工程陶瓷材料異形工件切削加工專用車床研制

龔肖新 張衛(wèi)國(guó) 李 明

(①蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215104;②湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢432200;③蘇州維捷自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，江蘇蘇州215128)

鋼包水口工程陶瓷制品屬于管套類工件，其外形由多種復(fù)合型面組成，尺寸各異;為了滿足上下水口及快換機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部位的連接、配合、密封等要求，此類工件經(jīng)壓制成型和燒結(jié)后，還需采用車削加工。由于待加工工件采用耐高溫的工程陶瓷材料，其強(qiáng)度高、硬度大、耐磨性好，對(duì)切削加工提出了較高要求，尤其在選用加工設(shè)備時(shí)遇到一些問題。如果采用普通數(shù)控車床，雖然可以自動(dòng)完成各種復(fù)合型面的輪廓車削加工，但工程陶瓷材料的粉末狀切屑導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)動(dòng)副磨損加劇，難清洗、保養(yǎng)，機(jī)床維護(hù)困難，且機(jī)床導(dǎo)軌磨損后修復(fù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。為了保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，可以研制數(shù)控化專用車床，使其既具有自動(dòng)化程度較高的數(shù)控車削功能，又具有良好的防塵保護(hù)功能，保證生產(chǎn)能正常進(jìn)行，而且設(shè)備能維持較長(zhǎng)的使用壽命。

1 總體方案確定

以普通車床的床身和主軸箱為基體，配置必要的機(jī)械和電氣部件。

(1)機(jī)械部分:采用滾珠絲杠和精密直線導(dǎo)軌取代滑動(dòng)絲杠和普通導(dǎo)軌，既可以提高傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，又便于安裝切屑防護(hù)罩起到良好的運(yùn)動(dòng)副保護(hù)功能;刀架傾斜安裝，有利于排屑;尾座采用氣缸驅(qū)動(dòng)，便于工件裝拆與夾緊。

(2)電氣部分:采用變頻器控制主軸轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速;采用可靠性較強(qiáng)的數(shù)控系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行電氣控制。機(jī)床總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 機(jī)械關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)給機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌的選用

普通車床進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用的傳統(tǒng)螺紋絲杠副，絲杠與螺母間直接作用，摩擦阻力大、易磨損、效率低。本機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)選用臺(tái)灣HIWIN公司生產(chǎn)的滾珠絲杠副DFUR5010-4-D-FC7-L2434.5-P2和DFUR3205-4-D-FC7-L740-P2分別驅(qū)動(dòng)刀架縱、橫向進(jìn)給，由于以摩擦阻力極小的滾動(dòng)摩擦代替了傳統(tǒng)絲杠的滑動(dòng)摩擦，使?jié)L珠絲杠副傳動(dòng)效率達(dá)到90%以上，發(fā)熱率大幅降低，而且傳動(dòng)精度高，使用壽命長(zhǎng)。

機(jī)床導(dǎo)軌采用臺(tái)灣HIWIN公司生產(chǎn)的BRH型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。此導(dǎo)軌具有高精度、高負(fù)載能力、高剛性、高可靠度、全密封防塵、運(yùn)動(dòng)平順、低噪聲、安裝容易等優(yōu)點(diǎn)。為了提高刀架縱向進(jìn)給支承導(dǎo)軌剛性，本機(jī)床設(shè)計(jì)并安裝了上、下兩個(gè)平行直線導(dǎo)軌，而且為了減少切屑粉塵的堆積，將導(dǎo)軌垂直布置于機(jī)床后側(cè)，如圖1所示。

2.2 切屑防護(hù)罩的訂制

為了防止陶瓷粉末切屑落入運(yùn)動(dòng)副和導(dǎo)軌表面，造成加劇摩擦磨損等不良后果，在縱、橫向?qū)к?，絲杠和尾座外部，訂制了柔性風(fēng)琴式防護(hù)罩。圖2所示為縱向進(jìn)給裝置防護(hù)罩的主要尺寸與安裝情況。此防護(hù)罩具有行程長(zhǎng)和壓縮小的優(yōu)點(diǎn)，另外還具有硬物沖撞不變形、壽命長(zhǎng)、密封好和運(yùn)行輕便等特點(diǎn)。

2.3 刀架的布置與安裝

車床刀架采用后置式，床身傾斜30°，橫向?qū)к壓偷都軆A斜，使得機(jī)床的操作和排屑都很方便，并且占地面積小，有很好的宜人性。

2.4 尾座驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

由于工件依靠長(zhǎng)芯棒定位和尾座頂端成型端面夾緊，依據(jù)工件裝卸的需要，本車床尾座除了完成縱向夾緊與松開動(dòng)作之外，還需要實(shí)現(xiàn)橫向進(jìn)、退運(yùn)動(dòng)，而且加工過程中還需保證尾座與床身之間的相對(duì)固定，為此設(shè)計(jì)了尾座氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，其布置情況如圖3所示。采用氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)尾座運(yùn)動(dòng)和定位，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

3 電氣部分配置

重新設(shè)計(jì)電控柜，配置數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、變頻器以及配套輔助電器等，使電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、維修方便。

3.1 數(shù)控裝置

采用NUM公司的POWER1020數(shù)控系統(tǒng)，配置彩色9英寸W0800液晶顯示器、操作鍵盤、機(jī)床控制面板和手搖脈沖發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程、自動(dòng)化加工，性能穩(wěn)定，操作方便。

3.2 主軸控制系統(tǒng)

主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用11 kW三相異步交流電動(dòng)機(jī)，加配三菱FR-F740-11kW變頻器控制主軸實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。

3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)

車床X、Z軸分別選用SGMD-15ADA和SGMD-30ADA伺服系統(tǒng)，配置SGMGH-13ACA61和SGMGH-30ACA61伺服電動(dòng)機(jī)，以確保各進(jìn)給坐標(biāo)軸在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

車床電控柜內(nèi)部電氣系統(tǒng)布置如圖4所示，專用車床實(shí)物如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)技術(shù)改造與創(chuàng)新研制而成的數(shù)控化專用車床，解決了工程陶瓷材料在加工過程中的切屑干擾問題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合成形曲面的自動(dòng)化高效加工。此設(shè)備用精密直線導(dǎo)軌取代普通滑動(dòng)導(dǎo)軌，一方面便于在滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌外側(cè)安裝切屑防護(hù)罩，另一方面更換導(dǎo)軌方便迅速，可以節(jié)約生產(chǎn)輔助時(shí)間。刀架斜置方式不但可以便于排屑而且使機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊。夾緊裝置采用氣缸驅(qū)動(dòng)，節(jié)省功耗，便于自動(dòng)化操作。數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)的配制，很大程度上保證了異型工件數(shù)控加工的基本要求。該專用車床投入生產(chǎn)后，解決了企業(yè)工程陶瓷制件車削加工的難點(diǎn)問題，既提高了生產(chǎn)效率，又降低了制造成本。此方法對(duì)類似陶瓷、石墨等粉末狀切屑材料的自動(dòng)化切削加工具有很大的借鑒作用。

［1］何偉.數(shù)控機(jī)床原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］王炳實(shí).機(jī)床電氣控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］王凡.實(shí)用機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］賈志新，艾冬梅，等.工程陶瓷材料加工技術(shù)現(xiàn)狀［J］.機(jī)械工程材料，2000(1):2-4.