起重机转向节的数控车削加工

针对转向节余量大、结构复杂及精度要求高的数控车削难点，从工装夹具、装夹定位和加工方法等方面入手，合理规划切削路线，通过科学的工艺技术，提高了转向节加工质量和加工效率。1

序言转向节是独立悬架系统（见图1）的核心零件，在某新型起重机上承受着多变的冲击载荷，支撑并带动车轮转动，使起重机在行驶过程中转向。转向节分为驱动转向节和非驱动转向节，转向性能受转向节精度的影响较大。我公司自2017年1月以来，对废品转向节进行统计，因尺寸超差的占比达到85%以上，所以需要对转向节的加工工艺进行研究，使其能够满足使用性能，在保证质量的前提下实现批量生产。图1独立悬架系统1—固定螺母2—轮边总成3—转向节盘固定板4—悬挂液压缸5—传动半轴6—主减速器7—V形推力杆8—转向节臂9—转向节本体2

转向节加工技术要求图2为转向节，其质量为58.15kg，目前采用卧式车床进行加工，工艺路线为：来料检验→粗铣→粗车→调质处理→精车→精铣→滚花键→检验入库。转向节属于异形件，各型面和加工尺寸较多，几何精度要求高，主要加工部位包括型腔上下基准面、型腔内腔、各精度孔、锥面、外圆和内孔等。

图2

转向节3

加工难点分析经分析，加工中存在如下难点。1）锻件毛坯粗加工余量大（见图3），轴肩余量相比其他位置更多，且外形不规则，无法实现高效除去余量，车削效率低。图3锻件毛坯粗加工余量大2）转向节几何公差和尺寸精度要求高，采用花盘装夹定位，装夹刚性差，且装夹不牢靠导致车削过程中工件产生微动，造成尺寸精度、几何精度超差。3）转向节内腔不规则，空间位置复杂，加工干涉导致内孔刀具直径受限，车削时易产生振动，其内孔φ80mm轴承座孔相对于基准C-D的径向圆跳动最大变动量为0.005mm，由于采用反车内孔的刀杆受通孔直径限制，刚性差，转向节的内孔加工精度控制困难，且一次装夹车削后，内孔的精度检测正确率低。4）转向节φ110mm外圆处要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，中低速车削很难保证表面粗糙度要求。4

解决思路针对转向节车工序装夹不牢、定位精度差、刚性差及加工精度不易控制等难题，解决思路如下。1）通过心轴装夹或单动卡盘装夹方案，实现转向节在数控车床的定位，解决转向节无法装夹的难题。2）通过建立转向节余量车削模型，借助计算机辅助编程软件优化车削路线，解决车削效率低的难题。3）通过设计制作转向节专用装夹过渡套，实现转向节能够调头装夹，采用阶梯式组合变径镗孔刀解决刚性差和无法测量的难题。5

确定装夹方案1）根据转向节结构特点，在数控镗铣床完成粗铣后，使用普通心轴装夹方案（见图4）粗加工，将自制心轴工装穿入转向节φ76mm、φ50mm台阶孔，通过锁紧螺母实现转向节在数控车床上的定位装夹，依靠卡盘夹持和心轴端的拨块实现车削时的转矩传递，并在卡盘处安装配重平衡块。图4转向节使用普通心轴装夹方案1—配重平衡块2—拨块13—拨块24—心轴5—转向节2）经过初步验证，采用心轴装夹，由于转向节φ76mm、φ50mm台阶孔在数控镗铣床通过U钻和扩孔钻加工，内孔尺寸不稳定，受内孔精度低的限制，仅依靠端面进行锁紧，工件易松动，对转向节的装夹方案有限制，且每次都需拆卸拨块2，拨块2也有松动的隐患。3）采用单动卡盘装夹方案（见图5），考虑到转向节可夹持的位置均远离卡盘，经测量，需要将卡爪长度增加约300mm，标准卡爪不能满足要求，通过重新设计制作卡爪，增加夹持刚性，上道工序粗铣时还需要将平面铣出，增加卡爪与工件的接触面积。图5转向节单动卡盘装夹方案4）转向节轴向定位（见图6）采用分体式定位工装，即在本体上实现与转向节接触部位可更换，安装工装本体时需要进行轴向圆跳动、径向圆跳动找正。此装夹方案可满足驱动转向节和非驱动转向节的粗、精加工的装夹定位要求。图6

