陳桂芳

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南三門峽 472000)

0 引言

鏟斗是裝載機、挖掘機工作裝置的主要構(gòu)件,形如斗型,結(jié)構(gòu)龐大,主體全部由鋼板焊接而成,其上有兩組平行孔系待加工,圖 1為裝載機鏟斗的工序圖,技術(shù)要求是通過鏜孔既要保證各孔的尺寸要求,又要保證兩組孔系間的平行度及各同組孔系的同軸度。

1 傳鏟斗產(chǎn)加工工藝分析

圖 1 被加工零件工序圖

傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝為焊前進行加工和整體組焊后加工兩種方式。

(1)鏟斗焊前加工

將鏟斗的后板、立板與加強板組焊后,作為小部件進行加工,加工后再與其它部件總體拼焊。這種加工方法的優(yōu)點在于小部件鏜孔易于找正、裝夾,同時也縮短了鏜桿的行程,使加工更方便,提高了生產(chǎn)效率,設(shè)備投資小,一般的臥式鏜床上就可以進行加工。雖然鏟斗焊縫大多呈對稱狀態(tài)分布于兩側(cè),采用了合理的焊接工藝,盡可能地減少焊接變形對已加工孔系精度的影響,但仍難滿足越來越高的平行度和同軸度公差要求。

(2)整體組焊后加工

鏟斗組焊后整體加工最先是在落地鏜床上,用螺栓通過鏟斗支承板鉸接孔的工藝孔,把軸承支架分別固定在支承板外側(cè),把較長的專用鏜刀桿穿進兩側(cè)的軸承支架,軸承支架內(nèi)安裝向心關(guān)節(jié)軸承用于支承,鏜刀桿的另一端和機床主軸浮動連接,然后進行加工。這種加工方法由于軸承支架固定在鏟斗自身上,較好的解決了同組孔系的同軸度問題,屬于自定位、導(dǎo)套支承浮動鏜孔工藝。但由于兩組孔系相互之間沒有關(guān)聯(lián),不能糾正因焊接定位誤差和焊接變形造成的兩組孔系不平行問題。

為了解決傳統(tǒng)加的鏟斗產(chǎn)加工工藝不能滿足關(guān)鍵的技術(shù)要求,我們開發(fā)設(shè)計了一種新的加工鏟斗鏜孔的專用機床。

2 鏟斗鏜孔專用機床工藝方案分析

由于鏟斗焊接完成后體積龐大,形狀復(fù)雜,不利定位裝夾,同時由于側(cè)板干涉,使得鏜桿行程過長,導(dǎo)致加工難度增加。為保證兩組孔系的平行度和同組孔系的同軸度,本機床采用有導(dǎo)向的兩面鏜孔工藝,也就是說鏟斗兩組孔系的平行度和同組孔系的同軸度由三套相對位置固定的滑套式鏜模架保證,左鏜模架 5和右鏜模架 9的回轉(zhuǎn)軸線重合且與上鏜模架 8的回轉(zhuǎn)軸線平行。上鏜模架 8可因鏟斗不同而更換,提高了機床的加工柔性。機床兩面同時加工,提高了機床的加工效率。機床布局為臥式雙面結(jié)構(gòu)。鏜刀桿 7通過浮動接頭 4分別與鏜削主軸箱的主軸 3和可變主軸箱的主軸 10相連接。鏟斗的定位夾緊采用手動實現(xiàn),機床總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示。

機床動作：人工將鏟斗正確安裝在機床上,定位夾緊——后兩端機械滑臺快進(主軸啟動)、工進、快退——主軸停轉(zhuǎn),松開夾具卸下鏟斗——進入下一循環(huán)。

