履带XDL317主销轴精车加工设计

履带XDL317主销轴精车加工设计

 ,王国防

  徐州徐工履带底盘有限公司   江苏省徐州市  221000

摘要：制造合格的履带主销轴，要经过多道工序的加工。如何减少工件上、下机床装夹次数和时间，就成为增速提效的关键。为了提高生产效率，减少不必要的装夹时间，提高产品的加工精度。重新设计主销轴加工工艺就成为首要之选。通过对以往工艺的分析和总结，从精车工序下手，设计出了新的装夹工艺，在实际应用中效率提升效果显著。

关键词：主销轴装夹加工精度效率提升

引言

履带总成是我公司主打产品，是由销轴、销套、链轨节和履带板组成，每条履带在挖掘机上组装时都需要一根主销轴来连接，组成一条完整的履带，主销轴的质量关系着挖掘机是否能正常运行。因为主销轴每次都是单独批量生产，为了不影响常规产品的生产，就要求其加工时间短，并保证加工精度，而现阶段精车加工需要多次装夹车削，工序拖拉，加工过程的中间环节较多，加工精度也无法满足工艺要求，为了提高生产效率和加工精度，就要求我们改进装夹方法。

一、零件加工分析

1.1由图纸可知，XDL317主销轴精车工序分两次加工精车1与精车2，毛坯是φ62×323.4（毛坯两端已铣完端面，并在两端打好中心孔），材质是42CrMn，调制热处理后表面硬度22-28HRC（通过用150Kg载荷和钻石锥压入器，测得洛氏硬度22-28）。主要是由外圆、圆弧倒角和两端的槽组成，其形状和结构看似简单。其中外圆和两端的槽不能够一次车削加工出来，需要多次掉头装夹。由于形位公差和位置精度要求也很高，两次装夹无法满足工艺要求。                                                             

图1    履带总成

                        图2  XDL317主销轴精车图纸

图3  XDL317主销轴

1.2加工要素分析

1.2.1由于主销轴在整条履带中起到连接作用，又是最后安装，因此装配精度要求较高，还要求其本身具有抗磨和抗拉的特性，以往用其他材质直接加工出来的主销轴，使用不久就会出现磨损和断裂的情况，无法满足客户需求。所以在毛坯精车前需要先调制热处理，在高温850℃的炉内加热4小时，并高温470℃回火3小时，其目的是：1、获得分布均匀、颗粒细小、形状圆整的碳化物，增加工件强度。2、有效地克服粗大珠光体、二次碳化物网或者轻微带状偏析，获得良好的金相组织。3、充分消除残余应力，减少后面淬火变形。4做预硬化处理，提高工件的综合机械性能，形成本身的强度。

1.2.2调制好的毛坯需要在数控铣打机上铣削两端面，该设备采用的是双向液压自定心夹具，两边刀盘同时进给铣削工件两端面，可以确保后续加工的基准面，并控制工件总长234.3±0.1mm。铣削两端面后，两边的中心钻在工件两端中心钻孔，中心孔使用的是A5中心钻，中心孔的小径d为5mm,大径D1为10.5mm(图4）

中心钻中心孔

图4   主销轴铣端面打中心孔

1.2.3精车工序分两次加工，精车1利用数控卧式车床加工，主要是加工两端外圆尺寸φ60.1，中间外圆尺寸φ59.6及两端圆弧R30，端面还有圆弧R3圆角。

1.2.4精车2部分主销轴经过几道工序后，最后是在两端开槽，槽宽2.2mm,槽直径为φ57,尺寸精度和位置精度要求较高的有同轴度0.04mm、圆柱度0.03mm、垂直度0.03mm等。

二、加工工艺分析

2.1工艺路线

表1加工工艺路线

由表1可知主销轴的加工工艺路线为：

精车1→淬火→回火→探伤→精车2

1.精车1

精车1工序由卧式数控车床加工（图5），采用传统的液压三爪卡盘和液压尾座，一夹一顶装夹。首先加持一端，车削外圆尺寸φ60.1至工件三分之二处并倒圆弧角，再掉头夹持已车削好外圆加工另一端外圆，下挖中间外圆φ59.6及圆弧R30，需要两次掉头装夹，每次使用百分表打表找正，减少工件的跳动。

图5  主销轴装夹

表2  主销轴精车1加工工艺内容

2.淬火

工件精车后在高频淬火机床上由两顶尖夹持（图6），通过扫描式感应加热，淬火后的工件表面硬度由原先22-28HRC提高到56-59HRC,淬硬层深度达到6-12mm，目的是进一步提高工件的硬度、强度和耐磨性。

