黃慶華，吳雄彪，陳豐土

(1.浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 東陽(yáng) 322100;2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321017;3.浙江湯溪齒輪機(jī)床有限公司，浙江湯溪 321075）

0 引言

十字軸是汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)中的一個(gè)重要零件，也是一個(gè)易損件，在汽車(chē)零配件市場(chǎng)上的需求量很大，我國(guó)是十字軸生產(chǎn)大國(guó)，大多生產(chǎn)企業(yè)是中小企業(yè)，其加工工藝采用傳統(tǒng)的加工工藝，加工精度難以保證，加工效率低。而國(guó)際上流行的是“一次裝夾完全加工——one on down”工藝技術(shù)，德國(guó)、日本、韓國(guó)等研制了液壓自動(dòng)裝夾專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床，兼顧了高柔性、高效率、低投資的要求。從國(guó)外引進(jìn)的專(zhuān)用設(shè)備與工裝，費(fèi)用高昂，生產(chǎn)成本高［1］。本課題吸收國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，將CJK6136型數(shù)控車(chē)床原有的液壓卡盤(pán)改造成自動(dòng)液壓分度卡盤(pán)，將傳統(tǒng)的車(chē)床尾架改造為液壓控制的中心鉆，通過(guò)重新設(shè)計(jì)液壓控制系統(tǒng)，嵌入電氣控制程序，開(kāi)發(fā)出基于CJK6136的十字軸全自動(dòng)專(zhuān)用機(jī)床。該機(jī)床在能夠?qū)嵤┸?chē)床主軸高速旋轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行分度，實(shí)現(xiàn)了十字軸“一次安裝完全加工”的全自動(dòng)加工新工藝，來(lái)滿(mǎn)足了十字軸高精度、高效率加工的工藝需求。

1 十字軸工藝分析

十字軸由二對(duì)相互垂直的四個(gè)軸頭組成，工藝精度要求高，加工難度大［2］。如圖1所示為某型汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)中的十字軸，同軸軸頭的同軸度要求≤0.015mm，相互垂直的二組軸的垂直度要求≤0.025mm。用普通加工機(jī)床，利用工件自身軸頭定位裝夾四次，分四次鉆中心孔，加工二對(duì)相互垂直的軸，兩組軸頭的同軸度和對(duì)稱(chēng)度誤差只能控制在0.05mm范圍內(nèi)，不僅誤差較大，達(dá)不到工藝要求，增加后續(xù)工序加工難度，而且效率低，5min/件，嚴(yán)重影響十字軸的加工質(zhì)量和加工成本。而采用“一次安裝完全加工”的全自動(dòng)加工新工藝，既能達(dá)到工藝要求，同時(shí)加工效率提高到30s/件。

圖1 某型十字軸零件圖

2 十字軸專(zhuān)用機(jī)床的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 十字軸專(zhuān)用機(jī)床的結(jié)構(gòu)

十字軸全自動(dòng)專(zhuān)用機(jī)床由床頭箱(主軸箱）、床身、刀架、卡盤(pán)、尾架、泵站、液壓控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)分油器、數(shù)控操作面板等組成［3-4］，其中卡盤(pán)是能夠?qū)崿F(xiàn)液壓自動(dòng)控制的分度卡盤(pán)，尾架是液壓控制的中心孔鉆，如圖2所示。泵站、液壓控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)分油器、數(shù)控操作面板等屬于控制系統(tǒng)，為了避免泵站和液壓控制系統(tǒng)的振動(dòng)和發(fā)熱對(duì)機(jī)床精度的影響，便于系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護(hù)，泵站和液壓控制系統(tǒng)獨(dú)立于數(shù)控機(jī)床;旋轉(zhuǎn)分油器安裝在機(jī)床主軸后端。

圖2 CJK6136型十字軸專(zhuān)用機(jī)床

工件裝夾后，開(kāi)動(dòng)機(jī)床，在數(shù)控系統(tǒng)控制下，由刀架或刀排車(chē)削端面和軸頭;然后，驅(qū)動(dòng)液壓控制尾架快進(jìn)接近切削端面，由裝在尾架上的復(fù)合鉆頭工進(jìn)鉆中心孔，鉆完孔后快速退回;最后，再由分度夾頭90°分度后循環(huán)加工另一個(gè)軸頭，通過(guò)四個(gè)循環(huán)完成加工［5］。

