空心車軸用深孔鉆床自動裝夾系統(tǒng)結(jié)構設計

劉永彬

(中車青島四方機車車輛股份有限公司技術工程部 山東 青島 266111)

車軸作為軌道交通車輛走行部的關鍵零件之一，其加工工藝一直受到廠家的重視，并不斷投入先進的生產(chǎn)設備。隨著高速列車不斷普及，空心車軸需求數(shù)量不斷擴大，某公司采用數(shù)控車床、深孔鉆床、內(nèi)孔珩磨機、外圓磨床等數(shù)控加工設備,通過桁架機械人輸送系統(tǒng)集成建立一條空心車軸自動化加工生產(chǎn)線，生產(chǎn)線通過桁架機械人自動提取車軸進行工序傳送并為機床上下料，在生產(chǎn)線上自動完成車削、鉆削、珩磨、磨削等全部工序。除了數(shù)控機床的標配外，機床配套的自動化工裝也十分關鍵，本文重點闡述對生產(chǎn)線上深孔鉆床配置工件自動裝夾系統(tǒng)的結(jié)構分析及模塊化設計的情況。

1 車軸深孔加工與問題

統(tǒng)計某公司已開發(fā)產(chǎn)品高鐵、動車組和部分地鐵，空心車軸的主要技術參數(shù)包括結(jié)構尺寸、精度及材質(zhì)等，如表1所示。

表1 空心車軸主要技術參數(shù)

空心車軸加工流程為：粗車→鉆孔→珩磨→車削→磨削，其中，空心車軸的中空內(nèi)孔通過深孔鉆床加工，為保證車軸的加工精度，深孔鉆加工應滿足以下加工指標：

直線度不大于 0.1 mm/1 000 mm，出口偏移量不大于0.1 mm/1 000 mm，粗糙度為Ra6.3～3.2 μm(為保證內(nèi)孔粗糙度不小于3.2 μm，通常在鉆孔后再進行內(nèi)孔珩磨)。

空心車軸屬中長型的軸類零件，根據(jù)深孔加工理論和經(jīng)驗[1-4]，若控制內(nèi)孔偏移量最小，用于其鉆孔的深孔鉆床宜選用工件旋轉(zhuǎn)、刀具反向旋轉(zhuǎn)并進給的BTA鉆削系統(tǒng)，工件定位裝夾通常采用主軸端卡盤和床身中心架輔助支撐的定位裝夾形式，其結(jié)構形式如圖1所示。

圖1 深孔鉆床加工系統(tǒng)原理圖

深孔鉆床加工系統(tǒng)可簡單分為工件裝夾系統(tǒng)和刀具鉆削系統(tǒng)兩部分。工件裝夾系統(tǒng)包括卡盤、中心架和授油器等，負責定位、裝夾工件，保證鉆套定位導向精準并保持切削通道密封(W1)，工件通過裝夾系統(tǒng)隨主軸(S1)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。刀具鉆削系統(tǒng)包括刀具主軸、刀具進給箱、鉆桿及鉆頭、鉆桿架等，刀具主軸(S2)驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)，進給箱進行軸向進給(W2)，鉆頭通過授油器導向裝置導向鉆孔。

空心車軸在生產(chǎn)線上深孔自動化加工，包括車軸上下料、定位裝夾等，深孔鉆床必須采用工件自動裝夾系統(tǒng)。

工件裝夾系統(tǒng)若采用傳統(tǒng)三爪卡盤和中心架定位裝夾方式，存在以下問題：

(1)工件定位裝夾時，需要人工調(diào)整找正，保證定位精度，不能滿足自動定位裝夾要求。

(2)工件上下料時，中心架開啟和鎖緊需要人工操作，不能滿足機械人自動提取工件的要求。

(3)三爪卡盤夾持工件,當鉆透孔時，高壓切削液從卡盤間隙迅速噴出，密封性較差。

2 自動裝夾結(jié)構分析

根據(jù)生產(chǎn)線空心車軸鉆孔工藝及加工自動化要求，深孔鉆床工件自動裝夾系統(tǒng)應至少具備2個特征：(1)工件自動定位并夾緊，工件隨主軸旋轉(zhuǎn)并保證主軸、工件軸心與鉆套中心三者同軸；(2)當工件處于非鉆削時，工件位置狀態(tài)方便機械人抓取，生產(chǎn)線桁架機械人可以為機床自動上下料(見圖2)。另外，切削過程中要保證切削液密封不泄漏，同時應適應空心車軸產(chǎn)品多樣化的要求。