                          图6  主销轴淬火

3.回火

主销轴的回火设备采用的是连续式热风回火炉（网带炉），工艺采用低温回火，温度设置180℃，保温时间180分钟，工件从进料端进入中间经过四个加热区，从出料端出来，慢慢冷却至室温。回火的目的是：1、消除工件淬火时产生的残余应力，防止变形和开裂。2、调整工件的强度、硬度、塑形和韧性，达到使用性能。3、稳定组织与尺寸，保证精度。4、改善和提高加工性能。而低温回火的目的是保持工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残余应力和脆性。回火后洛氏硬度52-55HRC。

4.精车2

回火后的主销轴经过探伤工序后，再精车两端外圆φ60.1至尺寸φ59.8，并在两端开槽，使用的还是卧式数控车床，装夹依旧是一夹一顶，先夹持一端外圆φ59.8*50，通过百分表找正，将工件旋转观察跳动是否满足工艺要求0.05mm。使用外圆车刀车削一端外圆，切槽使用的是切槽刀，刀的宽度是2mm,先切一端，然后掉头装夹，同样用百分表找正，车外圆再切出另外一个槽，同时保证各个尺寸和同轴度、垂直度。

表3  主销轴精车2加工工艺工序内容

二．精车工序存在问题分析。

2.1由上述加工工艺分析过程可知，精车1和精车2工序都需要两次调头装夹，每次都需要用百分表找正，要花费大量的时间和精力，效率低下。两次精车工序调头装夹，刀具都需要重新对刀Z方向，采用的依旧是刀具贴近工件，为了不伤害已加工表面，往往存在较大的误差，重新对刀效率低下，无法满足主销轴的生产节奏，还无法保证一端外圆φ60.1长度尺寸和圆弧倒角R3。

2.2由于采用的是液压三爪卡盘，用一夹一顶装夹，夹紧力大，用百分表找正也无法像普通三爪卡盘微调，需要经过多次调整，对实际加工过程来说很不方便。

2.3精车2工序有较多的位置精度要求，两次装夹切槽，工件跳动量在0.06-0.12mm，圆柱度和同轴度公差无法保证工艺要求。如下图同轴度测量原理，简单的理解就是工件上要求在同一直线上的两根轴线，它们之间发生了多大程度的偏移。同轴度误差是反映在横截面上的圆心的不同心。为了提高测量精度和效率，采用三坐标测量同轴度误差，通过测量同轴度误差结果。圆柱度是指任一垂直截面最大尺寸与最小尺寸差，其误差包含了轴剖面和横截面，也是采用三坐标测量法，如图7所示。

  同轴度测量原理图

圆柱度

三坐标测量圆柱度

图7  同轴度与圆柱度

2.4由于工件经过淬火工序，淬火后表面硬度HRC>50。在实际的机械加工生产中，对淬火钢的加工，传统的方法是采用磨削。但是为了提高加工效率、解决工件形状复杂而不便磨削和淬火后变形或磨削余量大等问题，就必须采用刀具来切削。由于淬火钢的硬度高、脆性大、强度高、导热系数低，造成在切削时的切削力大、切削温度高、刀具易磨损并出现打刀的情况。在精车2车外圆加工过程中容易出现让刀现象，产生较大的振纹，影响表面粗糙度。

淬火钢在切削时的特点：

（1）硬度和强度高，几乎没有塑性，这是淬火钢的主要性能特点。当淬火钢的硬度达到50～60HRC时，它的抗拉强度Rm为2100～2600MPa，属于最难切削的材料。

（2）切削力大，切削温度高。要从高硬度、高强度的工件上切下切屑，其单位切削力Kc可达4500MPa，切削温度比切削一般钢材高50%以上。

（3）不易产生积屑瘤。由于淬火钢的硬度高、脆性大，切削温度高于产生积屑瘤的条件，故不会产生积屑瘤，可以获得较低的表面粗糙度值。

（4）刀具易崩刃和磨损。由于淬火钢特性，切削时的切削力和热集中在刃口附近，所以易造成刀具崩刃和磨损。

2.5在主销轴两端开外槽，加工难度大，除了硬度高，槽宽2.2mm不好控制,槽底硬度较高在加工过程中容易产生振刀现象，粗糙度1.6无法保证，槽和外圆接触由圆弧倒角R0.5，槽底和两壁接触圆弧R0.2，由于干涉不易满足尺寸。

综上所述，主销轴的精车加工工序主要问题就是两次装夹，需要找正，重新对刀效率低下，同时对于同轴度、圆柱度无法保证，淬火后工件外圆车削和切外槽难加工，因此解决这个问题需要从工装夹具下手，而原本使用的液压三爪卡盘无法满足加工要求，

