重卡桥壳加工设备技术难点分析

张来民

沈阳机床（集团）有限公司设计研究院 辽宁沈阳 110000

汽车车桥（又称车轴）通过悬架与车架（或承载式车身）相连接，其两端安装车轮。车桥的作用是承受汽车的载荷，维持汽车在道路上的正常行驶。根据驱动方式的不同，车桥也分成转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种。此设备用于加工桥壳大盘面、盘孔及销孔、加工板簧座孔、连接板孔；钻感应塞孔，固定盘孔、粗精镗桥壳两端内孔，加工背面孔及贯通轴孔等内容。

1 概述

汽车的行驶系统分为四大主要部分：车桥、车轮、车架和悬架。汽车车桥（又称车轴）通过悬架与车架（或承载式车身）相连接，其两端安装车轮。车桥的作用是承受汽车的载荷，维持汽车在道路上的正常行驶。车桥可以是整体式的，有如一个巨大的杠铃，两端通过悬架系统支撑着车身，因此整体式车桥通常与非独立悬架配合；车桥也可以是断开式的，像两把雨伞插在车身两侧，再各自通过悬架系统支撑车身，所以断开式车桥与独立悬架配用。根据驱动方式的不同，车桥也分成转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种。其中转向桥和支持桥都属于从动桥。大多数汽车采用前置后驱动（FR），因此前桥作为转向桥，后桥作为驱动桥；而前置前驱动（FF）汽车则前桥成为转向驱动桥，后桥充当支持桥。转向驱动桥与转向桥的区别就是一切都是空心的，横梁变成了桥壳，转向节变成了转向节壳体，因为里面多了根驱动轴。这根驱动轴因被位于桥壳中间的差速器一分为二，而变成了两根半轴。两个草帽也不是简单地套在脑袋上，还要与里面的两根半轴直接相连。半轴在“脖子”的位置也多了一个关节—万向节，因此半轴也变成了两部分，内半轴和外半轴。

我们此次研究的设备就是用来加工转向驱动桥，此种桥形状特点是中间带一个大桥壳，两端轴头是焊接的，桥壳按照材料也分为铸造和焊接两种，实际使用中焊接桥比较常见。此设备用于加工桥壳大盘面、盘孔及销孔、加工板簧座孔、连接板孔；钻感应塞孔，固定盘孔、粗精镗桥壳两端内孔，加工背面孔及贯通轴孔等内容。

重卡桥壳加工设备的研究主要是针对我国重卡桥壳柔性加工工艺的研究及生产线布局结合国产高档数控机床的现状,结合重卡桥壳加工工艺特点，通过对重卡桥壳加工数控机床、共性技术等成果的实际工程应用，解决国产高档数控机床在生产使用过程中存在的实际问题并进行应用,完善机床功能、提高机床精度和可靠性、提高工件加工质量和加工效率。以共性技术研究成果为技术支撑，实现国产高档数控机床在重卡桥壳生产线加工中的应用。根据应用过程中存在的问题，提出国产高档数控机床的设计优化方案,为国产机床的后续开发提供经验，进一步促进国产高档数控机床的研发水平和产业化水平。

2 重卡桥壳加工设备总体规划

本设备采用倒T型分体床身布置，横床身上设置数控转台，转台可实现连续分度，转台沿床身导轨做X轴运动；纵床身上设置立柱，立柱沿纵床身导轨做Z轴运动；主轴箱沿立柱导轨做X轴运动；主轴箱采用正挂方式，用配重铁平衡自身重量，降低驱动系统的负荷；机床前端设置两个交换台站，通过推拉方式实现工作台台板的交换，这样两个台子轮流进入机床加工，节省了上下料等待时间，极大地提高了加工效率。纵床身侧面设置60把自动刀库，实现机床加工中的自动换刀功能。