圖2 機械人抓取工件示意圖

車軸隨主軸旋轉(zhuǎn)，保證工件回轉(zhuǎn)中心與主軸同軸，可有4種定位方式：(1)雙中心孔(雙頂針)；(2)外圓+中心孔(三爪卡盤+頂針)；(3)雙外圓(三爪卡盤+中心架)；(4)雙外錐(工件雙錐套工裝)。由于鉆孔時存在干涉，中心孔頂針定位方式不可行，深孔鉆只存在雙外圓和雙外錐兩種方式?！皞鹘y(tǒng)三爪卡盤+中心架”雙外圓定位方式，存在前面分析的3個問題。“液壓三爪卡盤+自動中心架”雙外圓定位方式(見圖3)，采用數(shù)控雙中心架(W2/W3)，通過數(shù)控中心架左右移動和自動定心夾持，可實現(xiàn)自動定位裝夾及滿足機械手上下料要求。但數(shù)控中心架一般適用于斜床身的車削中心，用于平床身的深孔鉆床，存在機床結(jié)構匹配的問題，并且數(shù)控中心架成本高。另外，液壓三爪卡盤仍存在卡爪間切削液泄漏問題?？傊p外圓定位方式不適合空心車軸自動裝夾系統(tǒng)要求。

圖3 卡盤+中心架自動裝夾結(jié)構

雙外錐定位，即以車軸兩端外圓錐定位，將車軸外圓兩端粗車時加工成外圓錐(倒角15 mm×30°)，在主軸端夾具體和授油器端油壓頭分別安裝與車軸外圓錐配套的錐套工裝,通過導向拖板軸向進給頂緊錐套,實現(xiàn)工件兩端錐套自動定位夾緊。該定位方式裝夾時必須有中心架支承工件并軸向左右移動，考慮到鉆孔時工件只進行旋轉(zhuǎn)運動，若配置2個數(shù)控中心架，性價比低，可配置2個可被動移動的V型中心架，即V型中心架通過連桿與導向拖板連接，如圖4所示。同時，工件支承在V型中心架上，上方處于敞開狀態(tài)，方便機械人提取工件，滿足自動化上下料要求。

圖4 雙錐套自動裝夾結(jié)構形式

車軸通過機械人抓取放在中心架上，授油器油壓頭在導向拖板進給電機驅(qū)動下向主軸端運動，通過連桿帶動床身導軌上2個V型支架一起移動，推動工件與兩端錐套密貼，自動對中并頂緊。直至工件加工完成后，油壓頭隨導向拖板及兩中心架遠離主軸端，工件隨中心架離開兩錐套，工件可以通過機械人取走。

3 模塊化設計

雙錐套定位裝夾方式可以滿足空心車軸自動裝夾及自動化加工要求，空心車軸存在產(chǎn)品多樣性,包括外徑、長度、孔徑等尺寸，工件定位裝夾系統(tǒng)要適用車軸尺寸規(guī)格多樣性，最大程度上保持結(jié)構的通用性，其結(jié)構形式應采用模塊化設計，車軸定位裝夾系統(tǒng)結(jié)構形式主要由主軸驅(qū)動端、鉆孔導向端、中間支承部等三部分組成。

3.1 主軸驅(qū)動端

工件主軸旋轉(zhuǎn)采用交流伺服電機通過齒輪傳動箱驅(qū)動，主軸端安裝夾具工裝代替現(xiàn)有深孔鉆床主軸端部安裝三爪卡盤，夾具工裝應與主軸鼻端尺寸形式匹配。工件主軸鼻端形式采用1∶4的圓錐面定心接口，符合ISO 702-3 (DIN 55027) 標準，尺寸規(guī)格為C11。主軸驅(qū)動端夾具工裝主要包括夾具體組成、端面彈力摩擦裝置、錐套工裝等(見圖5)，夾具工裝內(nèi)有端面彈力摩擦裝置，擠壓接觸車軸端面，增大驅(qū)動力，同時端部安裝密封堵，在鉆透孔時防止切削液泄漏。

