掛車車軸加工的全（quán）新工藝（yì）及機床的研究
2021-5-18 來源： 寧夏長興精密機械有限責任公（gōng）司 作者：施文秀
摘要：汽（qì）車掛車軸（zhóu）專門化數控車床用於掛車軸（zhóu）的車削加工，掛車（chē）軸軸身部（bù）分（fèn）為方形或圓形（xíng），車軸全長1.8~2.8 m。車軸需根據毛坯尺寸不同加工成（chéng）長度不同的成品車軸。本文提出的（de）掛車車（chē）軸加（jiā）工全新藝為：在一台機床上，一（yī）次上下料即可自動完成車軸兩端的全（quán）部車削加工。
關鍵詞：掛車車（chē）軸；加工工（gōng）藝；基準轉換（huàn）；多連杆測量
汽（qì）車掛車軸是汽車車輛（liàng）的重要零（líng）部（bù）件，主要用（yòng）於半掛載貨車的長途運輸。隨著公路網絡的建設及物流運輸的快速發（fā）展，該零部件市場有很大的需求。目前全國生產該產品的主要廠家有近百家，年產（chǎn）銷量180餘萬件。大部分廠家製造該（gāi）產品的工藝及設備都（dōu）比較落後，車軸兩端的加工均采用分散工藝，一個車軸的軸端加工約需5~8序完成，存在生產效率（lǜ）低、製造精度低、人工成本高、生產流程長及難以實現自動化等問題。
通過對（duì）現（xiàn）行掛車軸加工工藝的分析研究，充分了解用戶（hù）不同車軸製造工藝、不同技術要求，本文（wén）提出的加工工（gōng）藝采用（yòng）高（gāo）度集（jí）成的加工工藝，可實現一次裝（zhuāng）夾，完成（chéng）車軸兩端內孔、外圓以及端麵的所有車削加工工序內容。為達（dá）到本加工工藝要求，機床通過總體方案設計、裝夾基準自動轉換、自動輸送料裝置、自動（dòng）化控製技術等關鍵技術的研究，以及（jí）自動檢測（cè）裝置、高精度尾架、主軸托料裝置、送料裝置等關鍵部件的研發，最終設計形成了本文論述的掛車軸加工用的雙端麵專門化（huà）數（shù）控（kòng）車（chē）床。現就掛車軸的加工工藝和本文論述（shù）的雙端（duān）麵專門化數控車床的大體結（jié）構進行介紹。
1、 車軸生（shēng）產工藝分析及新（xīn）型生（shēng）產工藝推薦
為（wéi）詳細了解車軸加工工（gōng）藝，先（xiān）介紹掛車車軸（zhóu）的結構及要求，汽車掛車軸有很多種，按形狀不同，分為實心方型車軸,空心方管車軸、空心圓管車軸，其中空心（xīn）方管車軸按形狀和尺寸不（bú）同又（yòu）分為美式車軸和德式車軸。其（qí）大體（tǐ）結構見圖1：掛車車軸結構示意圖。掛車軸要求除外圓內（nèi）孔的通用（yòng）車削加（jiā）工要求外，要求後軸承位、油封位、過渡圓弧麵（miàn）以（yǐ）及（jí）底板位壁厚均勻且不得小於要求最小值，所以（yǐ）為保證壁厚均勻，在加工車軸前，應先（xiān）對檢測（cè）軸肩進（jìn）行軸向位置測量，以測（cè）量（liàng）軸（zhóu）肩位置為加（jiā）工工件的（de）軸向基準，以最小加工餘量完成車軸外圓、內孔和（hé）端麵（miàn）的加工。掛車車軸兩端車加工（gōng）的形位公差、尺寸（cùn）公差等精度要求均較高，本文不做（zuò）過多贅述（shù）。
圖1 掛車車軸結（jié）構示意圖
圖2
1.1 整體車軸傳統生產工藝
工序1：毛胚軋製成型。
工序2：毛（máo）胚調質。
工（gōng）序3：雙頭鏜床/銑專機：加工兩端端麵、內（nèi）孔/中心孔。為保證加工零（líng）件壁厚均勻的要求，此序加工工藝基準為（wéi）軸承位（wèi），軸向檢測油封位檢測（cè）軸肩。
工序（xù）4~5：采用單刀架通（tōng）用數控車床：掉頭加工兩端軸徑各（gè）部位。此（cǐ）序加工工藝基準（zhǔn）為前序加工的內孔及錐麵，軸向檢測端（duān）麵位置。少（shǎo）部分用戶用雙刀架數控車床：一端由主軸夾具內撐，另一端尾架頂緊，加工兩端軸（zhóu）徑各部位。采用此（cǐ）設備比（bǐ）單（dān）刀架數控車床效率高，但加工一些特定車軸，存（cún）在由於內孔較小，內撐夾具傳遞扭矩不夠，不能大扭矩車削等加工質量問題。
工序6：銑鍵槽、鑽徑向孔。