并改进加工参数，现对于夹具要重新设计。

三、工装设计思路

带着以往精车加工过程遇到的问题，结合工艺图纸要求，整理出新的工装设计思路如下：

3.1工装的设计追求“正、牢、简、快”。精车1工序车完一端外圆φ60.1后，需要掉头装夹，车削另外一端外圆，现需要一次装夹完成所有车削加工，即使用两顶尖夹持，需要主轴顶尖和尾座顶尖配合，一次装夹完成两端外圆φ60.1，端面圆弧倒角R3，中间外圆φ59.6及圆弧R30车削。

表4  主销轴精车1新加工工艺内容

3.2.使用主轴顶尖和尾座顶尖装夹，无需像以往一样使用百分表找正，大大减少装夹找正时间。

图8  主销轴两顶尖装夹

3.3两顶尖有自定心功能，装加后在车削加工精车2中保证两端槽和端面的位置精度，满足工艺要求。

   表5  主销轴精车2新加工工艺内容

3.4使用两顶尖加工，可以满足一次装夹，对于原先的液压三爪卡盘需要设计更换，卡盘与主轴通过拉杆连接，主轴孔为莫氏锥度，设计顶尖后端为莫氏锥度可以安装在主轴孔上。

3.5主轴顶尖与尾座顶尖配合，同时主轴顶尖设计即装夹牢固，还能将主轴产生的扭矩传递到置于两顶尖之间的被加工工件上，是工件装夹更加牢固可靠。

3.6淬火后车外圆和切外槽的改进方法，切削淬火钢的切削用量，主要根据刀具材料、工件材料的物理和力学性能、工件形状、工艺系统刚度和加工余量来选择。首先确定合理的切削速度，其次是切削深度，再其次是进给量。

（1）切削速度。硬质合金刀具，vc为30～75m/min；

（2）切削深度。一般根据加工余量和工艺系统刚度来选择。一般情况下，ap为0.1～3mm；

（3）进给量。一般fz为0.05～0.3mm/r。在工件材料硬度很高或断续切削时，应减小进给量，以防刀具崩刃。

图9  主轴顶尖结构图

四、工装结构

4.1中心顶尖对工件进行定心定位，周围驱动刃通过吃入工件端面，将机床主轴的驱动力传递给工件，使其一次装夹完成整体车削。此主轴顶尖由定心顶尖、驱动刃、浮动盘、推杆四部分组成，主轴顶尖的定心顶尖是固定的，驱动刃装在浮动盘，浮动盘和推杆连接，推杆可通过浮动盘带动驱动刃轴向伸缩。当工件端面不平整时，浮动盘摆动，起到补偿作用，使3个驱动刃均匀地接触工件端面。主轴顶尖夹具与主轴通过莫氏锥连接，

4.2使用主轴顶尖的优势：1、一次装夹完成各外圆、倒角装夹，大大缩短了装夹时间，和传统的液压卡盘装夹相比加工效率提高2倍以上。2、由于不需要再次装夹，同轴度和圆柱度更有保证，确保满足装配工艺要求，减少废品率。

图10一夹一顶装夹示意

五、效益分析及结论

5.1时间效益：

在主销轴实际生产中，精车1和精车2工序无需掉头二次装夹。节省了二次工件上、下机床和打百分表校正的时间（大约11分钟）。节约了多次对刀和程序启动车削时间（2分钟）。节约了人员多次测量工件的时间（平均每工件2分钟）。使用主轴顶尖一次装夹,利用程序编程一次车削完成，可以提高刀具利用和切削效率。新、旧夹具对比，加工一件主销轴，合计节约时间在15分钟左右,约占每班次工作时间的3%。

时间效益=1/4小时/件×25元/小时×4000件/年=25000元/年

零废品降本=4000件/年×5%×120元/件=24000元/年

5.2质量效益：

一次装夹不仅带来了产品生产效率的提升，还大幅减少因装夹带来位置精度的影响。由于主轴顶尖安装简单方便，可以快速拆卸切换其型号产品的加工，从而保证在确保产品质量的情况下，提前完成加工任务。

此工装装夹精度高，确保精车2工序工件的同轴度和圆柱度要求，对后面最后装配工序安装卡簧起到至关重要的作用，卡簧在两端起到固定的作用，对位置精度要求高，延长主销轴的使用寿命。

图11  卡簧安装位置示意图

5.3结论：

主轴顶尖一次装夹加工工装的使用，经过现场加工生产的验证，提高了主销轴生产效率和产品质量，大幅降低了生产时间，各项要求均达到了先前预期目标。下一步，我们将以此为经验，对主轴顶尖进行进一步改善，让其适用于不同型号主销轴的加工生产，减少装夹和找正的时间，既保证产品质量，减少不良品的出现，又能提高刀具利用效率。主轴顶尖还需要不断改进优化，提高耐用性和长期使用稳定性，满足现场批量生产。

参考文献

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