卧式双工位车轴加工数控镗床设计

霍苏萍

(三门峡职业技术学院 机电工程系，河南 三门峡 472000)

卧式双工位车轴加工数控镗床设计

霍苏萍

(三门峡职业技术学院 机电工程系，河南 三门峡 472000)

针对车轴加工技术要求，提出了采用专用组合机床加工车轴的工艺方案。设计了用于车轴轴头铣端面、钻镗孔及倒角的自动加工专用数控镗床。分析了机床的工作循环，并对机床的双主轴箱动力部件、液压夹紧装置、轴向检测装置进行重点阐述。机床采用在线检测装置，加工柔性化，适用于大批量自动化加工，有效地提高了车轴轴头加工的精度和效率。

卧式双工位；车轴加工；数控镗床

0 引言

车轴是车体上较复杂的重要关键部件，通过悬架和车架(或承载式车身)相连，传递车架(或承载式车身)与车轮之间各方向作用力，起着承载、行驶、制动功能。分整体式车轴和焊接式车轴，其结构复杂，工作条件恶劣，加工精度直接影响整车行驶的可靠性和安全性。目前，车轴生产为专业化大批量加工，若采用通用数控机床、普通车床、磨床等设备加工，存在多次装夹定位、加工工序多、节拍长，同轴度难以保证，加工效率低等弊端。如何改进车轴的加工工艺、提高加工精度和效率，是车轴生产企业面临的技术问题。针对专业化车轴生产企业的需求，开发了车轴加工一系列组合机床。卧式双工位车轴加工数控镗床是成组专用机床中用于车轴轴头加工的组合机床，该机床在车轴加工中主要完成车轴轴头端面铣削、扩孔、镗孔及倒角的自动化加工。机床采用双工位双主轴设计，一次装夹，双动力头依次进行加工，缩短了加工时间，有效地提高了车轴轴头加工的精度和效率。经多次试加工，技术指标和生产效率完全达到需求，适用于大批量的自动化加工[1]。

1 车轴零件工艺要求

图1所示为某整体式车轴零件图，材料为20Mn2，为典型的空心长轴类零件，其结构复杂，加工工序多；轴颈、轴体两端内孔的尺寸精度和同轴度要求高，轴体两端要求对称制作。两端轴颈同轴度为0.05，圆跳动0.03，全跳动0.3。

图1中，车轴轴头加工的工序是为后序的轴颈加工提供精基准，保障轴颈加工的同轴度和轴头镗孔后轴颈部内壁壁厚均匀，否则，在车辆行驶中会引起车轴受力不均，偏磨，甚至引起车轴断裂。

整体车轴轴头传统加工方法是采用加长卧车加工或两工位的数控车床，中间用中心架提高工件刚性，这两种方法均需掉头加工，且车轴表面架中心架部位需先车中心架支撑基准，存在工序多、加工工艺效率低，质量不稳定，劳动强度大等问题。

针对车轴加工技术要求，遵循技术先进、经济合理、提高效率的原则，对车轴加工工艺改进，开发设计了成组专用机床，改进后车轴加工工艺为:采用车轴两端双面同时加工，车轴一次安装即可完成轴头两端的端面铣削、扩孔、镗孔及倒角，采用数控技术，有效的保证车轴加工的同轴度和圆跳动等技术要求。

图1 车轴零件图

2 机床配置、主要参数与工作循环

2.1 机床配置

机床采用卧式双工位、双主轴结构布局，即在一个主轴箱里面安装有两套主轴，其中一套主轴加工车轴的端面和内孔，另外一套主轴精镗车轴的内孔及倒角，总体结构如图2所示[2]。机床配置2个动力镗削头，采用双动力头两侧同时加工方式，两动力头分别由两套双主轴动力头及其传动装置组成，主轴采用变频电机调速。2套专用液压自定心夹具，2个数控滑台，通过数控滑台调整专用夹具的距离，可实现不同规格品种车轴的加工。为保证不同规格车轴加工精度和尺寸的一致性，机床设计了轴向检测装置，加工定位时对车轴轴向位置进行检测，依据检测结果自动计算与设定值的差值，并自动进行补偿，来保证加工尺寸的一致性。机床采用封闭式防护，管路布局合理整齐，集屑箱配高压气枪，排屑方便。润滑系统采用自动润滑装置，数控十字滑台导轨采用VERSAⅢ型南京贝奇尔集中润滑装置，定时定量供油，对导轨等自动供油润滑[3]。

1.变速箱 2.镗削头 3.测量装置 4.辅助夹紧装置 5.车轴 6.主夹紧装置 7.数控滑台 8.床身 9.扩孔、铣端面刀辅具 10.镗孔、倒角刀辅具图2 机床布局结构图

