十字轴高效车削自动线的总体设计

孙建平

摘 要：十字轴在机械传动中应用广泛，但其车加工尺寸精度要求高，传统的工艺很难达到尺寸要求，且加工效率极低。本文优化了十字轴的加工工艺流程，把车加工与孔加工独立进行，分别实现一次装夹、完全加工，再应用机器人实现自动化，设计了全自动加工生产线的总体方案，可实现高效生产。

关键词：万向节；十字轴；自动线

中图分类号：TH133 文献标志码：A

0 引言

随着工业机器人的发展，装备制造业的升级，数控设备与工业机器人合力发展已成为主流，机加工行业使用先进加工技术（设备）搭配工业机器人集成应用替代传统加工工艺已成为一种趋势。

十字轴是机械传动系统的重要部件，被广泛应用于冶金设备、汽车工业等方面。十字轴在工作过程中要求传动高效、平稳，故其车加工尺寸要求较高，通常同轴轴头的同轴度要求≤0.015mm，对称度要求≤0.06mm， 轴与轴的垂直度要求≤0.03mm。使用传统工艺设备需要多次装夹，故加工尺寸很难达到要求，且生产效率十分低下。

为解决上述问题，在分析十字轴加工特点的基础上并应用先进制造技术，设计出一种可以保证尺寸加工精度，加工效率高的生产线。该生产线采用高精度数控设备、专用钻孔设备并结合工业机器人，可实现自动上下料、自动加工、加工过程中自动翻转工件，极大地提高加工效率。

1 车削自动线的设计

本节仅以某型号十字轴为例来设计车削自动线，十字轴的车件主要尺寸如图1所示。

1.1 自动线选型

参照国外十字轴加工自动线及江浙地区一些十字轴生产企业的加工情况，十字轴车削自动线可分为两种类型：①设计专用的组合机床结合机器人完成自动化生产；②采用标准数控车搭配机器人来实现自动化生产。按十字轴的结构特点，其专用的组合机床应设计成多轴式转盘式组合机床，8～9工位（第1工位为装卸料），14个～16个主轴同时对工件的两个面进行加工，各工位带独立伺服可实现工装转角，单个工件20s～30s可完成加工，生产效率极快。但這种专用机床集合的工序过多，存在刚性不高（不适合不锈钢及锻件加工）、精度不稳容易跑偏、刀具使用苛刻、换刀调整十分麻烦、产品单一、换型时间非常长（5、6天）等缺点，目前国内十字轴车加工前的毛坯主要用锻造获得，故此类型自动化不适用于国内产品。因此本文所设计的车削自动线主要选用标准数控设备、工业机器人等来构建。

1.2 工艺方案的确定

工艺方案的确定直接影响到生产线的配置、数量、加工效率等。十字轴传统的加工工艺流程为粗车轴1（外圆、端面）→粗车轴2→粗车轴3→粗车轴4→精车轴1→…→精车轴4→钻轴1深度孔→…→钻轴4深度孔→扩轴1油孔→…→扩轴4油孔。工艺流程十分烦琐，且每换一个工序需再装夹一次，装夹次数太多，尺寸加工精度难于保证，加工效率极低。

十字轴的加工主要是4个轴的同尺寸精度车削、钻孔。为减少装夹次数，应采用分度卡盘实现“一次装夹完全加工”的工艺技术；为缩短打孔时间，应采用四孔同时加工的专用设备，故把整个生产线分成两个加工单元：车加工单元，数控车床配分度卡盘仅装夹一次完成所有轴的外圆与端面粗、精车；孔加工单元采用专用钻孔设备、钻扩孔复合刀具四孔四向同时加工。故优化后的工艺流程：粗、精车外圆端面（四轴依次在同一设备上实现）→孔加工（采用钻扩孔复合刀具，四向同时加工如图2所示）。

1.3 加工节拍测算与生产平衡率

根据现有设备测算出各工步的节拍（加工中应选用多种常用参数，结果取平均值）见表1。

假定目前已实现自动化，那么车加工单元还有卡盘吹气时间3s、开闭门时间6s、装卸时间10s（数据来源于经验及模型），故十字轴自动车加工总时间为211s，与孔加工区61s相比较相差甚多。根据生产线平衡的原理，应尽量使各工序所耗时间接近，按公式（平衡率=单台设备合计耗时/（最大实际作业时间×设备总数量））计算，1台钻孔机匹配3台数控设备，其生产线平衡率0.967最接近1，为最佳配比。

