■國(guó)營(yíng)第236廠(重慶 402264)姚 健 王 嶸 彭小明
在某產(chǎn)品零件(見(jiàn)圖1)試制期間,零件螺旋加工是用C6132臥式車床來(lái)完成。由于某產(chǎn)品零件有一條無(wú)頭無(wú)尾的螺旋,螺距大(7 mm)、螺旋槽寬且深,并為盲孔內(nèi)螺紋,刀具旋背長(zhǎng),加工難度大。加工螺旋時(shí),分粗、精加工。粗車刀具刃口窄,分兩道把余量除去,精車保證加工尺寸。存在的主要問(wèn)題是操作者加工時(shí),精神緊張、易疲勞,且勞動(dòng)強(qiáng)度大,稍不注意就易碰刀,加工質(zhì)量難于保證。
圖1中B點(diǎn)為螺旋起點(diǎn),在41°和19.2 mm 上測(cè)量,尺寸為
為解決產(chǎn)品螺旋加工能滿足批量生產(chǎn)、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、確保加工質(zhì)量、提高工作效率而提出如下解決方法:
圖1 零件簡(jiǎn)圖
(1)數(shù)控加工,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,確保加工質(zhì)量。
(2)改粗、精兩道加工為一次加工,提高工作效率,來(lái)滿足批生產(chǎn)要求。
數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱,亦稱NC機(jī)床。它具有適應(yīng)強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn),綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果。
數(shù)控車床的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2):由刀架的縱向(Z向)和橫向(X向)運(yùn)動(dòng)組成,分別采用兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),經(jīng)滾珠絲杠到滑板和刀架,不需要掛輪、杠桿等傳動(dòng)部件,傳動(dòng)鏈短精度高。多功能數(shù)控車床是采用直流或交流主軸控制單元(伺服電動(dòng)機(jī))來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸,它可按控制指令作無(wú)級(jí)變速,主軸之間無(wú)需再用多級(jí)齒輪副來(lái)進(jìn)行變速,故數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,其精度和剛度大大提高,能自動(dòng)完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面和螺紋等的切削加工。
數(shù)控車床加工螺紋是靠主軸伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)同步帶輪以及同步帶1∶1地傳到脈沖編碼器。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí),脈沖編碼器便發(fā)出檢
圖2 普通數(shù)控車床的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)
測(cè)脈沖信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng),使主軸電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)與刀架的切削進(jìn)給保持同步關(guān)系,即實(shí)現(xiàn)加工螺紋時(shí)主軸轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn),刀架向
Z
向移動(dòng)1個(gè)工件導(dǎo)程的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
在數(shù)控機(jī)床上車螺紋時(shí),無(wú)論是G33(螺紋切削)、G76(螺紋切削復(fù)合循環(huán)),還是G92(螺紋切削循環(huán))都是沿螺距方向的Z向進(jìn)給與機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)保持嚴(yán)格的速度比關(guān)系。但是,在數(shù)控機(jī)床上車螺紋,由于有車螺紋前進(jìn)給機(jī)構(gòu)的加速或車螺紋后進(jìn)給機(jī)構(gòu)的減速切削過(guò)程,為此要有引入距離δ1和超越距離δ2。如圖3所示,δ1與δ2的數(shù)值與機(jī)床拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有關(guān),與螺紋的螺距和螺紋的精度有關(guān)。一般δ1為2~5 mm,對(duì)大螺距和高精度的螺紋取大值;δ2一般取為δ1的1/4左右。即:在數(shù)控機(jī)床上車螺紋時(shí),螺紋頭和螺紋尾是一個(gè)變螺距的區(qū)間,無(wú)嚴(yán)格的、固定的、規(guī)定螺距,故不適應(yīng)于該螺旋的加工。
該產(chǎn)品如果采用盲孔內(nèi)加工,切屑無(wú)法排除,易造成卡刀和切屑劃傷工件內(nèi)表面,且不利于觀察,容易撞刀,存在使操作者在加工過(guò)程中,精神緊張、易疲勞、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題,加工質(zhì)量也難于保證。
若開(kāi)口加工,解決了排屑和觀察問(wèn)題。但操作者的緊張勞動(dòng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大和單邊切削問(wèn)題沒(méi)有得到解決,所以必須用數(shù)控來(lái)解決上述問(wèn)題。這就提出了一個(gè)數(shù)控設(shè)備的改造問(wèn)題。
