□ 李進(jìn)冬 □ 王志鑫 □ 武 瀅

1.沈陽機(jī)床股份有限公司沈一車床廠 沈陽 110142

2.沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110142

新型軸類零件自動(dòng)線的研發(fā)*

□ 李進(jìn)冬1□ 王志鑫1□ 武 瀅2

1.沈陽機(jī)床股份有限公司沈一車床廠 沈陽 110142

2.沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110142

根據(jù)典型軸類零件的加工工藝特點(diǎn)，采用了驅(qū)動(dòng)頂尖與尾臺(tái)頂尖配合的雙頂尖結(jié)構(gòu)夾持軸類零件的新方案，提高了軸類零件加工精度和加工效率。針對(duì)此種夾持方式，在自動(dòng)線上下料時(shí)產(chǎn)生不確定軸向位移的問題，研發(fā)了一種柔性軸件抓手的抓取模塊，成功解決了位移問題，并應(yīng)用此模塊進(jìn)行軸類零件的自動(dòng)線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了軸類零件高精、高效、自動(dòng)化的加工方式。

軸類自動(dòng)線 雙頂尖結(jié)構(gòu) 不確定軸向位移 柔性軸件抓手

軸類零件是機(jī)械加工行業(yè)中的典型工件，如電機(jī)軸、傳動(dòng)軸、曲軸、鉸接軸等，加工設(shè)備主要為數(shù)控車床，涉及行業(yè)有電機(jī)行業(yè)、汽車零部件、工程機(jī)械等，此類零件的加工在制造業(yè)中占有很大比重。隨著近幾年來人力成本的增加，此行業(yè)普遍面臨招工難、人力成本上升等問題，而此行業(yè)的產(chǎn)品批量較大，因此，軸類零件特別適合采用自動(dòng)線加工模式。

1 雙頂尖結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

對(duì)于傳統(tǒng)軸類零件的車削加工來說，如果采用一夾一頂?shù)难b夾方式，則必須掉頭裝夾才能完成全部外表面的加工，這就增加了裝夾輔助時(shí)間。為此，工程界研究出了能在一次裝夾條件下，完成軸類零件全部外表面加工的端面驅(qū)動(dòng)技術(shù)［1］，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

驅(qū)動(dòng)頂尖主要由前頂尖和驅(qū)動(dòng)銷組成，前頂尖的作用是對(duì)工件的中心定位，后側(cè)有碟簧結(jié)構(gòu)，可在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生軸向位移。

驅(qū)動(dòng)銷的作用是依靠尾臺(tái)頂尖提供頂緊力，使驅(qū)動(dòng)銷嵌入工件端面，并隨機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)。夾持示意圖如圖2所示。

▲圖1 端面驅(qū)動(dòng)頂尖結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 雙頂尖結(jié)構(gòu)夾持示意圖

采用雙頂尖結(jié)構(gòu)夾持軸類零件方式，僅一次裝夾即可完成各軸頸、端面、槽型和螺紋加工，在車銑中心上還可以一次完成鍵槽和油孔的加工，大大縮短了裝夾輔助時(shí)間。同時(shí)，由于加工件不需要掉頭裝夾，同軸度和位置度更有保證。驅(qū)動(dòng)端面頂尖的驅(qū)動(dòng)力不是來源于安裝在主軸后面的液壓缸，所以主軸轉(zhuǎn)速的提高不受液壓缸極限轉(zhuǎn)速的制約，特別有利于高轉(zhuǎn)速車削加工［2］。根據(jù)文獻(xiàn)［3］的結(jié)論，雙頂尖結(jié)構(gòu)的夾持方式，加工效率提高40%～50%，同軸度等加工精度提高2倍以上。

▲圖3 柔性軸件抓手示意圖

▲圖4 彈性機(jī)構(gòu)的抓手示意圖

2 雙頂尖結(jié)構(gòu)與自動(dòng)線的配合問題

由于此種雙頂尖結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，導(dǎo)致軸類零件在上下料時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定行程的軸向竄動(dòng)位移，并且動(dòng)作的速度和行程大小不確定性很大，受到尾臺(tái)液壓油壓力、加工件的材料、熱處理方式、夾持位置及工件尺寸大小等多種因素的影響，產(chǎn)生的不確定軸向位移很難計(jì)算，這就導(dǎo)致自動(dòng)線上下料時(shí)無法提供相應(yīng)的軸向配合運(yùn)動(dòng)，對(duì)軸類抓手機(jī)構(gòu)造成沖擊力和扭矩，會(huì)導(dǎo)致抓手受損環(huán)，甚至對(duì)自動(dòng)上下料系統(tǒng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)造成損壞。由于不確定軸向位移的影響，會(huì)使工件定位不好，從而降低工件加工質(zhì)量。同時(shí)，軸類工件在夾持輸送過程中由于尺寸較長(zhǎng)，單抓手抓取時(shí)容易出現(xiàn)質(zhì)心偏移、脫落等情況，會(huì)對(duì)機(jī)床造成損壞，也存在人身安全隱患，需要一種專用的抓手模塊來適應(yīng)此種加工方式。

