起重機轉(zhuǎn)向節(jié)的數(shù)控車削加工

孟維，馬黎麗，黃龍

徐州重型機械有限公司 江蘇徐州 221004

1 序言

轉(zhuǎn)向節(jié)是獨立懸架系統(tǒng)（見圖1）的核心零件，在某新型起重機上承受著多變的沖擊載荷，支撐并帶動車輪轉(zhuǎn)動，使起重機在行駛過程中轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向節(jié)分為驅(qū)動轉(zhuǎn)向節(jié)和非驅(qū)動轉(zhuǎn)向節(jié)，轉(zhuǎn)向性能受轉(zhuǎn)向節(jié)精度的影響較大。我公司自2017年1月以來，對廢品轉(zhuǎn)向節(jié)進行統(tǒng)計，因尺寸超差的廢品轉(zhuǎn)向節(jié)占比達到85%以上，所以需要對轉(zhuǎn)向節(jié)的加工工藝進行研究，使其能夠滿足使用性能，在保證質(zhì)量的前提下實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

圖1 獨立懸架系統(tǒng)

2 轉(zhuǎn)向節(jié)加工技術(shù)要求

圖2所示為轉(zhuǎn)向節(jié)，其質(zhì)量為58.15kg，目前采用臥式車床進行加工，工藝路線為：來料檢驗→粗銑→粗車→調(diào)質(zhì)處理→精車→精銑→滾花鍵→檢驗入庫。轉(zhuǎn)向節(jié)屬于異形件，各型面和加工尺寸較多，幾何精度要求高，主要加工部位包括型腔上下基準面、型腔內(nèi)腔、各精度孔、錐面、外圓和內(nèi)孔等。

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)

3 加工難點分析

經(jīng)分析，加工中存在如下難點。

1）鍛件毛坯粗加工余量大（見圖3），軸肩余量相比其他位置更多，且外形不規(guī)則，無法實現(xiàn)高效除去余量，車削效率低。

圖3 鍛件毛坯粗加工余量大

2）轉(zhuǎn)向節(jié)幾何公差和尺寸精度要求高，采用花盤裝夾定位，裝夾剛性差，且裝夾不牢靠導(dǎo)致車削過程中工件產(chǎn)生微動，造成尺寸精度、幾何精度超差。

3）轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)腔不規(guī)則，空間位置復(fù)雜，加工干涉導(dǎo)致內(nèi)孔刀具直徑受限，車削時易產(chǎn)生振動，其內(nèi)孔f80mm軸承座孔相對于基準C-D的徑向圓跳動最大變動量為0.005mm。由于用于反車內(nèi)孔的刀桿受通孔直徑限制，剛性差，轉(zhuǎn)向節(jié)的內(nèi)孔加工精度控制困難，且一次裝夾車削后，內(nèi)孔的精度檢測正確率低。

4）轉(zhuǎn)向節(jié)f110mm外圓處要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，中低速車削很難保證表面粗糙度要求。

4 解決思路

針對轉(zhuǎn)向節(jié)車削工序裝夾不牢、定位精度差、剛性差及加工精度不易控制等難題，解決思路如下。

1）通過心軸裝夾或單動卡盤裝夾方案，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)在數(shù)控車床的定位，解決轉(zhuǎn)向節(jié)無法裝夾的難題。

2）通過建立轉(zhuǎn)向節(jié)余量車削模型，借助計算機輔助編程軟件優(yōu)化車削路線，解決車削效率低的難題。

3）通過設(shè)計制作轉(zhuǎn)向節(jié)專用裝夾過渡套，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)能夠調(diào)頭裝夾，采用階梯式組合變徑鏜孔刀解決剛性差和無法測量的難題。

5 確定裝夾方案

1）根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)特點，在數(shù)控鏜銑床完成粗銑后，使用普通心軸裝夾方案（見圖4）粗加工，將自制心軸工裝穿入轉(zhuǎn)向節(jié)f76mm、f50mm臺階孔，通過鎖緊螺母實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)在數(shù)控車床上的定位裝夾，依靠卡盤夾持和心軸端的撥塊2實現(xiàn)車削時的轉(zhuǎn)矩傳遞，并在卡盤處安裝配重平衡塊。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)使用普通心軸裝夾方案