圖5 主軸驅(qū)動端夾具結(jié)構圖

模塊化設計方面，除了錐套和密封堵外，夾具工裝具有通用性。錐套、密封堵與工件尺寸的關系如圖6所示,錐套尺寸與軸頸直徑有關，已開發(fā)應用的空心車軸軸頸直徑多數(shù)為?130 mm，個別尺寸(如?148 mm)較少，錐套按照軸徑?130 mm配置基本可以通用；密封堵開口大端直徑與車軸孔徑尺寸有關，已開發(fā)應用的空心車軸孔徑有3種規(guī)格：60 mm、40 mm、30 mm。因為鉆頭要鉆通工件，其行程必須大于工件通孔長度，密封堵端面應開錐形口，確保鉆通工件時鉆頭在密封堵和工件之間有停留的空間。因鉆孔中心存在偏移量，開口尺寸應略大于孔徑，并加工成倒錐狀，防止積屑，密封堵端面配置密封圈。為保證密封堵的通用性，其開口可按照車軸最大孔徑60 mm的尺寸配置，滿足所有孔徑需要。

圖6 錐套等與工件尺寸關系

3.2 鉆孔導向端

安裝在導向拖板上的授油器是深孔鉆床鉆孔導向端的主要部件，承擔三項功能：將高壓切削液輸向鉆頭切削區(qū)，對工件定心并實施軸向夾緊，對鉆頭進行導向。

授油器分不旋轉(zhuǎn)式授油器和旋轉(zhuǎn)式授油器兩種，空心車軸采用工件旋轉(zhuǎn)方式鉆孔，所以選擇旋轉(zhuǎn)式授油器(見圖7)。其旋轉(zhuǎn)部分油壓頭端部安裝錐套，與主軸端的錐套結(jié)構完全相同。授油器中心靠工件端安裝可換式組合鉆套，用螺栓鎖緊固定環(huán)壓緊鉆套，錐度配合保證鉆套中心定位精度，并可方便不同孔徑鉆套更換，滿足車軸不同孔徑加工要求。

圖7 鉆孔導向端定位結(jié)構圖

模塊化設計方面，錐套同主軸端錐套尺寸規(guī)格完全相同，根據(jù)孔徑D，可換鉆套滿足車軸孔徑多樣性，鉆套為內(nèi)套外套組合可更換結(jié)構，如圖8所示，為消除間隙、保持同心并方便更換，內(nèi)套、外套與授油器體間的配合面均采用錐面配合。

圖8 鉆套結(jié)構示意圖

3.3 中間支承部

中間支承部的作用是支承工件，配合工件左右移動及機械手上下料，由安裝在床身導軌上的兩個V型中心架、中心架與導向拖板之間的連接桿等組成(見圖9)。雙中心架通過活動連桿與導向拖板連接，隨導向拖板移動。中心架支承部位為車軸輪座，輪座中心間距L為1 200 mm～1 450 mm，輪座寬度H為200 mm～320 mm，按50 mm×5和30 mm×4的變距分別通過兩連桿調(diào)整兩中心架以及中心架與油壓頭的間距，可以滿足多種間距長度車軸的支承要求。

圖9 中間支承部支承結(jié)構圖

主軸距導軌面中心高400 mm，中心架安裝在水平導軌上，采用可調(diào)V型結(jié)構，可通過最大回轉(zhuǎn)直徑為250 mm的工件，中心架配有液壓缸，配合機械手自動上下料，同時可使車軸傾斜，方便內(nèi)孔殘液流出。中間支承部滿足最大直徑不超過250 mm所有車軸定位及上料要求(見圖10)。

圖10 中心架結(jié)構示意圖

4 試驗及應用

生產(chǎn)線配置型號為BPL2-2800的深孔鉆床，配備滿足產(chǎn)品多樣性的自動裝夾系統(tǒng)和相應刀具，通過機床外圍DP耦合器與機械手輸送系統(tǒng)Profibus現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)自動化加工，深孔鉆床及其裝夾系統(tǒng)經(jīng)加工試驗后投入應用。

4.1 工藝驗證

試驗工件材質(zhì)為EA4T鋼。采用BOTEK深孔鉆頭，3種刀具直徑分別為60 mm、39 mm、30 mm。表2為車軸內(nèi)孔加工精度表。

表2 車軸內(nèi)孔加工精度表

4.2 應用

在空心車軸自動化生產(chǎn)線上，BPL2-2800深孔鉆床自2011年投入使用至今，生產(chǎn)表1所列各類車軸(軸號1～4)已累計數(shù)量超過20 000個，完全滿足生產(chǎn)線深孔加工工藝及自動化加工要求。

5 結(jié)束語

工藝驗證及生產(chǎn)應用表明，BPL2-2800深孔鉆床配置“雙錐套定位+雙V型中心架支承方式”的工件自動裝夾系統(tǒng)，結(jié)構形式定位可靠，滿足空心車軸加工線加工自動化要求，工裝采用模塊化設計，通用性強，滿足生產(chǎn)線產(chǎn)品多樣化要求。