基于CJK6136的十字轴全自动专用机床的开发.pdf

第 l 0期 2 0 1 2年 1 0月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l ar M ac hi n e To o l＆ Au t o ma t i c M an uf a c t ur i ng Te c h ni q ue NO ． 1 0 Oc t ．2 01 2 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 2 1 0 0 1 0 60 4 基于 C J K 6 1 3 6的十字轴全 自动专用机床的开发 黄庆华 ， 吴雄 彪 ， 陈丰土 1 ． 浙 江广 厦 建 设 职 业技 术 学 院 ， 浙 江 东 阳 3 2 2 1 0 0 ； 2 ． 金 华 职 业技 术 学 院 ， 浙 江 金 华 3 2 1 O 1 7 ； 3 ． 浙江 汤溪 齿轮机 床有 限公 司 ， 浙江 汤溪 3 2 1 0 7 5 摘 要 十字 轴加 工过程 中， 既要 控 制 同轴轴 头的 同轴 度 ≤0 ． 0 1 5 mm， 又要 控 制相 互 垂 直 的二 组轴 的垂 直度 ≤0 ． 0 2 5 m m。采 用传 统 的四 次装 夹， 分 别 钻 中心 孔 和 车 削轴 头的 工 艺 ， 难 以保 证 加 工 精度 。为 了提 高加 工精 度 ， 须减 少加 工过程 中的装 夹次数 ， 基 于 C J K 6 1 3 6型数控 车床 ， 将 原有 的 液压 卡 盘 改造 成液压 自动分度卡盘 ， 普通车床尾 架改造成液压驱动尾 架， 进行二次开发， 设计 了十字轴“ 一次安装 完全加 工” 的全 自动 专用机床 ， 提 高加 工效 率近 1 0倍 ， 保 障 了工 艺精 度 ， 拥 有 开发成 本低 的优 势 。 关 键词 十 字轴 ； 加 工 工艺 ； 专 用机 床 中图分 类号 T H1 6 ； T G 6 5 文献 标识 码 A ● Th e F u l l y Au t o ma t i c S p e c i a l M a c h i n e o f t h e Cr o s s - a x i s Ba s e d o n CJ K6 1 3 6 CNC M a c h i n e H U A N G Q i n g h u a ，WU X i o n g - b i a o ，C H E N F e n g t u 1 ． Z h e j i a n g G u a n g s h a C o l l e g e，D o n g y a n g Z h e j i a n g 3 2 2 1 0 0，Ch i n a ；2 ． J i n h u a P o l y t e c h n i c ，J i n h u a Z h e j i a n g 3 2 1 0 1 7 ，C h i n a Ab s t r ac t I n c r o s s a x i s ma c h i n i n g pr o c e s s i n g i t i s n e c e s s a r y t o c o n t r o l t h e c o a x i a l s ha ft c o n c e n t r i c i t y≤ 0 ． 01 5mm ，a n d a l s o c o n t r o l t wo g r o u p s o f mu t ua l l y p e r pe n d i c u l a r a x e s v e r t i c a l ≤0 ． 0 2 5mm ，u s i n g t h e t r a d i t i o n a l n e e d f o u r c l a mp i n g，r e s p e c t i ve l y，t h e c e n t e r h o l e a n d d r i l l t u r n i n g s h a ft o f t h e p r o c e s s ，bu t i t i s d i f f i c u l t t o e n s u r e a c c u r a c y．