黃慶華，吳雄彪，陳豐土

(1.浙江廣廈建設職業(yè)技術學院，浙江 東陽 322100;2.金華職業(yè)技術學院，浙江 金華 321017;3.浙江湯溪齒輪機床有限公司，浙江湯溪 321075）

0 引言

十字軸是汽車萬向節(jié)中的一個重要零件，也是一個易損件，在汽車零配件市場上的需求量很大，我國是十字軸生產大國，大多生產企業(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。而國際上流行的是“一次裝夾完全加工——one on down”工藝技術，德國、日本、韓國等研制了液壓自動裝夾專用數(shù)控機床，兼顧了高柔性、高效率、低投資的要求。從國外引進的專用設備與工裝，費用高昂，生產成本高［1］。本課題吸收國際先進技術，將CJK6136型數(shù)控車床原有的液壓卡盤改造成自動液壓分度卡盤，將傳統(tǒng)的車床尾架改造為液壓控制的中心鉆，通過重新設計液壓控制系統(tǒng)，嵌入電氣控制程序，開發(fā)出基于CJK6136的十字軸全自動專用機床。該機床在能夠實施車床主軸高速旋轉的情況下進行分度，實現(xiàn)了十字軸“一次安裝完全加工”的全自動加工新工藝，來滿足了十字軸高精度、高效率加工的工藝需求。

1 十字軸工藝分析

十字軸由二對相互垂直的四個軸頭組成，工藝精度要求高，加工難度大［2］。如圖1所示為某型汽車萬向節(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，加工二對相互垂直的軸，兩組軸頭的同軸度和對稱度誤差只能控制在0.05mm范圍內，不僅誤差較大，達不到工藝要求，增加后續(xù)工序加工難度，而且效率低，5min/件，嚴重影響十字軸的加工質量和加工成本。而采用“一次安裝完全加工”的全自動加工新工藝，既能達到工藝要求，同時加工效率提高到30s/件。

圖1 某型十字軸零件圖

2 十字軸專用機床的結構與功能

2.1 十字軸專用機床的結構

十字軸全自動專用機床由床頭箱(主軸箱）、床身、刀架、卡盤、尾架、泵站、液壓控制系統(tǒng)、旋轉分油器、數(shù)控操作面板等組成［3-4］，其中卡盤是能夠實現(xiàn)液壓自動控制的分度卡盤，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)的振動和發(fā)熱對機床精度的影響，便于系統(tǒng)的安裝、調試和維護，泵站和液壓控制系統(tǒng)獨立于數(shù)控機床;旋轉分油器安裝在機床主軸后端。

圖2 CJK6136型十字軸專用機床

工件裝夾后，開動機床，在數(shù)控系統(tǒng)控制下，由刀架或刀排車削端面和軸頭;然后，驅動液壓控制尾架快進接近切削端面，由裝在尾架上的復合鉆頭工進鉆中心孔，鉆完孔后快速退回;最后，再由分度夾頭90°分度后循環(huán)加工另一個軸頭，通過四個循環(huán)完成加工［5］。

2.2 液壓分度卡盤的結構功能

液壓分度卡盤由夾具體、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，夾具體是卡盤組成元件的主要支承體［7］，體內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，并通過階梯螺釘相連接［8］?？ūP夾緊時，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一起在夾緊活塞中旋轉，卡盤松開時，上固定壓爪在階梯螺釘?shù)膸酉?，隨夾緊活塞上升松開工件。定位活塞主要功能是鎖緊分度盤，該活塞部件含有進出油路，前面設有活塞桿，并有一精度要求較高的斜面，通過斜面與定位塊貼合，實施分度定位。下固定壓爪通過螺釘與分度盤固定連接，與工件一起隨分度盤轉動而換位。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)工件的形狀進行設計，可制成V型塊、平面等形狀。根據(jù)十字軸結構特點和加工定位需要，本案例中，上下固定壓爪與工件直接接觸部位制成一對小V型塊。換位活塞主要功能是拔動分度盤更換工位，分度時，由換位活塞推動分度盤旋轉完成分度，該活塞部件含有進出油路，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)動完成分度。分度盤與夾具體之間也是由推力軸承和滾針軸承支承，該部件形狀復雜、精度要求較高，分度盤起著分度、定位、夾緊的作用，分度盤中部可按分度角度制成標準的多邊形，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 液壓分度卡盤的功能結構圖

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、壓力繼電器和旋轉分油器等組成［9］。為了使系統(tǒng)結構緊湊，同時便于嵌入數(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構，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、壓力表獲取信號控制動作，嵌入數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)一體化運行，確保機床控制安全、高效。

液壓系統(tǒng)由四個部分組成，第一部分是動力供油部分。第二部分是旋轉分油器，主要是為液壓卡盤提供油路，由轉動閥芯和外圈組成，外圈接外圍控制油路，不轉動;轉動閥芯將控制油路與分度卡盤相接，隨主軸和卡盤一起轉動。第三部分是液壓卡盤控制回路，該回路分二部分，一是工件的夾緊與松開回路，二是分度與鎖緊回路。第四部分是尾架控制回路，在電磁調速閥的控制下實現(xiàn)快進、工進和快退。如圖4所示為該機床液壓系統(tǒng)原理圖。

