孫建平

摘 要：十字軸在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用廣泛，但其車加工尺寸精度要求高，傳統(tǒng)的工藝很難達(dá)到尺寸要求，且加工效率極低。本文優(yōu)化了十字軸的加工工藝流程，把車加工與孔加工獨(dú)立進(jìn)行，分別實(shí)現(xiàn)一次裝夾、完全加工，再應(yīng)用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)加工生產(chǎn)線的總體方案，可實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：萬(wàn)向節(jié)；十字軸；自動(dòng)線

中圖分類號(hào)：TH133 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，裝備制造業(yè)的升級(jí)，數(shù)控設(shè)備與工業(yè)機(jī)器人合力發(fā)展已成為主流，機(jī)加工行業(yè)使用先進(jìn)加工技術(shù)（設(shè)備）搭配工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用替代傳統(tǒng)加工工藝已成為一種趨勢(shì)。

十字軸是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，被廣泛應(yīng)用于冶金設(shè)備、汽車工業(yè)等方面。十字軸在工作過(guò)程中要求傳動(dòng)高效、平穩(wěn)，故其車加工尺寸要求較高，通常同軸軸頭的同軸度要求≤0.015mm，對(duì)稱度要求≤0.06mm， 軸與軸的垂直度要求≤0.03mm。使用傳統(tǒng)工藝設(shè)備需要多次裝夾，故加工尺寸很難達(dá)到要求，且生產(chǎn)效率十分低下。

為解決上述問(wèn)題，在分析十字軸加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上并應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種可以保證尺寸加工精度，加工效率高的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線采用高精度數(shù)控設(shè)備、專用鉆孔設(shè)備并結(jié)合工業(yè)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料、自動(dòng)加工、加工過(guò)程中自動(dòng)翻轉(zhuǎn)工件，極大地提高加工效率。

1 車削自動(dòng)線的設(shè)計(jì)

本節(jié)僅以某型號(hào)十字軸為例來(lái)設(shè)計(jì)車削自動(dòng)線，十字軸的車件主要尺寸如圖1所示。

1.1 自動(dòng)線選型

參照國(guó)外十字軸加工自動(dòng)線及江浙地區(qū)一些十字軸生產(chǎn)企業(yè)的加工情況，十字軸車削自動(dòng)線可分為兩種類型：①設(shè)計(jì)專用的組合機(jī)床結(jié)合機(jī)器人完成自動(dòng)化生產(chǎn)；②采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車搭配機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。按十字軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其專用的組合機(jī)床應(yīng)設(shè)計(jì)成多軸式轉(zhuǎn)盤式組合機(jī)床，8～9工位（第1工位為裝卸料），14個(gè)～16個(gè)主軸同時(shí)對(duì)工件的兩個(gè)面進(jìn)行加工，各工位帶獨(dú)立伺服可實(shí)現(xiàn)工裝轉(zhuǎn)角，單個(gè)工件20s～30s可完成加工，生產(chǎn)效率極快。但這種專用機(jī)床集合的工序過(guò)多，存在剛性不高（不適合不銹鋼及鍛件加工）、精度不穩(wěn)容易跑偏、刀具使用苛刻、換刀調(diào)整十分麻煩、產(chǎn)品單一、換型時(shí)間非常長(zhǎng)（5、6天）等缺點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)十字軸車加工前的毛坯主要用鍛造獲得，故此類型自動(dòng)化不適用于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。因此本文所設(shè)計(jì)的車削自動(dòng)線主要選用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等來(lái)構(gòu)建。

1.2 工藝方案的確定

工藝方案的確定直接影響到生產(chǎn)線的配置、數(shù)量、加工效率等。十字軸傳統(tǒng)的加工工藝流程為粗車軸1（外圓、端面）→粗車軸2→粗車軸3→粗車軸4→精車軸1→…→精車軸4→鉆軸1深度孔→…→鉆軸4深度孔→擴(kuò)軸1油孔→…→擴(kuò)軸4油孔。工藝流程十分煩瑣，且每換一個(gè)工序需再裝夾一次，裝夾次數(shù)太多，尺寸加工精度難于保證，加工效率極低。