Ba s e d CJ K6 1 3 6 CNC ma c h i n e，t h r o ug h t h e t r a n s f o r ma t i o n o f t h e o r i g i n a l hy d r a u l i c c h u c k，h y d r a u l i c c on t r o l qu i c k d riv e t o i n c r e a s e t h e e n d f r a me，t h e s e c o n d d e v e l o p me n t ，t h e d e s i g n o f the c r os s a x i s”a c o mp l e t e i n s t a l l a t i o n p r o c e s s ， ” t h e f u l l y a u t o ma t i c ma c h i n e t o o l s ，i mp r o v e t h e p r o c e s s i n g e f fi c i e n c y n e a r l y 1 0 t i me s t h e p r o t e c t i o n o f t h e p r o c e s s a c c u r a c y，h a s t h e a d v a n t a g e o f l o we r d e v e l o p me n t c o s t s ． Ke y wo r dsc r o s s a x i s ；p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y；s p e c i a l ma c hi n e O 引 言 十字轴 是 汽 车 万 向节 中的 一 个 重 要 零 件 ， 也 是 一 个 易损件 ， 在 汽车 零 配件 市 场 上 的需 求 量很 大 ， 我 国是 十字轴 生产 大 国 ， 大多 生 产企 业 是 中小 企 业 ， 其 加工工艺采用传统的加工工艺 ， 加工精度难以保证 ， 加工 效率 低 。而 国 际上 流 行 的 是 “ 一 次 装 夹 完 全 加 工o n e o n d o w n ” 工艺技术 ， 德 国、 日本、 韩 国等研 制 了液压 自动 装夹 专 用数 控 机 床 ， 兼 顾 了高柔 性 、 高 效率 、 低 投 资 的 要 求 。从 国外 引进 的专 用 设 备 与 工 装 ， 费用 高 昂 ， 生产 成 本 高⋯ 。本课 题 吸 收 国际 先 进 技术 ， 将 C J K 6 1 3 6型数控 车床原有 的液压卡盘改造 成 自动液压分度卡盘 ， 将传 统的车床尾架改造为液 压控制的中心钻 ， 通过重新设计液压控制 系统 ， 嵌入 电气控 制程 序 ， 开 发 出 基 于 C J K 6 1 3 6的十 字 轴 全 自 动专用机床 。该机床在能够实施车床主轴高速旋转 的情况 下进行 分度 ， 实 现 了十字 轴 “ 一 次 安装 完 全 加 工” 的全 自动加工新工艺 ， 来满 足了十字 轴高精度、 高 效率加 工 的工艺 需求 。 1 十字轴 工艺分析 十字轴 由二对 相 互 垂 直 的 四个 轴 头 组 成 ， 工 艺 精度要求高 ， 加工难度大 。如 图 1所示 为某型汽 车万 向 节 中 的 十 字 轴 ， 同 轴 轴 头 的 同 轴 度 要 求 ≤ 0 ． 0 1 5 mm． 相 互 垂 直 的 二 组 轴 的 垂 直 度 要 求 ≤ 0 ． 0 2 5 mm。用普通 加 工机床 ， 利 用工 件 自身轴 头定位 装 夹 四次 ， 分 四 次 钻 中 心 孔 ， 加 工 二 对 相 互 垂 直 的 轴 ， 两组 轴 头 的 同 轴 度 和 对 称 度 误 差 只 能 控 制 在 0 ． 0 5 m m范 围 内 ， 不仅误 差较 大 ， 达 不 到 工艺 要 求 ， 增 加 后续 工序加 工难 度 ， 而且 效 率 低 ， 5 mi n ／ 件 ， 严 重 影 响 十字轴 的加 工 质 量 和 加 工 成 本 。而 采 用 “ 一 次 安 装 完全加 工 ” 的全 自动加 工 新 工艺 ， 既能 达 到 工艺 要 求 ， 同时加工效率提高到 3 0 s ／ 件 。 