2.2 机床主要技术参数

机床主要技术参数：

数控十字滑台：纵向最大行程500mm；横向最大行程：420mm；

最大加工长度：2500mm；

镗头行程：纵向630mm，横向220mm；

纵横向快移速度：10mm/min；

主轴中心高：1200 mm；

主电机功率及型号：7.5kW；变频电机：UABP-132S-4-50-5.5-B5；

数控十字滑台集中润滑装置： 南京贝奇尔VERSAⅢ-18221A-1C；

主机外观尺寸:长×宽×高(mm)：5600×1825×2100；

数控系统：三菱64SL；

液压滑台最大行程：400mm。

2.3 机床工作循环

工件定位安装后，两侧动力头行程由数控系统控制同时径向进给，经轴向检测装置检测，计算补偿值后，首先进行铣端面和钻孔加工，然后进行粗、精镗孔并倒角的加工。机床加工工序图如图3所示。

机床工作循环：上料—工件定位并夹紧—主轴启动—左右数控滑台同时纵、横向快进至1工位待加工位置—数控滑台工进至工件中心线(铣端面)—左右十字滑台纵向工进，进行内孔扩孔加工；左右十字滑台纵向快退—纵、横向快进到2工位—纵向工进进行镗孔、倒角—左右十字滑台纵快退—横向快退回原位—主轴停—各夹紧点松开—人工下料。同时安装一个新工件，机床进入下一个工作循环状态。

1.测量头 2、4、6.车轴 3. 铣端面、扩孔刀辅具 5.镗孔、倒角刀辅具图3 机床加工工序图

3 机床关键部件选型及设计

3.1 双主轴箱动力部件

机床采用双动力头两侧同时加工方式，机床双主轴主轴箱技术要求主要满足两个方面,一是同轴度的要求，二是双主轴的同步旋转和主轴定向可调，机床主轴箱及主轴组件结构如图4所示。双主轴箱采用对称的结构，其传动完全独立，2套动力头分别由2套双主轴动力头及其传动装置组成，电动机采用变频电机，通过变速箱带动主轴旋转。铣削和镗削传动比分别为1：3、1：2，这样既可以满足铣削时的低速加工，又可以满足镗削时的高速加工。采用变频电动机为适应加工工件线速度变化。

1.主轴箱 2.主轴 3.封油环 4.压盖 5.轴承盖 6.轴承 7.注油杯 8.隔套 9.套 10.套 11. 径向锁紧螺母 12.盖板 13.轴承 14.15封油环 16.盖 17.套 18.径向锁紧螺母图4 主轴箱及主轴组件结构

图5 双主轴

主轴箱采用双主轴复合传动机构。主传动分两路分别传递至钻铣主轴和镗孔主轴，如图5所示。机床镗削动力头采用通用部件 1TA 系列，实现镗孔后同时倒角，设备安装了用于倒角的专用组合镗头，在镗头杆前端分别安装用于粗、精镗2把镗头，在镗头杆中部安装用于倒角的倒角刀块。2镗刀块在轴向及径向相互错开，形成阶梯，使粗、精镗削加工中减少单刃切削加工余量，降低切削力和振动；并且2镗刀块在轴向及径向都设置有微调装置，加工中可以根据切削余量对镗刀块轴向和径向单独进行调节，提高加工精度[4]。

3.2 液压夹紧装置

针对车轴零件在本工序加工为锻件毛坯的特点，机床设计了毛坯自定心修正和辅助夹紧相结合的夹紧机构。采用毛坯多点夹紧、自锁且不干涉，保证机床粗加工有足够的夹紧力，同时减小精加工的变形。夹紧机构由主夹紧机构、辅助夹紧机构和辅助支撑机构三部分组成。主夹紧机构为自定心夹紧装置，由液压油缸带动齿轮齿条实现两夹爪的同步动作，夹紧准确可靠。辅助夹紧机构夹紧轴头，以减小铣削时工件的振动，保证工件的位置精度和重复定位精度，工件定位图如图6所示。辅助支撑机构，由四对轴承支撑工件，便于工件的轴向移动，使工件轴向移动更加方便、轻快。主夹紧机构两夹爪可以实现在夹具小滑板上轴向调整，在专用十字滑板的下导轨体上安装夹具调整滑板，通过Z向伺服电机驱动，可根据工件长度的变化精确的调整夹具滑板的位置，以适应不同轴头的加工，提高了组合机床的柔性化[5]。

