柔性制造技术在转向节加工中的研究及应用

何晓杰 张文韬 蒋杰 钟智 陈超

摘要：所谓“柔性”，即灵活性，是制造设备或系统应付各种可能变化或新情况的“应变”能力，涉及设备柔性、工艺柔性、产品柔性、维护柔性、生产能力柔性、扩展柔性、运行柔性等，能够在较短的开发周期内生产出较高质量要求的不同产品，柔性制造技术的这种高效、灵活的特点使其成为制造业的主要发展趋势和面向21世纪的先进生产模式。

关键词：转向节；柔性制造技术；加工工艺

1 转向节零件结构特点

转向节是车轮转向的关键零部件，属异形件，上下有安装主销的两个同轴孔，另有安装车轮的转向节轴颈。转向节上下主销孔通过主销与前轴相连，前轮可以绕主销偏转一定角度从而使汽车转向。为了减小磨损，转向节主销孔内压入锡青铜衬套或滚针轴承，并需注入一定量的润滑脂润滑。为使转向灵活，在转向节下主销端面与前轴接触部分装有推力轴承，在转向节上主销孔端面处与前轴接触部位之间还装有调整垫片，通过更换不同厚度的调整垫片，保证一定范围的间隙。加工尺寸比较多，需要的加工方式多样，包括外圆加工、端面加工、主销孔加工、螺纹加工等，主要由轴承安装轴（转向节轴）、固定制动器的转向节法兰盘面、主销孔叉架组成。转向节轴主要安装轮毂轴承，呈阶梯结构，包括两个安装轴承的同轴外圆柱面、圆锥面、螺纹面、过渡圆角，以及制动器总成安装止口和端面；转向节盘面包括固定制动器的安装平面、连接制动器总成的螺栓孔和其它相关连接件的螺纹孔；主销孔叉架是由转向节的上下主销孔和档面构成。

2 转向节传统加工存在问题

（1）工序基于传统加工方式的束缚，加工产品的精度难以保证，过程稳定性不高。如：转向节轴部为阶梯轴，分两道工序磨削，受限于设备、工装精度，很难保证两轴承安装处的同轴度要求；基准多次转换，各安装平面尺寸不稳定。（2）加工工序多，人员劳动强度大，手作业时间长，难以发挥设备的最大效率；各工序生产能力不均衡，造成个别工序等待，或者在制品过多，整体工时利用率低，浪费严重；产品切换需调整二十几台设备及工装，因产品结构不同以及工序内容的约束很难实现共线生产，产品转型或切换局限性大。（3）受通用设备结构和生产线工艺布局限制，所需设备较多，导致生产线较长；工序多，各工序占用一定在制品，导致在制品量大，很难实现一个流生产，生产效率难以实现最大化，精益化管理推行困难。

3 转向节加工设备的柔性化

柔性制造体系就是一种比较完善的工业生产体系。该体系主要由计算机模块、自动设备模块、自动搬运模块三个子体系构成，其自动化程度相对较高，生产效率较高。简单来会说柔性体统包含自动加工、智能物流处理、信息化三个子模块，根据生产零件的不同能够进行实时变化的一种系统，其英文简称为 FMS。

3.1 集成加工技术

集成加工技术主要是通过改进传统机床的加工方法，减少加工工序，实现工件的高精度和高效率的一种加工方法。优势主要表现在以下几个方面：（1）工序集中，减少了工件装夹次数，在一次装夹中可加工多个表面，能够减少工件的重复定位误差保证相互间的位置精度；同时减少了装夹所造成的误差。（2）产品加工精度由精度较高的数控设备和程序控制，可减少人为因素干扰。（3）大大降低工人劳动强度。（4）大大缩短生产周期以及新产品开发周期。（5）减少了工件的转运次数，缩短了物料的转运周期。

3.2 复合加工技术应用

复合加工技术是指工件一次装夹，用多种加工方法完成零件的表面加工，即在一台设备上完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔、扩孔等多种加工要求。减少设备和工装夹具投入，减少装夹次数及搬运过程，能够提高产品加工精度，缩短产品的加工周期。复合加工机床主要分为三类：（1）以车为主的复合加工机床，在车削中心的基础上增添用于回转刀具的切削装置，如车铣复合中心、小型五轴车铣复合中心、车铣复合加工单元等。车铣复合加工的运动包括动力铣刀旋转、工件随主轴旋转、铣刀可轴向和径向进给等基本运动；（2）以銑削为主体的复合加工机床，在加工中心基础上增加了使工件回转的驱动装置，如带回转轴的加工中心；

3.3 转向节新工艺生产线布局

为实现最优化布局，新生产线布局应遵循以下原则：（1）混线生产原则（柔性原则）：可实现多品种混线生产，以适应多品种、小批量生产，尽可能的提高设备利用率。（2）“一个流”生产原则：根据确定的工艺流程以及选用设备，确保满足工艺路线，实现物流单一流向，避免倒流及交叉；生产线布局应尽可能减少“断点”；减少搬运及在制品库存；能够实现“一人多机”操作，提高生产效率。（3）人机匹配原则：充分考虑人机工程，为生产线员工提供一个安全、舒适、宽敞的操作空间。（4）减少浪费：降低等待、搬运等。（5）保证设备布局形式的合理：新工艺设备采用工艺专业化布置形式和产品专业化布置形式相混合的形式进行布局，即各工序采用成组生产单元按工艺专业化布置形式布局，“一人多机”的情况下由相同工种的工人对不同规格的产品进行相同工艺的加工；整条生产线采用产品专业化布置形式布局，以便实现“一个流”生产，保证整条生产线从毛坯投入到成品产出，减少工件搬运等待等。（6）物流路线通畅原则：生产线布局时应当保证流通路线顺畅。

结束语

综上所述，为实现转向节车铣复合加工，采用回归分析法建立动力铣削切削力以及“以车代磨”粗糙度模型，为优化切削参数，实现转向节的柔性加工提供了理论依据。对重型汽车转向节柔性化加工的研究，重点做了工艺流程设计及实际加工应用方面的研究，对物料输送系统、控制信息系统等方面未有涉及，后续可针对以上方面进行完善，完善整个柔性制造系统。

参考文献：

[1] 潘卫军. 现代柔性制造技术及其发展[J]. 苏州：苏州工业园区工业技术学校，215123.

[2] 李敬远等. 柔性制造系统的关键技术及发展趋势[J].建筑工程技术与设计，2015.