2.2 液壓分度卡盤(pán)的結(jié)構(gòu)功能

液壓分度卡盤(pán)由夾具體、上下固定壓爪、夾緊活塞、定位活塞、換位活塞、推力軸承和滾針軸承組成［6］。如圖3所示，夾具體是卡盤(pán)組成元件的主要支承體［7］，體內(nèi)分布著控制活塞的油路。上固定壓爪與夾緊活塞之間由推力軸承和滾針軸承支承，并通過(guò)階梯螺釘相連接［8］?？ūP(pán)夾緊時(shí)，由于階梯螺釘與上固定壓爪之間留有間隙，上固定壓爪可隨分度盤(pán)一起在夾緊活塞中旋轉(zhuǎn)，卡盤(pán)松開(kāi)時(shí)，上固定壓爪在階梯螺釘?shù)膸?dòng)下，隨夾緊活塞上升松開(kāi)工件。定位活塞主要功能是鎖緊分度盤(pán)，該活塞部件含有進(jìn)出油路，前面設(shè)有活塞桿，并有一精度要求較高的斜面，通過(guò)斜面與定位塊貼合，實(shí)施分度定位。下固定壓爪通過(guò)螺釘與分度盤(pán)固定連接，與工件一起隨分度盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)而換位。上下固定壓爪與工件直接接觸，主要用于工件定位和夾緊，接觸部位根據(jù)工件的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，可制成V型塊、平面等形狀。根據(jù)十字軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工定位需要，本案例中，上下固定壓爪與工件直接接觸部位制成一對(duì)小V型塊。換位活塞主要功能是拔動(dòng)分度盤(pán)更換工位，分度時(shí)，由換位活塞推動(dòng)分度盤(pán)旋轉(zhuǎn)完成分度，該活塞部件含有進(jìn)出油路，整體精度要求不高，只要保證不漏油即可。換位活塞與定位活塞由液壓控制聯(lián)動(dòng)完成分度。分度盤(pán)與夾具體之間也是由推力軸承和滾針軸承支承，該部件形狀復(fù)雜、精度要求較高，分度盤(pán)起著分度、定位、夾緊的作用，分度盤(pán)中部可按分度角度制成標(biāo)準(zhǔn)的多邊形，要求角度精確。本例中，十字軸加工分度角度90°，制成正方體形狀。

圖3 液壓分度卡盤(pán)的功能結(jié)構(gòu)圖

3 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)主要由泵站、濾油器、單向閥、電磁換向閥、減壓閥、壓力表、壓力繼電器和旋轉(zhuǎn)分油器等組成［9］。為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)便于嵌入數(shù)控系統(tǒng)，提高系統(tǒng)集成度，液壓回路控制采用集成疊加閥式結(jié)構(gòu)，將壓力表、減壓閥、電磁換向閥和壓力繼電器等集成一體［10］，由電磁閥、壓力表獲取信號(hào)控制動(dòng)作，嵌入數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一體化運(yùn)行，確保機(jī)床控制安全、高效。

液壓系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，第一部分是動(dòng)力供油部分。第二部分是旋轉(zhuǎn)分油器，主要是為液壓卡盤(pán)提供油路，由轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯和外圈組成，外圈接外圍控制油路，不轉(zhuǎn)動(dòng);轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯將控制油路與分度卡盤(pán)相接，隨主軸和卡盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。第三部分是液壓卡盤(pán)控制回路，該回路分二部分，一是工件的夾緊與松開(kāi)回路，二是分度與鎖緊回路。第四部分是尾架控制回路，在電磁調(diào)速閥的控制下實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、工進(jìn)和快退。如圖4所示為該機(jī)床液壓系統(tǒng)原理圖。

3.1 工件的夾緊與松開(kāi)回路

當(dāng)電磁換向閥6的電磁鐵1DT得電時(shí)，壓力油經(jīng)減壓閥5減壓后又經(jīng)疊加式電磁換向閥(含壓力繼電器）沿油管進(jìn)入安裝在數(shù)控車(chē)床主軸后端的旋轉(zhuǎn)閥，再經(jīng)過(guò)主軸內(nèi)部的輸油管進(jìn)入安裝在主軸頭部的分度卡盤(pán)夾緊活塞液壓缸的大腔，使夾緊活塞向外伸出，實(shí)現(xiàn)卡盤(pán)夾緊，待夾緊壓力升高達(dá)到設(shè)定的夾緊壓力值時(shí)，壓力繼電器向機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出分度卡盤(pán)夾緊完畢的信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)將指令機(jī)床進(jìn)行下一步工作，夾緊工序完成。

當(dāng)電磁換向閥6的電磁鐵1DT斷電時(shí)，壓力油進(jìn)入夾緊活塞液壓缸小腔，使夾緊活塞向內(nèi)縮回，實(shí)現(xiàn)卡盤(pán)松開(kāi)，此時(shí)壓力繼電器與回油接通，不能發(fā)出信號(hào)。因此，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)將鎖定機(jī)床不能進(jìn)行加工，以確保加工安全。

