiàn)自動化操作，故選用了帶偏心的反倒角刀。

零件一次裝夾即可完成三道工序，每道工序進行換刀、快進、工進、退刀等操作。圓周均布孔的傳統(tǒng)加工方式，常采用刀具不動，夾具帶動工件旋轉(zhuǎn)的方式，更換加工位置，但夾具機構(gòu)復(fù)雜，且多采用立式加工，零件不易用機器手上料，因此，選用工件不動，由刀具在Y軸和Z軸兩個伺服滑臺的帶動下，精確定位圓周孔的位置，工件在X軸伺服滑臺的帶動下，完成工件進給即可。

刀具在依次加工完8個孔之后再換刀進行下一個工序的操作。如圖2所示為加工示意圖，反映出了被加工零件在機床上實際的加工狀態(tài)，機床的加工方法，加工條件及加工過程。

圖2 加工示意圖

2.3 聯(lián)系尺寸圖

為滿足上述XY三軸加工的需求，為零件設(shè)計適合臥式加工的夾具并安裝在X滑臺上，X軸滑臺安裝在底座上；刀具主軸部件安裝在Z軸滑臺上，Z軸滑臺安裝在立柱上，立柱安裝在Y軸滑臺上，Y軸滑臺安裝在底座上；再配備電器系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及管路、潤滑系統(tǒng)及管路、氣動系統(tǒng)及管路、刀庫及支架、冷卻排屑裝置及管路、機床防護等，組成完整的半軸法蘭盤鉆鉸錐孔的專用機床。機床總體尺寸為4065×3771×2600 mm。機床尺寸聯(lián)系圖如圖3所示。

圖3 機床尺寸聯(lián)系圖

2.4 生產(chǎn)率計算卡

生產(chǎn)率計算卡能夠反映機床的加工節(jié)拍、計算整體的生產(chǎn)效率、加工時的切削用量以及整個工序所需的加工時間。本機床單件加工工時為3.4 min/件，機床生產(chǎn)率為17.6 件/h，符合客戶要求。生產(chǎn)率計算卡如表1所示。

表1 生產(chǎn)率計算卡

3 機床關(guān)鍵技術(shù)

3.1 夾具設(shè)計

夾具作為組合機床的重要部件，通常需要根據(jù)工藝和結(jié)構(gòu)方案來進行設(shè)計，零件通過夾具來實現(xiàn)定位、夾緊[8-12]。因此夾具設(shè)計的合理性對于組合機床整體功能、加工精度、加工的穩(wěn)定性以及零件加工效率有很大的影響。

為滿足機器人上下料或桁架上下料的需求，零件應(yīng)從夾具的上方上下料，為防止和刀具主軸干涉，被加工錐孔的軸線水平需放置，即半軸軸線水平放置，主軸水平放置。根據(jù)定位方案分析，工件先在兩浮動V形塊上初定位，然后通過兩頂尖將其微微頂起，達到工作位置，起到定位作用。兩頂尖由油缸帶動運動，為把工件順利頂起，采用了大小缸設(shè)計?？拷ㄌm盤端采用CHTB-SD-50-N油缸(行程70 mm，伸出55 mm)，半軸端采用CHTB-SD-40-N油缸(行程50 mm，伸出30 mm)。因半軸產(chǎn)品類型較多，且長度不同，右側(cè)油缸緊靠行程無法適應(yīng)所有型號，故將其安裝在一個螺桿移位裝置上，可進行軸向位置調(diào)節(jié)。

法蘭盤的半軸側(cè)靠在定位塊上，實現(xiàn)軸向定位。另一側(cè)選用4個NHU50油壓轉(zhuǎn)角缸，左右各二，與定位塊對應(yīng)，保證夾緊可靠，且讓出被加工錐孔的刀具空間。

半軸零件夾緊后，法蘭端的頂尖定位油缸退回，讓出加工空間，零件在X軸滑臺的帶動下移到加工位置，此時法蘭端的頂尖定位油缸安裝在底座上，不隨X軸滑臺移動。

零件初定位采用V形塊，半軸直徑的變化不影響精度，兩頂尖定位，端面定位和夾緊的方案，都避免了半軸軸徑變化引起的影響，故可以適應(yīng)多種產(chǎn)品型號的半軸產(chǎn)品加工。

3.2 主軸選擇

根據(jù)加工時所需轉(zhuǎn)速，選擇的電機型號為：1PH8107-B5，轉(zhuǎn)速n=1500 r/min，功率N=9 kW；主軸與電機之間通過齒形帶傳動，皮帶輪上安裝報警機構(gòu)，防止皮帶因長時間工作而導(dǎo)致疲勞斷裂。根據(jù)已知在加工工序中所需的主軸最大切削力F=5072 N以及所受扭矩T=37.57 Nm，選用的電機參數(shù)完全滿足加工要求。主軸箱內(nèi)有旋轉(zhuǎn)接頭用來與打刀缸連接，端部設(shè)有鍵形結(jié)構(gòu)，確保自動換刀時的準確性。

3.3 絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計

已知每分鐘進給量的范圍是270 mm/min～340 mm/min，這個參數(shù)主要由安裝在底座上的絲杠來控制。選擇滑動導(dǎo)軌，通過伺服電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠通過滑塊進而帶動立柱左右移動。電機和絲杠之間裝有減速器，用來降低電機所受的扭矩。并且為了防止電機因扭矩過大而損壞，在減速器和絲杠之間用聯(lián)軸器連接。選用角接觸球軸承，消除絲杠相對間隙，同時保證傳動精度。

3.4 底座和排屑裝置設(shè)計

由于機床需要符合流水線生產(chǎn)，滿足無人化要求，因此排屑裝置和冷卻液的排出也要著重考慮。在設(shè)計底座時將底座周邊設(shè)計成凹槽狀，切削液可以通過凹槽最終流到液體的排出口。為了方便切屑的排出，將底座上的一些表面設(shè)計成有一定的傾斜角，使得飛散的切屑隨著斜面最終落至漏斗狀的凹槽中，然后再配合螺旋自動排屑裝置，輸送到指定小車，再進行集中清理，實現(xiàn)自動化處理切屑。

4 結(jié)束語

在對半軸法蘭盤上錐孔進行工藝分析后，設(shè)計出了適應(yīng)多型號半軸加工的鉆錐鉸專用機床，能夠一次加工8個圓周均布的孔，并完成打底孔、鉸錐孔、內(nèi)倒角三個工步。機床適應(yīng)性強，能滿足軸徑和半軸長度可變的零件加工需求，采用機器人或桁架上下料，配有刀庫、自動換刀、電氣自動控制、自動排屑等裝置，減少了人力操控，和前后工序加工機床相配，易于組成加工流水線，為車間整體智能化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)提供了依據(jù)。