3 柔性軸件抓手模塊

針對(duì)以上問題，研發(fā)了一套專用柔性軸件抓手模塊，解決了以上問題，并完成了專利申請(qǐng)。此種柔性軸件抓手機(jī)構(gòu)，采用獨(dú)立設(shè)計(jì)的帶導(dǎo)軌滑塊的柔性手爪與剛性手爪并列排布的雙氣爪抓手結(jié)構(gòu)，既能滿足在工件上下料運(yùn)送過程中剛性夾緊工件以保證運(yùn)送安全的功能，又能滿足機(jī)床上下料時(shí)產(chǎn)生柔性自適應(yīng)功能以保證高精度定位的要求［4］。

整套抓手模塊由翻面氣缸和上料抓手模塊、下料抓手模塊組成，可以實(shí)現(xiàn)沿A軸90°旋轉(zhuǎn)功能。抓手模塊均由一個(gè)柔性氣爪和一個(gè)剛性氣爪組成，其中柔性氣爪作為主抓手，剛性氣爪作為輔助抓手。詳細(xì)示意如圖3所示。

柔性抓手配有一套帶彈性機(jī)構(gòu)的抓手系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工件產(chǎn)生軸向方向的位移量。柔性機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌和滑塊、擋板1、擋板2、彈簧、手爪塊和連接軸組成，如圖4所示。手爪塊與滑塊剛性連接，可依靠彈簧的彈力產(chǎn)生沿導(dǎo)軌的移動(dòng)，自動(dòng)適應(yīng)軸向不確定位置量。

在工件輸送過程中，主抓手和輔助抓手一起抓緊工件以保證輸送安全性。在上下料過程中，輔助抓手松開，由主抓手單獨(dú)抓緊工件，憑借主抓手的柔性特點(diǎn)，自動(dòng)適應(yīng)兩側(cè)頂尖夾緊產(chǎn)生的不確定性位移，以減輕對(duì)抓手機(jī)構(gòu)的沖擊力，同時(shí)也能保證工件的精確裝卡定位，且并排雙手爪結(jié)構(gòu)，對(duì)軸類工件長(zhǎng)度的適應(yīng)范圍更寬。

4 自動(dòng)線案例簡(jiǎn)述

針對(duì)國(guó)內(nèi)某大型企業(yè)的傳動(dòng)軸零件自動(dòng)線加工的需求，設(shè)計(jì)一套桁架自動(dòng)線以實(shí)現(xiàn)軸類零件自動(dòng)線方案。傳動(dòng)軸材料為40Cr，樣件圖紙及加工精度要求如圖5所示。

根據(jù)零件圖紙分析，傳動(dòng)軸端兩側(cè)均設(shè)計(jì)有中心孔，且兩端面的尺寸公差與粗糙度要求較低，適用于雙頂尖夾持形式，且主要尺寸均以兩側(cè)A-B為公共基準(zhǔn)，采用此種夾持方式更有利于保證工件的加工精度。要求軸類件的毛坯表面均勻、材質(zhì)密度偏差較小，以保證自動(dòng)化生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性。在車傳動(dòng)軸毛坯件前，需經(jīng)端打機(jī)在傳動(dòng)軸上加工兩端面和鍵槽，以保證雙頂尖夾具的夾持基準(zhǔn)。

整套自動(dòng)線由一套GLS系列桁架自動(dòng)線和兩臺(tái)ETC3675h數(shù)控車床組成。自動(dòng)線主體結(jié)構(gòu)為四立柱的兩軸桁架主體，在豎直軸的抓取端，配有柔性軸件抓手模塊，可同步實(shí)現(xiàn)毛坯件的上料和成品的下料，提高自動(dòng)生產(chǎn)線的效率。料庫采用了適應(yīng)于大型軸類件的托盤式倍速鏈結(jié)構(gòu)，保證料庫的存儲(chǔ)容量和運(yùn)行可靠性。數(shù)控車床配有驅(qū)動(dòng)頂尖、帶有行程檢測(cè)的液壓尾臺(tái)模塊、八工位伺服刀塔等模塊，并配有自動(dòng)線必須的氣動(dòng)門、鐵屑清理模塊、后置排屑器等模塊。自動(dòng)線布局圖和實(shí)例照片如圖6所示。

▲圖5 傳動(dòng)軸工件圖紙

▲圖6 自動(dòng)線的布局圖與實(shí)例圖

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)的新型軸類自動(dòng)線進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，使用企業(yè)給予了高度評(píng)價(jià)，效率和穩(wěn)定性均超出了用戶的要求。采用了柔性軸件抓手的軸類自動(dòng)線，配合雙頂尖夾持結(jié)構(gòu)的數(shù)控車床，既解決企業(yè)用工招工難題，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了加工產(chǎn)品的精度和效率。同時(shí)提高了生產(chǎn)企業(yè)的形象，加速企業(yè)品牌的提升。

［1］王德云，鐘康民.高速數(shù)控車床用離心式端面驅(qū)動(dòng)頂尖［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2002（2）.

［2］王紅巖，秦可.裝夾軸類零件的端面驅(qū)動(dòng)頂尖［J］.山東機(jī)械，2001（3）.

［3］王金娥，孫斌.一種用于數(shù)控車床的新型端面撥動(dòng)頂尖［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1998（3）.

［4］李曉雷，郭生，李進(jìn)冬等.一種柔性軸件抓手機(jī)構(gòu)［P］.中國(guó)專利：CN203045414U，2013-07-10.

（編輯 小 前）

TH165

B

1000-4998（2015）02-0063-03

*2012年第七屆中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)春燕獎(jiǎng)

2014年3月