十字軸的加工主要是4個(gè)軸的同尺寸精度車削、鉆孔。為減少裝夾次數(shù)，應(yīng)采用分度卡盤實(shí)現(xiàn)“一次裝夾完全加工”的工藝技術(shù)；為縮短打孔時(shí)間，應(yīng)采用四孔同時(shí)加工的專用設(shè)備，故把整個(gè)生產(chǎn)線分成兩個(gè)加工單元：車加工單元，數(shù)控車床配分度卡盤僅裝夾一次完成所有軸的外圓與端面粗、精車；孔加工單元采用專用鉆孔設(shè)備、鉆擴(kuò)孔復(fù)合刀具四孔四向同時(shí)加工。故優(yōu)化后的工藝流程：粗、精車外圓端面（四軸依次在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)）→孔加工（采用鉆擴(kuò)孔復(fù)合刀具，四向同時(shí)加工如圖2所示）。

1.3 加工節(jié)拍測(cè)算與生產(chǎn)平衡率

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備測(cè)算出各工步的節(jié)拍（加工中應(yīng)選用多種常用參數(shù)，結(jié)果取平均值）見(jiàn)表1。

假定目前已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，那么車加工單元還有卡盤吹氣時(shí)間3s、開(kāi)閉門時(shí)間6s、裝卸時(shí)間10s（數(shù)據(jù)來(lái)源于經(jīng)驗(yàn)及模型），故十字軸自動(dòng)車加工總時(shí)間為211s，與孔加工區(qū)61s相比較相差甚多。根據(jù)生產(chǎn)線平衡的原理，應(yīng)盡量使各工序所耗時(shí)間接近，按公式（平衡率=單臺(tái)設(shè)備合計(jì)耗時(shí)/（最大實(shí)際作業(yè)時(shí)間×設(shè)備總數(shù)量））計(jì)算，1臺(tái)鉆孔機(jī)匹配3臺(tái)數(shù)控設(shè)備，其生產(chǎn)線平衡率0.967最接近1，為最佳配比。

1.4 工業(yè)機(jī)器人

在工業(yè)的生產(chǎn)加工中尤其是車削，廣泛采用直角坐標(biāo)型機(jī)器人（桁架機(jī)器人）和關(guān)節(jié)型機(jī)器人，或者二者相互結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作自動(dòng)化。由于十字軸加工過(guò)程須自動(dòng)裝料、翻轉(zhuǎn)、吹氣以及卸料等動(dòng)作，故選擇關(guān)節(jié)型機(jī)器人更合適。關(guān)節(jié)機(jī)器人規(guī)格的選擇主要依據(jù)機(jī)器人手臂持重（為提高機(jī)器人效率，手爪系統(tǒng)應(yīng)雙工位如圖3）與空間運(yùn)轉(zhuǎn)要求，如1.3所述，需要3臺(tái)數(shù)控車床，那么匹配1臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人剛好定置成目前最流行的“品”字形排布，要求3臺(tái)數(shù)控車床所圍成的平面面積盡量小，一則可減少機(jī)械手臂運(yùn)轉(zhuǎn)距離，提高動(dòng)作效率，再則可盡量選用運(yùn)轉(zhuǎn)范圍較小的機(jī)器人（運(yùn)轉(zhuǎn)范圍較小較經(jīng)濟(jì)）。

1.5 分度卡盤及數(shù)控設(shè)備要求

國(guó)內(nèi)較好的全自動(dòng)分度卡盤采用低變形合金鋼，表面氮化處理，壽命可達(dá)100萬(wàn)次以上；角度分度精度≤4′，重復(fù)定位精度<0.02mm，按十字軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)選用具有4×90°或8×45°轉(zhuǎn)位功能的分度卡盤。