工序（xù）7：熱處理：軸（zhóu）徑淬火、校直；也有用戶軸徑不淬火（huǒ）。
工序8：磨兩端外圓軸承位，也（yě）有客戶軸徑不淬火，而選用毫克能的（de）。
工序9：焊接製動底板等附件（jiàn）。
工序10：加工製動底板端麵孔，或者外側端麵（碟刹車軸）。
工序11：焊接叉架、校直。
工序（xù）12：噴塗、檢驗，然（rán）後（hòu）轉車軸總成裝配。
按照此傳統工藝進行（háng）車削加工，從工序3~工序5，工序3序完成車加工工序，掛車軸零件外形不規則，長度1.8m~2.8m，單件重約150Kg，采用傳統工藝多次上下料，增加製造過（guò）程的（de）輔助時間，生產效率（lǜ）低，人工上下料不（bú）易操作，工人勞動（dòng）
強度大。並且存（cún）在發生特（tè）定車軸內孔小，撐內孔尾架頂（dǐng）緊工件時，夾緊力不足，發生加（jiā）工（gōng）效率低下或夾持不（bú）牢造成廢品等質量問題的可能性（xìng）。
1.2 整體車軸全新生產工藝
為改善和解決上述傳統生產工藝所存在的（de）問題，提（tí）出本文論述的全新生產工藝及（jí）車加工（gōng）設備。
新工（gōng）藝將傳統（tǒng）生產工藝中工序3~工序5結合在一台機床（chuáng）上進行（háng）加工，其餘傳統加（jiā）工工（gōng）藝不做大幅變動。因工序3加工工藝基準為後軸承位，工序4~工序5加工工藝基準為工序3加工的內孔及錐麵。如將工序3~工序5結合在一台機床（chuáng）上（shàng）完
成，加（jiā）工過程中（zhōng），機床需具備工藝基準轉換的能力（lì）。為此結合中間驅動雙端麵數控車床的結（jié）構，提出開發本文論述的掛車（chē）軸加工用雙端麵專門化（huà）數控車床。
2 、 掛車軸加工用雙（shuāng）端麵專門化數控車床方案及（jí）結構
通過對掛車車軸加工工藝的分析，以及上述（shù）全新工藝的解析，結合用戶全自動上下料要求和雙（shuāng）端麵數控車（chē）床的結構特點，應用模塊化設計思路（lù），完成了掛車軸加工用雙端麵專門化數控車床的總體方案設計：機床采用45°斜床身布局，剛性好，排屑（xiè）方便。機床采（cǎi）用雙通道控製係統（tǒng），左右刀架安裝在上導軌，可同時或分（fèn）別與（yǔ）主軸聯動，完成零件兩端的同時（shí）或順序加工。由一台機床（chuáng）完成軸端的全部加工，主、副主（zhǔ）軸箱夾具夾持（chí）軸端軸承位，雙端同時加工端麵、內孔和錐麵，然後夾持基準自動轉換，轉為由左右尾架（jià）頂持（chí）工件兩端錐麵，主軸箱浮動夾具夾持軸體並傳遞扭矩，加工（gōng）軸端外圓各部位。按照（zhào）工藝要求（qiú），機床總體布局方案見圖3。
圖3 機（jī）床總體布局方案
附圖中所（suǒ）示序號代表的名稱：
機床為了加工工件的高精度和高效率，配置了自動上下料裝置，上下料裝置通過懸伸臂將工件送入機床，至主主軸箱（xiāng）左端，為配合上下料，機床主軸箱內（nèi）孔設（shè）有滾動托料裝置，輸送料（liào）道的懸臂上帶有（yǒu）動力裝置（zhì）。上料時，工件向前移（yí）動，右端刀架（jià）對工件（jiàn）進行粗定位，當工件進（jìn）入（rù）加工位置後，主軸箱夾持工件，懸臂收回；由左右兩套軸向檢測裝置，檢（jiǎn）測並反（fǎn）饋工件測量軸肩的位置，對機（jī）床程序進行自動修正，從而實現零件的精（jīng）確軸向定位，完成工件第一工步的加工。第一工步加（jiā）工完成後，左尾架升起（qǐ），主（zhǔ）主軸箱卡爪（zhǎo）鬆開，副主軸箱拖動（dòng）工件至左尾架頂尖定位，副（fù）主軸箱卡爪鬆開並繼續向左移（yí）動，至右尾（wěi）架頂緊範圍，右尾架與左尾架共同頂緊工件，實（shí）現工件（jiàn）定心，主主軸箱右端卡爪浮動夾持工件，帶動工件旋轉，完成工件第二工步（bù）的加工（gōng）。第二工步（bù）加工完成後，主軸卡（kǎ）爪鬆開，兩尾架鬆開，左尾架（jià）下降，輸送料（liào）道的懸（xuán）臂伸入機床，將工件拖出機床。機床（chuáng）完成單次加工循環。
3、新型（xíng）工藝的優點和（hé）特點