收稿 日期 2 0 1 20 30 4； 修回 日期 2 0 1 2 0 41 0 作者简介 黄庆华 1 9 8 2 一 ， 男 ， 浙江浦江人 ， 浙江广厦建设职业技术学院工程师 ， 学士 ， 主要从事机械制造工程 教学 与研究 、 开 发等工作 ， E m a i l j h l g w x b 1 6 3 ． c o m。 2 0 1 2年 1 O月 黄庆华 ， 等 基于 C J K 6 1 3 6的十字轴全 自动专用机床 的开发 1 0 7 图 1某型十字轴零件 图 2 十字轴 专用机床 的结构与功 能 2 ． 1 十 字轴 专用 机床 的 结构 十字轴全 自动专用机床 由床头箱 主轴箱 、 床 身、 刀架 、 卡盘 、 尾架、 泵站、 液压控制 系统 、 旋转分油 器、 数控操作面板等组成 ， 其中卡盘是能够实现 液压 自动 控 制 的 分 度 卡 盘 ， 尾 架 是 液 压 控 制 的 中心 孔钻 ， 如图 2所示。泵站 、 液压控 制系统、 旋 转分油 器、 数控操作面板等属于控制系统 ， 为 了避免泵站 和 液压控制系统 的振动 和发 热对机床精度 的影 响 ， 便 于 系统 的安装 、 调 试 和 维护 ， 泵站 和 液 压 控制 系统 独 立于 数控 机床 ； 旋 转分 油器 安装 在 机床 主轴 后端 。 图 2 CJ K6 1 3 6型 十 字 轴 专 用 机 床 工件装夹后 ， 开动机床 ， 在数控 系统控制 下， 由 刀架或刀排车削端面和轴头 ； 然后 ， 驱动液压控制尾 架快进接近切削端面 ， 由装 在尾架上 的复合 钻头工 进 钻 中心 孔 ， 钻完 孑 L 后 快 速 退 回 ； 最 后 ， 再 由分 度 夹 头 9 O 。 分度 后循 环加 工另 一 个 轴头 ， 通 过 四个 循 环 完 成加 工 [ 引。 2 ． 2 液 压分 度 卡盘 的结构 功 能 液压分度卡盘由夹具体、 上下 固定压爪 、 夹 紧活 塞、 定 位 活塞 、 换 位 活塞、 推 力轴 承 和滚 针 轴 承组 成 。如 图 3所 示 ， 夹 具 体 是 卡 盘 组 成 元 件 的主 要 支 承体 ， 体 内 分 布 着 控 制 活 塞 的 油路 。上 固定 压 爪 与夹 紧活 塞 之 间 由推 力 轴 承 和滚 针 轴 承 支 承 ， 并 通 过 阶梯 螺 钉 相 连 接 。卡 盘 夹 紧 时 ， 由于 阶 梯 螺 钉 与上 固定 压 爪 之 间 留 有 间 隙 ， 上 固定 压 爪 可 随分 度 盘一起 在 夹 紧活 塞 中旋 转 ， 卡 盘 松 开 时 ， 上 固定 压 爪在阶梯螺钉的带动下， 随夹紧活塞上升松开工件。 定位活塞主要 功能是锁 紧分度盘 ， 该 活塞部件含有 进 出油路 ， 前 面设 有 活 塞 杆 ， 并 有 一 精 度要 求 较 高 的 斜 面 ， 通 过斜 面 与定 位 块 贴合 ， 实施 分 度 定 位 。下 固 定压 爪通 过 螺 钉 与 分 度 盘 固定 连 接 ， 与 工 件 一 起 随 分度盘转 动而换 位 。上下 固定 压爪 与工 件直 接接 触 ， 主要用于工件定位和夹 紧， 接触部位根据工件 的 形状 进行 设 计 ， 可制成 V型块 、 平 面 等形 状 。根 据 十 字轴结构特点和加工定位需要 ， 本案例中， 上下 固定 压爪 与 工件 直接 接触 部位 制 成一 对 小 V型 块 。换 位 活塞主要功能是拔动分度盘更换工位 ， 分度时 ， 由换 位活塞推动分度盘旋转完成 分度 ， 该 活塞 部件含有 进出油路 ， 整体精 度要 求不 高。 只要 保证 不漏 油 即 可。换位活塞 与定位 活塞 由液 压控 制联 动完 成分 度。分度盘与夹具体之间也是 由推力轴承和滚针轴 承支承 ， 该部件形状复杂、 精度要求较高 ， 分 度盘起 着分度 、 定位、 夹 紧的作用 ， 分度盘 中部可按 分度角 度制成标准的多边形 ， 要求角度精确。本例中， 十字 轴加工分度角度 9 0 。 ， 制成正方体形状 。 1 0 8 组 合机床 与 自动化 加工 技术 第 1 0期 l 2 1 3 1 ． 夹紧活塞 2 ． 阶梯螺钉 3 ， 1 0 ． 推力轴承 4， 8 ． 滚针轴承 5 ． 上固定压 爪 6 ． 加工工件 7 ． 下 固定 压爪 9 ． 分度盘 1 1 ． 卡盘 体 1 2 ． 分 度活 塞 1 3 ． 定位活塞 图 3液压分度卡盘 的功能 结构 图 3液压 系统 工作原 理 液压 系统 主要 由 泵 站 、 滤 油 器 、 单 向 阀、 电 磁 换 向阀、 减压阀、 压力表 、 压力继 电器 和旋转分油器等 组 成 。