3.2 卡盤(pán)的分度與鎖緊回路

當(dāng)電磁換向閥9的電磁鐵2DT不得電時(shí)，電磁閥工作在右位，壓力油經(jīng)單向閥7減壓閥8又經(jīng)疊加式換向閥沿油管進(jìn)入安裝在數(shù)控車(chē)床主軸后端的旋轉(zhuǎn)分油器，分別進(jìn)入換位活塞液壓缸的大腔和定位活塞液壓缸的小腔，換位活塞在壓力油的作用下緩慢伸出，拔動(dòng)分度盤(pán)旋轉(zhuǎn)分度角度(90°），與此同時(shí)，定位液壓缸的活塞在壓力油的作用下逐漸退回。開(kāi)始時(shí)，檢測(cè)油路⑤通過(guò)定位活塞液壓缸的大腔與回油路①相通，檢測(cè)閥的柱塞在其小腔壓力油的作用下迅速退回，壓力檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)10被關(guān)閉。隨著定位活塞的逐漸退回，檢測(cè)油路⑤與回油路①的連接被液壓缸活塞切斷，壓力油通過(guò)定位活塞液壓缸的小腔與檢測(cè)油路⑤接通，此時(shí)，檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)10與回油接通，不能發(fā)出信號(hào)。因此機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)將鎖定機(jī)床，使其不能進(jìn)行加工工作，以確保加工安全。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

當(dāng)電磁換向閥9的電磁鐵2DT得電時(shí)，壓力油通過(guò)油路①分別進(jìn)入換位活塞液壓缸的小腔和定位活塞液壓缸的大腔，換位液壓缸的活塞在壓力油的作用下逐漸退回，與此同時(shí)，定位液壓缸的活塞在壓力油的作用下緩慢伸出，鎖緊分度盤(pán)。開(kāi)始時(shí)，檢測(cè)油路⑤通過(guò)定位液壓缸的小腔與回油路①相通，此時(shí)，檢測(cè)閥的柱塞在其小腔壓力油的作用下迅速退回，檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)被關(guān)閉。隨著定位液壓缸活塞的逐漸伸出，檢測(cè)油路⑤與回油路①的連接被液壓缸活塞切斷，壓力油通過(guò)定位活塞液壓缸的大腔與檢測(cè)油路⑤接通，此時(shí)，檢測(cè)閥的柱塞在大腔壓力油的作用下，克服小腔壓力油的作用向外伸出壓下檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)10，使之發(fā)出信號(hào)，通知機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)分度卡盤(pán)鎖緊完畢。

3.3 尾架進(jìn)給回路

當(dāng)電磁換向閥13的電磁鐵3DT、4DT都不得電時(shí)，壓力油經(jīng)過(guò)疊加式調(diào)速閥12的單向閥位和換向閥13的中位向液壓缸大腔⑦進(jìn)油，小腔⑥回油形成差動(dòng)回路，液壓缸快速伸出，使尾架刀具快速進(jìn)給接近工件。尾架接近工件時(shí)壓下行程開(kāi)關(guān)，向機(jī)床發(fā)出信號(hào)，使4DT得電，換向閥13工作在右位，由調(diào)速閥控制液壓缸大腔⑦進(jìn)油，小腔⑥回油，實(shí)現(xiàn)工進(jìn)，加工十字軸內(nèi)孔。當(dāng)接觸檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)16時(shí)，使之發(fā)出信號(hào)，電磁換向閥13的電磁鐵3DT得電，同時(shí)疊加式調(diào)速閥12的工作在單向閥位，液壓油從液壓缸小腔⑥進(jìn)油，大腔⑦回油，液壓缸快速退回，到規(guī)定位置后壓下行程開(kāi)關(guān)，向機(jī)床發(fā)出加工完成信號(hào)，完成一個(gè)循環(huán)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于CJK6136型數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)的十字軸專(zhuān)用機(jī)床，通過(guò)液壓分度卡盤(pán)和液壓驅(qū)動(dòng)尾架，突破“一次安裝完全加工”的工藝關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了十字軸加工的全自動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)算，加工效率由原來(lái)的5min/件提高到30s/件，主要精度由原來(lái)的≤0.05mm提高到≤0.025mm。

該機(jī)床通過(guò)改變分度盤(pán)的多邊形形狀，可適用于 45°、60°、120°的等分結(jié)構(gòu)零件的加工，具有較大的工藝擴(kuò)展功能，同時(shí)通過(guò)更換卡盤(pán)，依然可作為普通數(shù)控機(jī)床使用，開(kāi)發(fā)成本較低。但由于卡盤(pán)的結(jié)構(gòu)尺寸限制，定位活塞、換位活塞的油缸行程控制在≤4mm，工件的加工尺寸較小。

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