X、Y、Z轴导轨采用直线滚动导轨，保证低速无爬行、高速无振动。进给采用进口交流进给伺服电机带动滚珠丝杠传动。交流伺服进给电机作为动力源，滚珠丝杠作为传动部件。滚珠丝杠为两端固定支撑，预拉伸，确保丝杠进给刚度和寿命。

主轴组具有高精度，高刚性，整套主轴在恒温条件下组装完成后，均通过动平衡校正及跑合测试，提高了整套主轴的使用寿命及可靠性。交流主伺服电机经过变档减速机驱动主轴，既能实现高转速、又能实现大扭矩。

3 重卡桥壳加工设备技术难点

3.1 卧式加工中心大直径工件回转与双交换上下料技术攻关

重卡桥壳零件具有质量重、长度长（最大长度达到2100mm）加工内容复杂等结构特点，如此大的零件在机床加工区范围内回转加工以及双交换工作台的交换成为技术难点。如采用传统的回转式双交换工作台，工件交换的回转直径至少要5000m以上，在设备占地空间、交换时间、交换可靠性方面均存在问题。经过大量调研和实地考察结合相关重卡桥壳生产厂家技术人员多次探讨、调研后，最终确定推拉式双交换工作台型式的卧式加工中心方案，推拉式上下料机构稳定，有效的解决了上述问题。

在交换台站的框架上，布置链轮链条传动机构，由液压马达通过减速机增大扭矩后驱动链条传动，滑板伸出后上层链条上的滚轮勾住台板上的滑槽，从而带动台板回到交换台上料位或是推动台板到数控转台加工位。

在上料位液压马达通过链条推动台板停止在撞停位置上，由于自动上下料时机械手有一个反向的抚平力，所以要计算出此时液压马达的保持力。根据选型可知液压马达在7MPa油压下能提供的扭矩为160Nm以上，经减速机1：7减速后增大为160X7=1120Nm，由图1可知在直线位置时，驱动力F=1120/0.15=7466.7N；台板停下位置为45°圆弧处，此时的驱动力为F1=Fcos45°=5279.8N。所以机械手的抚平力不可超过此数值，并留有一定安全系数。

图1 推拉式双交换工作台方案图

3.2 超大直径与重量刀具加工以及快换技术攻关

重卡桥壳加工刀具直径大、质量重（如琵琶孔加工刀具直径达ø428mm，重量超过25kg）长度长（如两端孔加工刀具长度360mm）等特点。为此在传统刀库基础上增强了换刀机械手的刚性以及抓刀重量，改进刀库结构。增加刀库摆刀和插拔速度控制功能，在更换大刀或重刀时，整个换刀动作变慢，减小刀具运动的惯性，使换到动作稳定、准确、可靠。

3.3 工序集中需求相关特殊工装自动姿态切换技术攻关

重卡铸造桥壳零件特点，板簧座面与琵琶面存在3度夹角，正常是至少需要三道工序才能加工完成，由于设备双交换工作台只能提供两道工序，如果多台设备分序加工，零件各项尺寸精度和位置精度无法有效保证，本着工序集中原则，目标把三道工序压缩为二道工序，为解决这个难题，在夹具设计中专门设计了二层底板，上层的底板通过两端的回转轴承实现回转，固定在下层底板上的推拉油缸驱动，来实现上层底板3度夹角的变换。由于加工过程中无法提供液压油路供应，在加工区侧面设置油路快换接头，并且夹具上增加保压装置，一个姿态加工完毕后工作台靠近快插接头后通油，待姿态变换之后脱离，夹具上保压装置确保内部油路不会失压。此套方案有效的解决了工序集中以及带来的相关技术难题。

我们为满足双交换式重卡桥壳加工专用机床的夹具供油，专门设计研究出适合该结构的油路快插机构：使夹具在工件上下料，松开夹紧，工件姿态转换上能够不依靠人工干预，自动完成，同时避免油路交叉，使两套夹具可以自动交换。该结构的使用使双交换机床组线成为可能。