前述數(shù)控車床不能加工該螺旋,是因?yàn)樵撀菪?、要求高,且在一個(gè)狹小的空間內(nèi)加工,沒(méi)有足夠讓位空間,讓數(shù)控車床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速或減速的過(guò)程。所以,我們必須找一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)滿足這類螺旋的加工。
用銑床數(shù)控加工系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)來(lái)滿足這類螺旋的加工。銑床數(shù)控加工系統(tǒng)由3個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),分別控制X、Y和Z三軸。假如我們把控制Y軸的伺服電動(dòng)機(jī)放在車床主軸上,用來(lái)控制主軸的旋轉(zhuǎn)(用單位脈沖的轉(zhuǎn)角來(lái)控制主軸的轉(zhuǎn)角),實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與刀架進(jìn)給的同步關(guān)系來(lái)滿足螺旋加工要求。它為什么能實(shí)現(xiàn)這種同步關(guān)系,是因?yàn)樗鼈兌际遣捎玫耐环N插補(bǔ)關(guān)系,能夠同時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作。它就沒(méi)有在數(shù)控機(jī)床上車螺紋前進(jìn)給機(jī)構(gòu)的加速或車螺紋后進(jìn)給機(jī)構(gòu)的減速切削過(guò)程,能夠輕易實(shí)現(xiàn)螺紋加工前的準(zhǔn)進(jìn)和螺紋加工后的準(zhǔn)退。所以,我們用數(shù)控銑床系統(tǒng)來(lái)改造臥式圓車實(shí)現(xiàn)這一要求。
圖3 切削螺紋示意圖
圖4 銑削系統(tǒng)數(shù)控改造車床的傳動(dòng)系統(tǒng)
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控加工方法解決了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大、易疲勞的問(wèn)題,把簡(jiǎn)單的、重復(fù)的、易疲勞的操作由數(shù)控來(lái)保證,確保了加工的一致性。由于加工螺旋時(shí),螺旋槽寬而深,需要車幾十刀才能加工完成,而每次進(jìn)給只能是0.03~0.06 mm(在半徑方向)。每次進(jìn)給都有一次進(jìn)退刀的過(guò)程,這樣就要求機(jī)床滾珠絲杠精度高、間隙小,外加刀具旋臂長(zhǎng)、接觸寬、剛性差及讓刀嚴(yán)重,加工出來(lái)的尺寸以實(shí)際編程尺寸差距較大。根據(jù)該螺旋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為克服上述困難可以采用如下加工程序編程:
該程序解決了兩個(gè)問(wèn)題:
(1)每次循環(huán)在半徑方向無(wú)退刀,這樣就消除了X方向上的間隙誤差,對(duì)機(jī)床滾珠絲杠無(wú)特殊精度要求的問(wèn)題,使加工尺寸以實(shí)際編程尺寸相一致。
(2)X軸無(wú)進(jìn)給循環(huán)消除了因系統(tǒng)剛性不足而造成的讓刀現(xiàn)象,也為加工尺寸與實(shí)際編程尺寸相一致奠定了基礎(chǔ)。
在零件試制期間,零件螺旋加工是用整體成形車刀來(lái)完成。由于某產(chǎn)品零件螺旋距零件端面遠(yuǎn),刀具旋臂長(zhǎng)、接觸寬、剛性差、讓刀、碰刀和斷刀等現(xiàn)象嚴(yán)重,直接影響刀具壽命、刀具成本和批量生產(chǎn)。刀具的質(zhì)量影響著經(jīng)濟(jì)型數(shù)控確定的零件螺旋加工方法的實(shí)施。
對(duì)刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出如下要求:①提高刀具壽命解決刀桿斷裂、刃口崩塌現(xiàn)象。②降低刀具成本解決刀具的重復(fù)使用。
采取優(yōu)化設(shè)計(jì)的刀具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。方案如下:
(1)采用分體式刀具:把刀桿與刀片分開(kāi),降低刀具的制造成本。
(2)刀桿采用9SiCr材料,局部退火,熱處理硬度為63~66HRC,使刀桿既有強(qiáng)度又有韌性。
圖5 專用刀具示意圖
(3)合理選擇刀片材料W18Cr4V及熱處理,硬度為61~64HRC,防止刃口崩塌,可復(fù)磨和重復(fù)使用。
由于熱處理后零件螺旋有微量變形,為了滿足產(chǎn)品尺寸要求,通過(guò)對(duì)熱處理后零件螺旋變形進(jìn)行了反復(fù)摸索,決定對(duì)零件車螺旋工藝螺旋起點(diǎn)尺寸作如下調(diào)整,把40mm 調(diào)整為mm來(lái)滿足產(chǎn)品的需要。
通過(guò)對(duì)臥式車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造——確定的準(zhǔn)啟準(zhǔn)停螺旋加工方案的實(shí)施論證,解決了該產(chǎn)品加工中的技術(shù)難題。該產(chǎn)品通過(guò)幾十萬(wàn)件生產(chǎn),也證實(shí)了其可行性——能保證產(chǎn)品質(zhì)量,能滿足批量生產(chǎn)的要求,極大程度地減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度,刀具的使用壽命得到了提高,降低了刀具成本,已達(dá)到預(yù)期的目的,且在其他產(chǎn)品上得到了廣泛的應(yīng)用。
[1]王愛(ài)玲.現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.
[2]周曉宏.數(shù)控車床操作和編程培訓(xùn)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.
[3]梁炳文.機(jī)械加工工藝與竅門精選[M].北京:中國(guó)石化出版社,2003.