3 鏟斗專用鏜床關(guān)鍵部件的設(shè)計

3.1 導(dǎo)向裝置的設(shè)計

3.1.1 導(dǎo)向形式與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的選擇

(1)導(dǎo)向形式的選擇

鏜孔工藝方法分為兩類：第一類為“剛性主”鏜削。類一,鏜桿與主軸“剛性”連接,不用導(dǎo)套、鏜模架導(dǎo)向。第二類為有導(dǎo)向的鏜孔。這類鏜孔鏜桿與主軸通過浮動卡頭連接,鏜桿在導(dǎo)向套內(nèi)做進給運動,其導(dǎo)向形式為三種：單導(dǎo)向懸臂鏜孔、前后雙導(dǎo)向鏜孔和多導(dǎo)向鏜孔。件由于剛性鏜削受鏜桿懸伸長度的限制,考慮到工件外形尺寸大,加工部位難以接近的結(jié)構(gòu)特點,剛性鏜削方案被排除,由于加工部位為二層薄壁的同心孔,二壁相距較近,行程短,所以選擇了單導(dǎo)向懸臂的導(dǎo)向形式。

(2)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)選擇

選擇合理的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是保證鏜刀正常工作的前提。單導(dǎo)向懸臂鏜孔的導(dǎo)向,按旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)置的位置(鏜桿或鏜模架)有“外滾式”和“內(nèi)滾式”兩種。件加,綜合考慮鏜孔尺寸大小,鏜模架外型尺寸受限等因素,選擇“內(nèi)滾式”導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

圖 2 機床總體結(jié)構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)形式有滑動軸承和滾動軸承或兩種。裝有滑動軸承的導(dǎo)向,在潤滑很好時,有較好的抗振性,一般用于精加工;裝有滾動軸承的導(dǎo)向常用于擴孔、锪沉孔、锪端面及鏜孔。在切削負荷較重、切削條件較惡劣、懸臂較長時傳統(tǒng)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)為安裝滾錐軸承,隨著軸承技術(shù)的發(fā)展,成組的角接觸軸承其剛性和旋轉(zhuǎn)精度都超過單個的滾錐軸承。于剛為了確保鏜桿的剛度,選擇三組串聯(lián)角接觸軸承前支承的結(jié)構(gòu)形式。

3.1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

(1)鏜桿直徑的確定

樓梯間內(nèi)隔墻應(yīng)滿足耐火極限2h，且沒有其他的保溫、隔聲或者設(shè)備安裝的特殊要求。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，設(shè)計采用輕鋼龍骨兩面釘耐火紙面石膏板隔墻，墻體構(gòu)造為：2×12 mm(耐火紙面石膏板)+75 mm(Z型鋼龍骨，內(nèi)填50 mm厚容重100 kg/m3的巖棉)+2×12 mm(耐火紙面石膏板)，墻體截面厚度約為123 mm。

鏜孔直徑 D、鏜桿直徑 d、鏜刀截面 B×B之間的關(guān)系：(D-d)/2=(1～1.5)B

設(shè)計時可按表 1選取。

表 1 鏜孔、鏜桿直徑與鏜刀截面(mm)

表中所列鏜桿直徑范圍在加工小孔時取大值;在加工大值徑孔時一般取中值,在導(dǎo)向不良切削負荷重時取大值。

根據(jù)待加工鏜孔直徑 D為 63～90mm,因此,鏜桿直徑選取 60mm。

(2)內(nèi)鏜桿上兩軸承間距離確定

鏜桿懸臂距離 L1由于受工件限制不能縮短,而鏜桿軸頸又受工件孔距、夾具導(dǎo)向及鏜桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)限制不能加大,此時合理選取支承距 L2非常重要。一般L2/L1大約取 1.5～2.5。