3.4 不同品种共线自动识别技术

由重卡桥壳加工专用机床组成的重卡桥壳自动化柔性生产线，能够自动识别不同品种的重卡桥壳，从而避免误加工给整线带来的损失。第一通过是机器人与重卡桥壳专用机床交互通信实现，在上料位自动线识别工件的种类，并将信息传输给机床，机床调取相应的加工程序；第二是通过重卡桥壳专用机床配备探针装置实现不同种重卡桥壳的品种识别，台板交换进加工区后，机床主轴换上探针去检测夹具上的一些关键点的位置，以此来区分夹具种类，从而能够识别出当前在加工区内的工件种类，作为二次确认避免发生事故。

同时在机床的上料区设置有上料台有无料检测，可以识别和验证当前两个台板的位置，避免发生上料事故；同时也能避免自动机械手在台板上有料的情况下再次上料，发生碰撞。在涉及到自动线的情况下，各种状态的判断就尤为重要，需要严谨的逻辑关系，保证安全的前提下，合理的编制运行关系判断，能起到事半功倍的效果。

3.5 重卡桥壳技术参数攻关

重卡桥壳机床在攻克上述技术难点同时在机床参数方面攻克重卡桥壳加工专用机床精度：X、Y、Z定位精度≤0.009mm；重复定位精度≤0.006mm；转台B定位精度≤8″，重复定位精度≤5″；主轴端部径向跳动≤0.003mm，工作台交换重复定位精度±0.005mm；设备MTBF≥1500小时；不低于30%设备上采用国产功能部件率。

高定位精度、重复定位精度要求我们在加工和装配中牢牢把握住质量关，严格按照相关国家标准要求铸件质量，检验铸件性能，充分进行铸件的去应力处理；压缩加工精度要求，通过适当的刮研修磨，保证足够的接触刚性，使精度满足要求并且有一定的储备量。主轴部分进行结构优化设计，改进装配工艺，紧把加工、装配质量关；主轴箱装配完成后，对主轴进行温升试验，对传动机构进行充分的、科学的试运行，达到运行稳定可靠无异响，使其精度达到稳定状态。如此大规格的数控转台，充分和专业生产厂家进行技术沟通，保证其精度和刚性满足使用要求。为支持民族工业，此设备上采用了大量优质的国产元器件，通过验证证明国产元件虽然和进口元件性能仍有差距，但已经有了长足的进步，虽然国内装备制造业仍然任重道远，但是相信通过不断的努力，总有一天会实现赶超的。

4 结语

通过重卡桥壳加工设备的研发，可解决重卡桥壳制造业相关的诸多工艺问题，在加工效率、柔性及质量上得到极大提高，经济效益显著。相关设备的研制成功可在同行业中进行推广应用，具有极大的社会效益；可以掌握重卡桥壳高效数控加工各项关键技术和适用于重卡桥壳加工的机床设计、制造、成线技术，对于提升国产机床适用性、推动重卡关键结构件和机床制造行业发展，提升行业技术水平有显著帮助；可大幅提高国产数控装备柔性线加工重卡桥壳的生产效率、降低成本；有助于推动国产高档数控机床在重型汽车制造企业的应用，促进国产高档数控机床研发水平和产业化水平的提高。

根据研究表明，此重卡桥壳加工设备，精度指标符合要求。通过将实际加工数据与图纸要求进行比较，发现本研究内容的重卡桥壳加工设备能够满足典型重卡桥壳的加工工艺要求，实现重卡桥壳的精密加工，并达到了重卡桥壳的指标要求；从工艺能力的数据结果对比可以看出，重卡桥壳加工设备在加工精度以及加工效率等方面与国外先进产品已达到同等加工性能。该类设备的研究填补了重卡桥壳工序集中工艺国内设备的空白，成为国内重卡桥壳加工工序集中工艺方案首创者。有力地挡住了进口机床的进入，提升了国内重卡桥壳制造能力和水平。