为 了使 系 统 结 构 紧凑 ， 同 时 便 于 嵌 入 数 控 系统 ， 提高系统集成度 ， 液压 回路控制采用集成叠加 阀式 结 构 ， 将 压 力 表 、 减 压 阀、 电磁 换 向 阀和 压 力 继 电器等集成一体 ⋯， 由电磁阀、 压力表获取信号控制 动作 ， 嵌入数控系统 ， 实现 系统一体化运行 ， 确保机 床控制 安 全 、 高效 。 液 压 系统 由四个 部 分 组 成 ， 第 一 部分 是 动 力 供 油 部 分 。第 二 部 分 是 旋转分 油 器 ， 主要 是 为 液 压 卡盘 提 供 油 路 ， 由转 动 阀 芯 和 外 圈组 成 ， 外 圈 接外围控制油路 ， 不转动 ； 转动 阀芯 将控制油路与分度卡盘相接， 随主轴 和卡盘一起转 动。第三部分 是液压 卡 盘 控 制 回路 ， 该 回路 分 二 部 分 ， 一 是 工件 的夹 紧 与松 开 回路 ， 二 是 分 度 与锁紧 回路。第 四部分是 尾架控 制 回路 ， 在 电磁调速阀的控制下实现快 进 、 工 进 和快 退 。如 图 4所示 为 该 机 床 液压 系统 原理 图 。 3 ． 1 工件 的夹 紧与松 开 回路 当电磁换 向阀 6的 电磁铁 1 D T得 电时 ， 压 力 油 经减 压 阀 5减 压后 又经 叠加式 电磁换 向阀 含 压力 继 电器 沿 油管进入安 装在数 控 车床 主轴后 端 的 旋转阀， 再经过主轴 内部 的输油管进 入安装在 主轴头 部 的分度 卡盘 夹紧 活 塞液压缸 的大腔， 使夹 紧活塞 向外伸 出， 实现卡盘夹紧， 待夹紧压力升高达 到设 定 的夹 紧 压 力 值 时 ， 压 力 继 电器 向机床数控系统发出分度卡盘夹紧完 毕的信号， 数控系统将指令机床进行 下 一步工作 ， 夹 紧工序完成 。 当 电磁 换 向 阀 6的 电 磁 铁 1 D T断 电时 ， 压 力 油 进 入 夹紧活 塞液 压 缸小 腔 ， 使 夹 紧 活塞 向 内缩 回 ， 实 现卡 盘松开 ， 此 时压 力 继 电器 与 回 油接 通 ， 不 能 发 出 信号。因此 ， 机床数控系统将锁定机床不能进行 加 工 ， 以确保 加工 安全 。 3 ． 2卡盘 的分 度与锁 紧 回路 当 电磁 换 向 阀 9的 电磁 铁 2 D T不 得 电时 ， 电 磁 阀工 作在 右位 ， 压力 油经 单 向阀 7减压 阀 8又经叠 加 式换 向阀沿油 管进 入安 装 在 数控 车 床 主轴 后 端 的旋 转分 油器 ， 分 别 进 入 换 位 活 塞 液 压 缸 的 大 腔 和 定 位 活塞 液压缸 的 小 腔 ， 换 位 活 塞 在 压 力 油 的作 用 下 缓 慢伸 出， 拔动分度盘旋转分度角度 9 0 。 ， 与此同时 ， 定位 液压 缸 的活塞 在 压 力油 的作 用下 逐 渐 退 回 。开 始时， 检测油路⑤通过定位 活塞液压缸的大腔与 回 油路 ①相 通 ， 检 测 阀 的柱 塞 在 其 小 腔 压 力 油 的 作 用 下 迅速退 回 ， 压力 检 验 开 关 1 0被关 闭 。随着 定 位 活 塞的逐渐退回， 检测油路⑤与 回油路① 的连接被液 压缸 活 塞切 断 ， 压 力 油 通 过 定 位 活 塞 液 压 缸 的小 腔 与检测油路⑤接通， 此时， 检验开关 1 0与回油接通 ， 不 能发 出 信 号 。 因此 机 床 数 控 系统 将 锁 定 机 床 ， 使 其不能进行加工工作 ， 以确保加工安全。 当 电磁换 向 阀 9的 电 磁 铁 2 D T得 电时 ， 压 力 油 通过 油路 ① 分别 进 入换 位 活 塞液 压缸 的小 腔和 定 位 活塞 液压缸 的大 腔 ， 换 位 液 压 缸 的活 塞 在 压 力 油 的 作用 下逐 渐退 回 ， 与 此 同 时 ， 定 位 液 压 缸 的活 塞 在 压 1 ． 滤油器 2 ． 泵电机组 3 ． 压力表 4 ， 7 ． 单 向阀 5 ， 8 ． 减压阀 6 ， 9 ． 叠加式换 向阀 1 0 ， 1 5， l 6 ． 检验 开关 l 1 ． 检验阀 l 2 ． 叠加式调速阀 l 3 ． 叠加式换向阀 l 4 ． 尾架液压缸 l 7 ． 多位检验开关 1 8 ． 