（1）工序集中，減少了工件（jiàn）裝夾次數，減少了輔助加工時間，采用兩端同時加工工藝，生產（chǎn）效率顯著提高（gāo）。
（2）一次上料，兩端同時（shí）加工，提高了車軸的加工（gōng）精度（dù）和同軸度。
（3）縮短生產工（gōng）藝流程，減少生產現場零件周轉，提高場（chǎng）地作業麵積使用效率，有利於（yú）提高生產的組織管理。
（4）由於采用了高效加工（gōng）設備，本機床在研發之初就已經考慮了配備上下料裝置及儲料裝置，這樣很容易就（jiù）可以實現全自動化（huà）生產，以降低（dī）人工製造成本。
（5）工件在中間位置夾緊（jǐn），裝夾可靠，傳遞機床（chuáng）切削時所需的（de）扭矩足夠，尤其是對端麵（miàn）內孔較小的車軸，或者實體車軸（zhóu）而言，相比端麵驅動（dòng）方式，可以（yǐ）進行大（dà）餘量車削，機床剛（gāng）性強、加工精度高。
（6）機床可帶自動檢測裝置，尤其是（shì）對空心車軸，可以確保加工（gōng）後的車軸壁厚均勻。
（7）如果車軸兩端（duān）的鍵（jiàn）槽和徑（jìng）向孔需要（yào）加工，則本機床也可（kě）配置動力刀架，將後序的鍵槽和徑向孔一起加工（gōng）完成。
4、攻克的掛車軸加工用雙端（duān）麵專門化數控車（chē）床技術難題
（1）開發了滿足（zú）各種掛車軸全新加工工藝（yì）的需求，可實現轉換基準、軸肩測量、自（zì）動上下料等功能的中間驅動車床的機床布局方案。
（2）研製成功（gōng）了高（gāo）性能主軸箱。雙端麵數（shù）控（kòng）車床（chuáng）的核（hé）心關鍵技術（shù）在於中間驅動、夾持零件實現雙端車削的主軸箱，主軸箱的性能、水平決定了整機的（de）性（xìng）能（néng）、水平。其結（jié）構是將主軸係統、夾具（jù）、夾緊油缸、配油係統、驅動裝置一體化設計。滿足掛（guà）車車軸加工工藝要求。
（3）多連杆擺臂測量裝置，可實現車軸加工時毛（máo）坯的軸肩測量，由（yóu）於測（cè）量點位於主軸箱（xiāng）孔內部，測量裝置需從卡爪中間較小空間內進入測量，檢測裝置采用多連杆機構從而完（wán）美（měi）解決這一難題。
（4）機床左端上下料輔機，輔機可將工件從機床（chuáng）左側將工件滾（gǔn）動送入主軸（zhóu）箱，等加工完成後，可將工件從機（jī）床內拖出，輔機可根據用戶需求（qiú），進一步擴展與自動線連接，實現自動線全自（zì）動生產（chǎn）。
（5）為配合上下料動作，主軸箱內孔設計了專門的滾動托料架，以降低車軸在上下料（liào）過程中的摩擦阻力。方便上下料。
（6）機（jī）床左側尾架設計（jì）了高精度上下移動的結（jié）構（gòu），滿足上下料動作的（de）同時，實現了大（dà）切削（xuē）力時尾架所需的（de）較（jiào）高剛性。
（7）機床設計（jì）有三套大（dà）行（háng）程徑向油缸卡盤，分別（bié）可實現自定心夾持工件和浮動（dòng）夾持工件（jiàn）的功能，從最大（dà）限度（dù）上滿足（zú）掛車軸全新加工工藝的需求，其最大卡爪行程（chéng）單（dān）邊可達65mm。
5、掛車車軸加工全新工藝實現（xiàn）的（de）意義
汽車掛車軸在長途公路運輸中占據著重要的地位（wèi）。提高其加工質量和（hé）加工效率其意義不言而喻；整體式車軸在車軸行業已經普遍（biàn）應用，但是由於國內大部分掛車軸生產（chǎn）企業（yè）所用設備普遍落後，效（xiào）率低，質量（liàng）差。隨著公路交通運輸（shū）車輛市場需求的穩步（bù）增長及車軸製造行業麵（miàn）臨（lín）設備急需更新換代的現狀，采用高集成化、高複合化、高效率、高自動化、智能化是現代製造技（jì）術的發（fā）展方向，也是車軸製造（zào）行（háng）業（yè）眾多（duō）用戶的迫切需求。
新（xīn）工藝的實（shí）施（shī）將為該行業提（tí）供效率高、精度高、自動化程度高、製造成本低的先（xiān）進製造設備，對促進（jìn）公路運輸的發展及國家經濟建設具有重要意義。
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