為了充分發(fā)揮車加工單元的加工效率，應(yīng)選用高剛性、高精度全功能數(shù)控車床。為了使自動(dòng)線在運(yùn)行中盡量少停機(jī)，應(yīng)采用具有調(diào)用備用刀庫(kù)功能的刀塔式自動(dòng)車床，能大幅減少因刀具壽命帶來(lái)的停車時(shí)間。車床須自帶主軸定位的功能，確保加工結(jié)束時(shí)分度卡盤夾緊的十字軸四軸徑呈水平狀態(tài)，以保證機(jī)器人手爪均勻平穩(wěn)抓料。由于機(jī)器人手爪系統(tǒng)在車床內(nèi)完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，故選用車床時(shí)須考慮其最大切削徑及最大切削長(zhǎng)度滿足手爪系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)要求。如1.4所述，設(shè)備最好選用側(cè)排屑式數(shù)控車床。

1.6 專用鉆孔單元

全自動(dòng)鉆孔單元是在十字軸四軸四向同時(shí)加工的裝置的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的專用設(shè)備，其示意圖如圖4所示，桁架梁手臂一端抓取已加工的料的同時(shí)另一端抓取上料機(jī)上的待加工料（車加工完畢的十字軸工件），可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝料、鉆孔、卸料等動(dòng)作，加工效率較高。

1.7 車削自動(dòng)線總體定置圖

如上所述對(duì)自動(dòng)線主要設(shè)備、配置的要求，則對(duì)應(yīng)的布局圖，如圖5所示。

如上所述對(duì)自動(dòng)線主要設(shè)備、配置的要求，則對(duì)應(yīng)的布局圖，如圖5所示，工件在車削自動(dòng)線中的流轉(zhuǎn)順序按：自動(dòng)送料倉(cāng)（輸送至上料工位）→關(guān)節(jié)機(jī)器人（上料抓取、裝料）→數(shù)控車床（車削加工）→關(guān)節(jié)機(jī)器人（卸料）→過(guò)渡料倉(cāng)（輸送至指定工位）→全自動(dòng)鉆孔單元（孔加工）→下料倉(cāng)。自此，自動(dòng)線完成對(duì)毛坯的自動(dòng)加工過(guò)程。自此，自動(dòng)線完成對(duì)鍛坯的自動(dòng)加工過(guò)程。

1.8 自動(dòng)線實(shí)現(xiàn)的必要條件

十字軸一般選用滲碳鋼，延伸率超過(guò)10%，被車削時(shí)易形成纏繞狀切屑（圖6）。如果加工過(guò)程中不能自動(dòng)斷屑，那么任何自動(dòng)化也實(shí)現(xiàn)不了。故自動(dòng)線的順利運(yùn)行離不開(kāi)車加工單元和孔加工單元對(duì)斷屑的控制。對(duì)于孔加工區(qū)而言，在加工過(guò)程中鉆頭可實(shí)現(xiàn)多工段按不同速度進(jìn)給，且多個(gè)工段間又可設(shè)置鉆頭停留時(shí)間，故孔加工區(qū)的自動(dòng)斷屑比較容易控制。對(duì)于車加工單元，其斷屑的控制可選用帶斷屑槽的刀具，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)來(lái)得出最優(yōu)的切削用量參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷屑。

2 產(chǎn)能

如1.3所述，結(jié)合圖4。自動(dòng)線出料節(jié)拍為211÷3=70.3秒，則每月（按每月26天，每天2班，每班8小時(shí)）生產(chǎn)的數(shù)量為：（3600×26×2×8）/70.3=21302（件）?？紤]到鍛坯質(zhì)量良莠不齊、設(shè)備剛性、所選刀具材質(zhì)壽命和自動(dòng)插補(bǔ)等情況，計(jì)算結(jié)果存在一個(gè)波動(dòng)范圍，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其波動(dòng)值取±10%。故所設(shè)計(jì)的自動(dòng)線其產(chǎn)能不少于18640×（1-10%）=19171件/月。

結(jié)論

把十字軸的車加工與孔加工工序獨(dú)立開(kāi)來(lái)，對(duì)十字軸加工工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，在測(cè)算各自工步加工節(jié)拍的基礎(chǔ)上，可算出主要的設(shè)備配置的最佳配比，然后對(duì)各主要設(shè)備配置進(jìn)行要求，實(shí)現(xiàn)車削自動(dòng)線的總體設(shè)計(jì)。實(shí)際加工過(guò)程中還需考慮切屑的控制以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷屑，保證自動(dòng)線高效、平穩(wěn)的運(yùn)行。

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