1、5.自定心夹紧装置 2.车轴 3.中间支撑夹紧装置 4.端部支撑装置图6 工件定位图

3.3 轴向检测装置

机床设计2套轴向检测装置。左右两端同时进行检测，实现工装夹具和零件的装夹找正、零件编程原点的设定，对工件轴向位置在线检测，根据检测结果自动计算出与目标值的差值，并自动进行补偿，来保证批量加工工件尺寸的一致性。轴向检测装置如图7所示。

1.支撑臂 2.螺杆 3.橡胶套 4.有线通讯侧头 5.车轴 6.浮动销 7.支撑座 8.垫板图7 轴向检测装置示意图

测头采用红外编码信号通讯，车轴轴头加工粗对刀完成后，侧头自动测量油封位端面，当测头发讯后探测到的数据通过数控系统来修正相应的刀补值。检测装置工作过程为：首先测头支撑臂旋转90°，至水平位置，测头与被测基准面面即油封位端面平行，然后纵向移动十字滑台，由快—慢—碰撞油封端面(测头触发)；测头触发时，侧头控制器通过通信电缆输送到数控系统，机床根据检测结果自动计算出与目标值的差值，并自动进行补偿。同时，十字滑台退回原位，测头支撑臂旋转90°抬起。机床左右十字滑台的轴向检测装置同时进行测试，保证批量加工工件尺寸的一致性[6]。轴向检测装置的应用，扩展数控机床功能，解决常规测量无法解决的问题，同时改善数控机床性能，提高数控机床效率[7]。

4 机床运行调试

机床安装调试后，检测机床的几何精度完全合格，重点对轴线的定位精度、轴线的重复定位精度、主轴内定心直径的径向跳动、主轴外定心直径的径向跳动、两端主轴的同轴度、两端主轴与夹具的同轴度等进行检测。机床的工作精度验收时加工工序、切削参数见表2。连续加工工件30件，到企业安装调试后，验收终检连续多天加工100件，检测结果：轴头加工精度均达到了技术要求，且本工序加工时间(含装夹、测量)仅为3.5min，比车轴生产企业要求的生产节拍不低于4～5 min，节约了0.5～1.5 min，有效保证轴头加工质量的同时，提高生产效率[8]。

表2 机床工作精度测试切削参数

5 结束语

该产品已交付用户使用，性能可靠稳定，完全满足用户要求。通过批量加工实验，本工序加工节拍仅为3.5min，比采用原有工艺方案加工节拍12min缩短了8.5min，经济效益显著。机床可进行不同规格品种车轴的加工，实现了车轴轴头加工的自动化和柔性化，为国内车轴专业化生产企业提供了新型高效加工设备[10]。

[1] 高桂华.精铣缸体前后端面组合机床设计[J].组合机床与自动化加工技术,2011(10):109-112.

[2] 大连组合机床研究所.组合机床设计[M].北京.机械工业出版社,1975.

[3] 李洪.实用机床设计手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1999.

[4] 吴天培.高级镗工技术[M].北京：机械工业出版社,1999.

[5] 田子欣,霍苏萍.KC—TZ118型链轨节数控钻镗组合机床的研制[J].机床与液压,2011，39(2)：62-64.

[6] 张康智,刘凌.加工中心在线检测技术的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2007(6)：56-58.

[7] 袁旭群.曲轴箱半精镗缸孔并倒角组合机床的设计[J].机床与液压,2012，40(8)：27-29.

[8] 牟世维.双主轴双刀库立式加工中心机床设计[J]. 甘肃科技，2007，23(12)：35-37.

[9] 陈桂芳.转向节专用数控车床的设计[J].组合机床与自动化加工技术,2010(12):90-94.

[10] 马维新,王丽.CKS7815 型双主轴数控车床的设计制造[J].制造技术与机床,2010(2)：72-74.

(编辑 李秀敏)

The NC Boring Machine Design of Horizontal Double Station on Axle Processing

HUO Su-ping

(Department of electrical and Mechanical Engineering, Sanmenxia Polytechnic, Sanmenxia Henan 472000,China)

the special combination machine on axle machining technology are proposed to meet processing technical requirements on the axle. milling face, hole and chamfering on shaft head are processed by the special combination machine. Work cycle of the machine are analyzed, and power components of the dual spindle box, clamping device on hydraulic, axial detection device are emphatically illustrated. Due to flexibility and using on-line detection device, the machine is suitable for mass processing automation, and effectively improve the efficiency and precision of the shaft head processing.

horizontal double station; axle processing; NC boring machine

1001-2265(2014)07-0129-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.037

2013-07-10；

2014-02-11

霍苏萍(1965—)，女，河南陕县人，三门峡职业技术学院副教授，主要从事机械设计与数控技术应用的研究与教学，(E-mail)1098699341@qq.com。

TH122；TG65

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