摘 要

转向节铸件的清理工序，国内大多数企业仍以传统的锤击和砂轮研磨的方式为主。这种清理方式存在诸多问题：效率低下、安全隐患严重、成品质量无法保证、工人劳动强度高且作业环境恶劣，这些都无法和造型及浇注的高效率相适应，严重影响了造型线的效率发挥。为了能够满足企业自动化高效生产以及降低人力成本的需求，现提出转向节披缝清理专用机床的设计。本文主要工作如下：

1. 研究了转向节铸件（毛坯)的结构特点，分析了对其披缝清理的难点，提出了一种高效且易于实现的工艺方案。
2. 设计了一种可翻转专用夹具，实现了在一次装夹的情况下对铸件正反两面的清理。
3. 提出了转向节披缝清理专用机床（包含两个工位）总体设计。
4. 应用Solidworks软件对一工位机床、可翻转夹具、二工位机床、二工位夹具进行虚拟设计，得到它们的三维模型。
5. 选型及校核机床关键部件，对滑台结构进行有限元分析。

研究结果表明，对转向节披缝的清理工艺方案和专用机床的设计合理，对两个专用夹具的设计可以满足加工需求，选用的机床部件可靠性高，具备工程应用条件。

关键词：铸件清理；专用机床；夹具设计；有限元

Abstract

The majority of domestic enterprises are still using traditional hammering and grinding the grinder as the main method to clean the steering knuckles, this cleaning method has many problems: inefficiency, serious security risks, no guarantee for the quality of finished products, high labour intensity and poor operating environment for the workers. These problems make it hard for the method to adapt to the high efficiency of the shaping and pouring processes, therefore seriously reducing the efficiency of the modelling line. To be able to meet the needs of enterprises’ automated and efficient production and reduce labour costs, we now propose the design of a machine tool dedicated to the cleaning of steering knuckles. The main work of this paper is as follows:

1.Studying the structural characteristics of the castings of steering knuckles (blank), analysing the difficulty of cleaning the apertures, and presenting an efficient and easy-to-achieve process plan.

2.Designing a reversible specialized fixture, achieving the goal of cleaning both sides of a casting part in one clamping.

3.Presenting the overall design of the specialized machine tool (including two work stations) for the cleaning of apertures of steering knuckles.

4.Using Solidworks software to complete the virtual design as well as the three-dimensional models of one-work-station machine tool, reversible fixture, two-work-station machine tool and two-work-station fixture.

5.Selecting and checking the key components of the machine tool, carrying out finite element analysis towards the slide table structure.

The results showed that the process plan and design of the specialized machine tool for the cleaning of the apertures of steering knuckles are reasonable. The design of the two specialized fixtures can meet the processing requirements. The mechanical parts chosen are highly reliable and have the conditions for engineering application.

Key Words：cleaning of castings; specialized machine tool; fixture design; finite element

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 研究的目的和意义 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 设计的主要内容和目标 3