2）經(jīng)過初步驗證，采用心軸裝夾，由于轉(zhuǎn)向節(jié)f76mm、f50mm臺階孔在數(shù)控鏜銑床通過U鉆和擴孔鉆加工，內(nèi)孔尺寸不穩(wěn)定，受內(nèi)孔精度低的限制，僅依靠端面進行鎖緊，工件易松動，對轉(zhuǎn)向節(jié)的裝夾方案有限制，且每次都需拆卸撥塊2，撥塊2也有松動的隱患。

3）采用單動卡盤裝夾方案（見圖5），考慮到轉(zhuǎn)向節(jié)可夾持的位置均遠離卡盤，經(jīng)測量，需要將卡爪長度增加約300mm，標準卡爪不能滿足要求。通過重新設(shè)計制作卡爪，增加夾持剛性，上道工序粗銑時還需要將平面銑出，增加卡爪與工件的接觸面積。

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)單動卡盤裝夾方案

4）轉(zhuǎn)向節(jié)軸向定位（見圖6）采用分體式定位工裝，即在本體上實現(xiàn)與轉(zhuǎn)向節(jié)接觸部位可更換，安裝工裝本體時需要進行軸向圓跳動、徑向圓跳動找正。此裝夾方案可滿足驅(qū)動轉(zhuǎn)向節(jié)和非驅(qū)動轉(zhuǎn)向節(jié)的粗、精加工的裝夾定位要求。

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)軸向定位

6 優(yōu)化工藝路線

6.1 建立轉(zhuǎn)向節(jié)零件模型

隨機抽取5件轉(zhuǎn)向節(jié)毛坯進行測量，在不同位置選取5組數(shù)據(jù)進行零件毛坯模型的建立，轉(zhuǎn)向節(jié)毛坯采集點如圖7所示。通過比對鍛造毛坯的直徑，發(fā)現(xiàn)采集點的工序余量大小相對較為均勻。轉(zhuǎn)向節(jié)毛坯坐標點采集數(shù)據(jù)匯總見表1。將各項影響因素綜合分析計算[1]并在數(shù)控車床上找正后，最高點與最低點的落差為2.5～3.0mm，可將最終建模毛坯外徑增大4～6mm。

表1 轉(zhuǎn)向節(jié)毛坯坐標點采集數(shù)據(jù)匯總 （單位：mm）

圖7 轉(zhuǎn)向節(jié)毛坯采集點

6.2 粗加工

考慮到機床卡盤直徑大、離心力大等因素，可將安全系數(shù)設(shè)置為0.8，推薦切削速度vc=131m/min，轉(zhuǎn)速n=238r/min，背吃刀量ap=3.5mm，進給量f=0.4mm/r?？墒褂肅AXA數(shù)控車削軟件編程和手工編程相結(jié)合的方式來編制轉(zhuǎn)向節(jié)加工程序。

粗加工時，建議使用頂尖輔助頂緊工件，頂緊前需要在f52mm內(nèi)孔端面處進行60°倒角，方便頂針頂緊工件，防止工件內(nèi)孔與尾座不同心，可避免工件在加工過程中出現(xiàn)松動。

6.3 精加工

轉(zhuǎn)向節(jié)精加工受其結(jié)構(gòu)形式限制，按一般的工藝順序應(yīng)該先內(nèi)后外[2]，即先加工內(nèi)孔部分，再車削外圓。但內(nèi)孔若采用抗振阻尼刀桿進行反向車削，則存在刀桿直徑受限的問題，易引起車削振動，f80mm內(nèi)孔加工完成后還存在無法測量等問題。