3.1 工件的夾緊與松開回路

當電磁換向閥6的電磁鐵1DT得電時，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）沿油管進入安裝在數(shù)控車床主軸后端的旋轉閥，再經(jīng)過主軸內部的輸油管進入安裝在主軸頭部的分度卡盤夾緊活塞液壓缸的大腔，使夾緊活塞向外伸出，實現(xiàn)卡盤夾緊，待夾緊壓力升高達到設定的夾緊壓力值時，壓力繼電器向機床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出分度卡盤夾緊完畢的信號，數(shù)控系統(tǒng)將指令機床進行下一步工作，夾緊工序完成。

當電磁換向閥6的電磁鐵1DT斷電時，壓力油進入夾緊活塞液壓缸小腔，使夾緊活塞向內縮回，實現(xiàn)卡盤松開，此時壓力繼電器與回油接通，不能發(fā)出信號。因此，機床數(shù)控系統(tǒng)將鎖定機床不能進行加工，以確保加工安全。

3.2 卡盤的分度與鎖緊回路

當電磁換向閥9的電磁鐵2DT不得電時，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入安裝在數(shù)控車床主軸后端的旋轉分油器，分別進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，拔動分度盤旋轉分度角度(90°），與此同時，定位液壓缸的活塞在壓力油的作用下逐漸退回。開始時，檢測油路⑤通過定位活塞液壓缸的大腔與回油路①相通，檢測閥的柱塞在其小腔壓力油的作用下迅速退回，壓力檢驗開關10被關閉。隨著定位活塞的逐漸退回，檢測油路⑤與回油路①的連接被液壓缸活塞切斷，壓力油通過定位活塞液壓缸的小腔與檢測油路⑤接通，此時，檢驗開關10與回油接通，不能發(fā)出信號。因此機床數(shù)控系統(tǒng)將鎖定機床，使其不能進行加工工作，以確保加工安全。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

當電磁換向閥9的電磁鐵2DT得電時，壓力油通過油路①分別進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，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。開始時，檢測油路⑤通過定位液壓缸的小腔與回油路①相通，此時，檢測閥的柱塞在其小腔壓力油的作用下迅速退回，檢驗開關被關閉。隨著定位液壓缸活塞的逐漸伸出，檢測油路⑤與回油路①的連接被液壓缸活塞切斷，壓力油通過定位活塞液壓缸的大腔與檢測油路⑤接通，此時，檢測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開關10，使之發(fā)出信號，通知機床數(shù)控系統(tǒng)分度卡盤鎖緊完畢。

3.3 尾架進給回路

當電磁換向閥13的電磁鐵3DT、4DT都不得電時，壓力油經(jīng)過疊加式調速閥12的單向閥位和換向閥13的中位向液壓缸大腔⑦進油，小腔⑥回油形成差動回路，液壓缸快速伸出，使尾架刀具快速進給接近工件。尾架接近工件時壓下行程開關，向機床發(fā)出信號，使4DT得電，換向閥13工作在右位，由調速閥控制液壓缸大腔⑦進油，小腔⑥回油，實現(xiàn)工進，加工十字軸內孔。當接觸檢驗開關16時，使之發(fā)出信號，電磁換向閥13的電磁鐵3DT得電，同時疊加式調速閥12的工作在單向閥位，液壓油從液壓缸小腔⑥進油，大腔⑦回油，液壓缸快速退回，到規(guī)定位置后壓下行程開關，向機床發(fā)出加工完成信號，完成一個循環(huán)工作。

4 結束語

基于CJK6136型數(shù)控機床開發(fā)的十字軸專用機床，通過液壓分度卡盤和液壓驅動尾架，突破“一次安裝完全加工”的工藝關鍵技術，實現(xiàn)了十字軸加工的全自動。經(jīng)試驗測算，加工效率由原來的5min/件提高到30s/件，主要精度由原來的≤0.05mm提高到≤0.025mm。

該機床通過改變分度盤的多邊形形狀，可適用于 45°、60°、120°的等分結構零件的加工，具有較大的工藝擴展功能，同時通過更換卡盤，依然可作為普通數(shù)控機床使用，開發(fā)成本較低。但由于卡盤的結構尺寸限制，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。

［1］郭軍.十字軸加工工藝分析及改進［J］.一重技術，2007(6）:55-56.

［2］薛錦達.十字軸式萬向傳動軸的原理及其結構［J］.機械制造，1997(7）:14-16.

［3］陳子銀，陳為華.數(shù)控機床結構原理與應用［M］.北京:北京理工大學出版社，2006.

［4］王愛玲.數(shù)控機床結構及應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［5］數(shù)控車床使用說明書.浙江湯溪齒輪機床有限公司，1-2.

［6］劉寶珠.數(shù)控車床液壓卡盤的改造［J］.制造技術與機床，2004(9）:130-133.

［7］王光斗.機床夾具設計手冊［M］.上海:上海科學技術出版社，2000.

［8］汪愷.機械工業(yè)基礎標準手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［9］王益群，高殿榮.液壓工程師技術手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［10］聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.