1.4 工业机器人

在工业的生产加工中尤其是车削，广泛采用直角坐标型机器人（桁架机器人）和关节型机器人，或者二者相互结合的方式来实现动作自动化。由于十字轴加工过程须自动装料、翻转、吹气以及卸料等动作，故选择关节型机器人更合适。关节机器人规格的选择主要依据机器人手臂持重（为提高机器人效率，手爪系统应双工位如图3）与空间运转要求，如1.3所述，需要3台数控车床，那么匹配1台关节机器人刚好定置成目前最流行的“品”字形排布，要求3台数控车床所围成的平面面积尽量小，一则可减少机械手臂运转距离，提高动作效率，再则可尽量选用运转范围较小的机器人（运转范围较小较经济）。

1.5 分度卡盘及数控设备要求

国内较好的全自动分度卡盘采用低变形合金钢，表面氮化处理，寿命可达100万次以上；角度分度精度≤4′，重复定位精度<0.02mm，按十字轴的结构特点，应选用具有4×90°或8×45°转位功能的分度卡盘。

为了充分发挥车加工单元的加工效率，应选用高刚性、高精度全功能数控车床。为了使自动线在运行中尽量少停机，应采用具有调用备用刀库功能的刀塔式自动车床，能大幅减少因刀具寿命带来的停车时间。车床须自带主轴定位的功能，确保加工结束时分度卡盘夹紧的十字轴四轴径呈水平状态，以保证机器人手爪均匀平稳抓料。由于机器人手爪系统在车床内完成翻转动作，故选用车床时须考虑其最大切削径及最大切削长度满足手爪系统的翻转要求。如1.4所述，设备最好选用侧排屑式数控车床。

1.6 专用钻孔单元

全自动钻孔单元是在十字轴四轴四向同时加工的装置的基础上开发出来的专用设备，其示意图如图4所示，桁架梁手臂一端抓取已加工的料的同时另一端抓取上料机上的待加工料（车加工完毕的十字轴工件），可实现自动装料、钻孔、卸料等动作，加工效率较高。

1.7 车削自动线总体定置图

如上所述对自动线主要设备、配置的要求，则对应的布局图，如图5所示。

如上所述对自动线主要设备、配置的要求，则对应的布局图，如图5所示，工件在车削自动线中的流转顺序按：自动送料仓（输送至上料工位）→关节机器人（上料抓取、装料）→数控车床（车削加工）→关节机器人（卸料）→过渡料仓（输送至指定工位）→全自動钻孔单元（孔加工）→下料仓。自此，自动线完成对毛坯的自动加工过程。自此，自动线完成对锻坯的自动加工过程。

1.8 自动线实现的必要条件

十字轴一般选用渗碳钢，延伸率超过10%，被车削时易形成缠绕状切屑（图6）。如果加工过程中不能自动断屑，那么任何自动化也实现不了。故自动线的顺利运行离不开车加工单元和孔加工单元对断屑的控制。对于孔加工区而言，在加工过程中钻头可实现多工段按不同速度进给，且多个工段间又可设置钻头停留时间，故孔加工区的自动断屑比较容易控制。对于车加工单元，其断屑的控制可选用带断屑槽的刀具，设计正交试验来得出最优的切削用量参数来实现自动断屑。

2 产能

如1.3所述，结合图4。自动线出料节拍为211÷3=70.3秒，则每月（按每月26天，每天2班，每班8小时）生产的数量为：（3600×26×2×8）/70.3=21302（件）。考虑到锻坯质量良莠不齐、设备刚性、所选刀具材质寿命和自动插补等情况，计算结果存在一个波动范围，根据经验，其波动值取±10%。故所设计的自动线其产能不少于18640×（1-10%）=19171件/月。

结论

把十字轴的车加工与孔加工工序独立开来，对十字轴加工工艺流程进行优化，在测算各自工步加工节拍的基础上，可算出主要的设备配置的最佳配比，然后对各主要设备配置进行要求，实现车削自动线的总体设计。实际加工过程中还需考虑切屑的控制以实现自动断屑，保证自动线高效、平稳的运行。

参考文献

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