本機床待加工孔需懸臂長度 L1為 250mm,則支承距 L2應(yīng)為 375～625mm,選取 500mm。

(3)導(dǎo)向長度的確定

合理選取導(dǎo)向長度確保導(dǎo)向剛性。一般懸臂鏜孔導(dǎo)向長度 L與導(dǎo)向直徑 D1之比為 2～3。

根據(jù)支承距 L2設(shè)計懸臂孔的導(dǎo)向長度,保證導(dǎo)向長度 L與導(dǎo)向直徑 D1之比為 2～3。

3.1.3 鏜模架及鏜刀桿在設(shè)計過程中應(yīng)考慮的主要問題

鏟斗是龐大的結(jié)構(gòu)件,剛其加工部件留給導(dǎo)向裝置的空間尺寸有限,其外型尺寸及結(jié)構(gòu)剛度受到限制,每組的兩個孔跨距較大,鏜刀桿處于長懸臂加工,極易產(chǎn)生振動,為確保鏜削的正常工作,在設(shè)計過程中還應(yīng)考慮以下主要問題：

(1)在滿足加工孔行程的情況下,盡可能縮短鏜刀桿的懸伸長度;

(2)在保證正常排屑的情況下,盡可能加大鏜刀桿直徑;

(3)允況,盡量加大鏜刀桿的導(dǎo)向長度,并盡可能增強鏜刀桿的支承剛性;

(4)鏜刀桿采用減振結(jié)構(gòu);

(5)合理選擇切削參數(shù),避免共振現(xiàn)象發(fā)生。

(6)使用正前角刀片,以降低切削力;減小刀尖圓弧 R,以降低吃刀抗力;采用雙刃平衡鏜削,平衡徑向抗力。

3.1.4 鏜模架及鏜刀桿的設(shè)計

鏜模架是保證機床加工精度的主要部件,為消除主軸與鏜模架同軸的影響,采用浮動卡頭連接,為保證鏜桿剛性,采用三組串聯(lián)角接觸球軸承兩端支承,合理選取鏜桿直徑、軸承跨距和導(dǎo)向長度。圖 3為鏜模架及鏜刀桿結(jié)構(gòu)圖。

圖 3 鏜模架及鏜刀桿結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 可變主軸箱設(shè)計

機床的設(shè)計必須考慮加工柔性,體現(xiàn)可重配置機床設(shè)計的新理念,以適應(yīng)多品種加工的需要,提高設(shè)備利用率,并為生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的任務(wù)需求變化而需要對設(shè)備配置變更提供擴展的空間。鏟斗規(guī)格型號較多,但均為兩組孔系,可以保持下面一組孔系位置不變(可通過調(diào)整下夾具定位面的高度實現(xiàn)),調(diào)整上面孔系的位置實現(xiàn)加工不同的鏟斗。這樣就要求主軸箱的主軸位置應(yīng)根據(jù)具體的鏟斗規(guī)格要求而變化。基于這樣的設(shè)計理念,設(shè)計了主軸可變位置的主軸箱,圖 4為可變主軸箱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 可變主軸箱結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)整方法：需要變動位置的主軸 7安裝在支承套 6內(nèi),支承套 6在箱體上按鏟斗的品種有不同的安裝位置,定位采用一面兩銷,螺母壓緊在箱體前后面上,可變主軸通過萬向節(jié)與齒輪箱輸出軸相連,實現(xiàn)主軸傳動。當改變鏟斗品種主時只需松開螺母,拔出定位銷,移動到需要位置,插入定位銷,擰緊螺母即可。

4 結(jié)束語

鏟斗兩組孔系的平行度和同組孔系的同軸度要求對于龐大的焊接結(jié)構(gòu)件來說,易產(chǎn)生振動,加工工藝性差。經(jīng)過對各種加工工藝分析比較,確定合理的機床方案,開發(fā)出適宜鏟斗鏜孔加工的專機設(shè)備。

[1]大連組合機床研究所.組合機床設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社,1975.

[2]郭鵬飛,高福舉.裝載機鏟斗工藝的改進[J].工程機械,2001,32(10)：38- .

[3]張建成,張子敬.可重配置機床精度測量和補償方法研究[M].機床與液壓,2008(12)：11-15.