油箱 图 4液压 系统原理 图 2 0 1 2年 1 O月 黄庆华 ， 等基于 C J K 6 1 3 6的十字轴全 自动专用机床 的开发 1 0 9 力 油 的作 用下 缓慢 伸 出 ， 锁 紧分 度 盘 。开 始 时 ， 检 测 油路⑤通过定位液压缸 的小 腔与 回油路① 相通 ， 此 时 ， 检测阀的柱塞在其 小腔压力油 的作 用下迅速退 回 ， 检 验 开 关 被 关 闭。 随 着 定 位 液 压 缸 活 塞 的 逐 渐 伸出， 检测油路⑤与回油路①的连接被液压缸活塞切 断， 压力油通过定位活塞液压缸的大腔与检测油路⑤ 接通 ， 此 时 ， 检测 阀的柱塞 在 大腔 压力 油 的作用 下 ， 克 服小腔压 力油 的作用 向外 伸 出压 下检 验开 关 1 0 ， 使 之 发出信号， 通知机床数控系统分度卡盘锁紧完毕 。 3 ． 3尾 架进 给 回路 当电磁 换 向 阀 1 3的 电磁 铁 3 D T 、 4 D T都 不 得 电 时 ， 压力 油经过叠加 式调速 阀 1 2的单 向阀位和 换 向阀 1 3的中位向液压缸大腔⑦进油 ， 小腔⑥ 回油形成差动 回路 ， 液压缸快速伸出， 使尾架刀具快速进给接近工 件 。尾 架接近工 件时压下 行程开关 ， 向机床 发 出信 号 ， 使 4 D T得电， 换向阀 1 3工作在右位， 由调速阀控制液 压缸大腔⑦进油 ， 小腔⑥ 回油， 实现工进 ， 加工十字轴 内孑 L 。当接触检验开关 1 6时， 使之发出信号， 电磁换 向阀 l 3的电磁铁 3 D T得 电 ， 同时 叠加 式调 速 阀 1 2的 工作在单向阀位 ， 液压油从液压缸小腔⑥进油， 大腔⑦ 回油 ， 液 压缸 快速 退 回 ， 到规 定位 置后 压 下行 程开 关 ， 向机 床发 出加工 完成信 号 ， 完成一个循 环工作 。 4 结束 语 基 于 C J K 6 1 3 6型数 控机 床 开 发 的 十字 轴 专 用 机 床 ， 通过 液压 分 度 卡盘 和 液 压 驱 动 尾 架 ， 突破 “ 一 次 安装完全加工” 的工艺关键技术， 实现了十字轴加工 的全 自动。经试验测算 ， 加工效率 由原来的 5 mi n ／ 件 提高到 3 0 s ／ 件 ， 主要精度由原来 的≤0 ． 0 5 ra m提高到 ≤ 0 ． 02 5 mm。 该 机床 通 过 改 变 分 度 盘 的 多 边 形 形 状 ， 可 适 用 于 4 5 。 、 6 0 。 、 1 2 0 。 的等分结构零件 的加工 ， 具有较大 的工 艺 扩展 功能 ， 同时 通 过更 换 卡 盘 ， 依 然 可作 为普 通数控机床使用 ， 开发成本较低。但 由于卡盘 的结 构 尺寸 限制 ， 定位 活塞 、 换 位 活 塞 的油 缸 行 程控 制 在 4 m m， 工 件 的加 工尺 寸较 小 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]郭军 ．十字轴加工工艺 分析及改 进 [ J ] ．一重技 术 ， 2 0 0 7 6 5 55 6 ． [ 2 ]薛锦达 ．十字轴 式万 向传 动轴 的原 理及其 结构 [ J ] ．机 械制 造 ， 1 9 9 7 7 1 41 6 ． [ 3 ]陈子银 ， 陈为华 ．数控机床 结构原 理与应 用 [ M] ．北京 北京 理工大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ]王爱玲 ． 数 控机床结构及应用 [ M] ．北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 6． [ 5 ]数控车床使用说明书． 浙江汤溪齿轮机床有限公 司， 1 2 ． [ 6 ]刘宝珠 ．数控 车床 液压 卡盘 的改造 [ J ] ．制造 技术 与机 床， 2 0 0 4 9 1 3 01 3 3 ． [ 7 ]王光斗 ． 机 床夹具设计手册 [ M] ．上海 上海科学技术 出 版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 8 ]汪恺 ．机械工业基础标准手册 [ M] ．北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 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