（1）外圓和端面止口的精加工 考慮到外圓加工需要控制f110mm、f93.864mm等6處外圓尺寸，按先后順序分刀車削，其中f110mm外圓要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，受離心力、線速度低的影響，通過車削外圓表面不易達到工藝要求，此處可采用滾壓工藝替代車削，可將f110h7外徑公差車削至0～0.01mm，再通過單針滾壓刀實施滾壓后，使用便攜式表面粗糙度測量儀測得表面粗糙度值Ra=0.423μm，符合工藝技術(shù)要求。轉(zhuǎn)向節(jié)外圓精加工車削和滾壓切削參數(shù)見表2。

表2 轉(zhuǎn)向節(jié)外圓精加工車削和滾壓切削參數(shù)

將機床尾座退至安全距離后，使用內(nèi)孔刀車削f56mm孔至要求尺寸并按要求倒角，因工件懸伸較長，為保證內(nèi)孔加工質(zhì)量，內(nèi)孔車刀需縮至最短（若刀桿過長，可切除多余部分），盡量選擇正前角鋒利型刀片。

（2）轉(zhuǎn)向節(jié)二次裝夾和過渡保護套 若調(diào)頭后直接裝夾工件，則易破壞轉(zhuǎn)向節(jié)的表面粗糙度，需要制作過渡保護套。保護套材質(zhì)選用QT450-10球墨鑄鐵，考慮到裝夾牢固和安全性，可使用階梯式開口保護套（見圖8）。轉(zhuǎn)向節(jié)二次裝夾找正如圖9所示。

圖8 階梯式開口保護套

圖9 轉(zhuǎn)向節(jié)二次裝夾找正

（3）轉(zhuǎn)向節(jié)f80mm內(nèi)孔精加工及控制方法 轉(zhuǎn)向節(jié)f80mm內(nèi)孔以內(nèi)溝槽為分界線，需要分別控制，可按先內(nèi)后外的順序[3]，先加工最小尺寸的孔，再控制靠近端面處的f80mm孔。由于受轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)形式影響，內(nèi)孔刀桿既要滿足懸伸長度400mm,又要避免加工時f52mm底孔干涉問題，優(yōu)先選用直徑40mm的10倍徑抗振阻尼鏜桿，可通過外轉(zhuǎn)內(nèi)冷的方式，即將切削液接入刀桿，實現(xiàn)切削時充分冷卻，避免溫升對內(nèi)孔尺寸產(chǎn)生影響。切削時采用恒定余量加工方式，即第一刀精加工余量0.5mm，第二刀和第一刀余量相等，便于內(nèi)孔尺寸控制。

精加工完成后，采用內(nèi)溝槽刀將f83mm槽切出。檢測時，考慮到其公差范圍只有0.019mm，推薦使用內(nèi)徑千分表檢測，為保證檢測結(jié)果的正確性，檢測時需要在同一截面內(nèi)進行多點測量。

7 結(jié)束語

轉(zhuǎn)向節(jié)的余量大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，幾何精度和尺寸精度要求高，一般情況下很難保證該異形件的加工質(zhì)量要求。通過對轉(zhuǎn)向節(jié)車削工藝進行研究，采用特制帶配重功能的加長卡爪裝夾，自制分體式定位心軸解決轉(zhuǎn)向節(jié)裝夾不牢的難題；自制階梯開口式保護套，解決了二次裝夾對外圓破壞的難題；合理規(guī)劃切削路線、選擇切削參數(shù)，保證了轉(zhuǎn)向節(jié)的加工質(zhì)量。該工藝方法還適用于客車等異形承載結(jié)構(gòu)件的加工。

專家點評

本例中的轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高。通過工藝分析，制定科學合理的車削方案，采用加長卡爪和分體式定位心軸解決轉(zhuǎn)向節(jié)裝夾不牢的難題，自制保護套解決了二次裝夾對外圓的破壞，最終保證了轉(zhuǎn)向節(jié)的加工質(zhì)量。

文章的亮點是薄壁異形零件的車削工藝改進，從工裝夾具和加工方法入手，制定具體的解決方案，通過合理規(guī)劃切削路線，逐項解決了各項車削難點，在保證質(zhì)量的前提下實現(xiàn)批量生產(chǎn)。