第2章 工艺方案设计 4

2.1 被加工零件的分析 4

2.1.1 转向节铸件的特点 4

2.1.2 转向节铸件打磨的技术要求 5

2.2 转向节铸件打磨工艺的分析及确定 6

2.2.1 打磨工艺设计的难点 6

2.2.2 工艺路线制定原则 6

2.2.3 加工方法的选择 6

2.2.3 工艺路线方案的确定 7

2.2.4 刀具的选择 7

2.2.5 切削用量的选择 8

第3章 夹具设计 9

3.1 一工位锪钻加工可翻转专用夹具设计 9

3.1.1 定位支承系统的设计 9

3.1.2 夹紧方案的设计 10

3.1.3 翻转机构的设计 10

3.1.4 应用Solidworks一工位夹具的虚拟设计 11

3.2 二工位铣削加工专用夹具设计 12

3.2.1 定位支承系统和夹紧方案的设计 12

3.2.2 应用Solidworks二工位夹具虚拟设计 13

第4章 打磨专机的总体设计 14

4.1 一工位打磨专机的总体布局 14

4.1.1 总体布局的基本要求 14

4.1.2 机床结构形式分析 14

4.1.3 总体布局方案 15

4.2 主运动系统和进给系统的方案确定 15

4.3机床结构介绍 16

4.3.1一工位机床结构组成 16

4.3.2机床部件介绍 17

4.5应用Solidworks一工位专用机床虚拟设计 18

4.6 二工位机床设计简要说明 19

第5章 机床关键部件的选择和校核 21

5.1一工位导轨选型校核 21

5.2一工位丝杠螺母副选型以及校核计算 24

5.3一工位电主轴主要参数选择 28

5.4一工位滑台有限元分析 29

第六章 结果和展望 33

6.1论文总结 33

6.2展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

转向节（Steering Knuckle）也称“羊角”，是汽车转向桥中的重要零件之一，它的作用是保证汽车稳定行驶并传递行驶方向。转向节是一种用来传递并负荷汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向的零件。铸造毛坯是转向节的一种生产方式。转向节铸件分型面或芯头部位会产生一些金属薄片，这些金属薄片需要被清理掉^[1]。铸造作为一种毛坯的制作方法被广泛采用，绝大多数铸件都是通过后续机械加工才成工件成品的。铸件披缝清理是铸件后加工工艺中必不可少的一环^[2]。然而随着工业自动化程度的提高，传统人工转向节铸件清理方式无法满足需求，甚至还会导致人力资源紧张等社会问题。在这样的情况下，作为机械专业的学生，研究和设计铸件清理专用机床，提高其自动化程度，切实解决生产生活中的困难是在中国制造2025倡导智能制造，绿色制造的大背景下尽自己的努力。

1.2 研究的目的和意义

转向节铸件的清理工序，大多数企业还是以传统的锤击和普通砂轮研磨的方式为主，这种方式存在诸多问题^[3-5]，比如低下的工作效率、较强的劳动强度、恶劣的作业环境、安全隐患严重、成品质量无法保证、及由此造成的人力资源紧张等，这些都难以与造型及浇注的高效率相适应，严重影响了造型线的效率发挥。如何提高转向节铸件披缝甚至各类铸件的清洗工作效率是目前迫切需要解决的问题。

专用机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率较高。并且由于通用零部件大多已经实现标准化,可根据情况灵活配置。因此专用机床兼有设计和制造周期短和效率高的优点,在大批量生产中得到广泛应用。铸件清理专用机床有在恶劣环境中持续工作能力，可以有效代替人工在粉尘、空气污染、高温和噪声等环境中的高强度劳动。因此，转向节披缝清理专用机床的设计和开发具有重要的意义^{[4、6、7、8、9]}。

1.3 国内外研究现状

国外依靠发达的工业基础，开发出了一系列铸件清理设备，投入使用后取得了良好的效果：既提高了基本上可以与快速的造型效率相匹配生产效率，又减轻了工人的劳动强度，改善了作业环境^{[10、11、12]}。德国BMD公司生产的全自动抛丸清理设备技术先进和具有代表性，利用工业机器人高柔性化特点实现对汽车缸铸件的全自动清理。德国Automobilguss Gmbll公司的新生产线上使用工业机器人基本实现各类铸件清理的自动化，甚至完全实现了轴类铸件，悬架铸件和底盘铸件清理操作自动化。法国的SIIF公司开发出工作台自动旋转切削设备，用来对大批量铸件做清理，其中3工位切削设备可以对披缝进行清除，4工位切削设备可以完成铸件进行多方向切削和铁芯等支撑件拆除部位的清理。SIIF公司运用锯割系统（带锯和圆盘锯）可以对发动机缸盖、框架横梁、悬臂梁、转向节、发动机缸体等一系列铝铸件进行清理和切割，如图1-1。该公司在近几年积累了先进的机器人清洗技术，运用机器人清理单元可以分别对铝铸件和钢铁铸件进行披缝切削、浇住系统切割、局部粗加工等，这种清理单元采取刀具静止，机械人夹持毛坯相对运动的浮动式铸件清理方法，如图1-2。但国外设备价格普遍昂贵，难以在国内普及和广泛应用。