转向节轴向定位6

优化工艺路线6.1建立转向节零件模型随机抽取5件转向节毛坯进行测量，在不同位置选取5组数据进行零件毛坯模型的建立，通过比对锻造毛坯的直径，发现采集点的工序余量大小相对较为均匀。转向节毛坯坐标点采集数据汇总见表1。将各项影响因素综合分析计算[1]并在数控车床上找正后，最高点与最低点的落差为2.5～3.0mm，可将最终建模毛坯外径增大4～6mm。图7

转向节毛坯采集点表1

转向节毛坯坐标点采集数据汇总

单位（mm）6.2粗加工考虑到机床卡盘直径大、离心力大等因素，可将安全系数设置为0.8，推荐切削速度vc=131m/min，转速n=238r/min，背吃刀量ap=3.5mm，进给量f=0.4mm/r。可使用CAXA数控车软件编程和手工编程相结合的方式来编制转向节加工程序。粗加工时，建议使用顶尖辅助顶紧工件，顶紧前需要在φ52mm内孔端面处进行60°倒角，方便顶针顶紧工件，防止工件内孔与尾座不同心，可避免工件在加工过程中出现松动。6.3精加工转向节精加工受其结构形式限制，按一般的工艺顺序应该先内后外，即先加工内孔部分，再车外圆。但内孔若采用抗振阻尼刀杆进行反向车削，则存在刀杆直径受限的问题，易引起车削振动，φ80mm内孔加工完成后还存在无法测量等问题。（1）外圆和端面止口的精加工考虑到外圆加工需要控制φ110mm、φ93.864mm等6处外圆尺寸，按先后顺序分刀车削，其中φ110mm外圆要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，受离心力、线速度低的影响，通过车削外圆表面不易达到工艺要求，此处可采用滚压工艺替代车削，可将φ110h7外径公差车至0～+0.01mm范围内，再通过单针滚压刀实施滚压后，使用便携式表面粗糙度测量仪测得表面粗糙度值Ra=0.423μm，符合工艺技术要求。转向节外圆精加工车削和滚压切削参数见表2。表2转向节外圆精加工车削和滚压切削参数将机床尾座退至安全距离后，使用内孔刀车φ56mm孔至尺寸要求并按要求倒角，因工件悬伸较长，为保证内孔加工质量，内孔车刀需缩至最短（若刀杆过长，可切除多余部分），尽量选择正前角锋利型的刀片。（2）转向节二次装夹和过渡保护套若调头后直接装夹工件，则易破坏转向节的表面粗糙度，需要制作过渡保护套。保护套材质选用QT450-10球墨铸铁，考虑到装夹牢固和安全性，可使用阶梯式开口保护套（见图8）。转向节二次装夹找正如图9所示。图8阶梯式开口保护套

图9转向节二次装夹找正（3）转向节φ80mm内孔精加工及控制方法转向节φ80mm内孔以内沟槽为分界线，需要分别控制，可按先内后外的顺序，先加工最小尺寸的孔，再控制靠近端面处的φ80mm孔，由于受转向节结构形式影响，内孔刀杆既要满足悬伸长度400mm，又要避免加工时φ52mm底孔干涉问题，优先选用直径40mm的10倍径抗振阻尼镗杆，可通过外转内冷的方式，即将切削液接入刀杆，实现切削时充分冷却，避免温升对内孔尺寸产生影响，切削时采用恒定余量加工方式，即第一刀精加工余量0.5mm，第二刀和第一刀余量相等，便于内孔尺寸控制。精加工完成后，采用内沟槽刀将φ83mm槽切出。检测时，考虑到其公差范围只有0.019mm，推荐使用内径千分表检测，为保证检测结果的正确性，检测时需要在同一截面内进行多点测量。7

结束语转向节的余量大、结构形式复杂，几何精度和尺寸精