四工位雙軸數(shù)控高速鉆削組合機(jī)床設(shè)計

潘家珍

(上海電氣機(jī)床成套工程有限公司，上海 200041)

0 引言

目前，國內(nèi)汽車零部件制造業(yè)的門鉸鏈車身件的加工，均是采用加工中心+單孔加工專機(jī)形式。該種生產(chǎn)方式不僅設(shè)備需要多，占地面積大，而且生產(chǎn)效率低。隨著汽車零部件制造業(yè)競爭的白熱化，如何提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備成本和勞動力成本，實現(xiàn)進(jìn)口設(shè)備國產(chǎn)化，成為汽車零部件制造商關(guān)注的焦點。隨著汽車行業(yè)迅猛發(fā)展和產(chǎn)能的大幅提升，不少汽車零部件制造商為低成本擴(kuò)充產(chǎn)能，滿足市場需求，對部分汽車零部件制造的自動化呼聲越來越強(qiáng)，希望能開發(fā)設(shè)計滿足門鉸鏈車身件專用生產(chǎn)設(shè)備。

本項目開發(fā)的目的是為了降低勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，提供一臺為汽車model 系列門鉸鏈車身件，加工螺紋底孔及倒角、銷軸孔和背孔螺紋底孔的四工位雙軸數(shù)控高速鉆削組合機(jī)床。

被加工工件示意圖如圖1 所示。

圖1 被加工工件圖

1 總體布局和工作原理

1.1 總體說明

機(jī)床采用四等分?jǐn)?shù)控轉(zhuǎn)臺交換夾具、精密內(nèi)冷高速旋轉(zhuǎn)主軸和伺服驅(qū)動進(jìn)給，從三個不同方向同時對門鉸鏈進(jìn)行螺紋底孔及倒角加工、銷軸孔加工和背孔螺紋底孔及倒角加工。通過對夾具的快速更換，可以加工不同型號的門鉸鏈車身件零件。左右件一次裝夾同時加工。加工節(jié)拍為12s/兩件。除人工上下料外，實現(xiàn)全自動加工過程。

機(jī)床的主要規(guī)格如表1 所示。

表1 機(jī)床的主要規(guī)格

機(jī)床電氣控制系統(tǒng)由SIMENES S7-300 PLC、SINAMIC S120 伺服驅(qū)動器與1FK7 同步伺服電機(jī)由PROFIBUS 總線連接，實現(xiàn)進(jìn)給控制。并可以通過OP屏按照不同加工要求，進(jìn)行各工位進(jìn)給位置、速度、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)編程。由自動加工程序控制機(jī)床自動加工循環(huán)。

機(jī)床自動加工循環(huán)描述:

手動上、下料—雙手啟動按鈕—防錯識別與輔助定位—工件夾緊—回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)90°—內(nèi)外冷卻液打開—主軸啟動—各工位快進(jìn)給—工進(jìn)—快退—主軸停止—內(nèi)外冷卻液關(guān)閉。

在自動循環(huán)加工同時，操作人員在一工位進(jìn)行上下料操作并由雙手啟動按鈕確認(rèn)。在自動循環(huán)結(jié)束后，機(jī)床將自動進(jìn)入下一循環(huán)。

本設(shè)備由床身、回轉(zhuǎn)工作臺、專用夾具、伺服驅(qū)動滑臺、主軸箱、動力頭、液壓、氣動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、防護(hù)罩等組成。見機(jī)床的總圖2。

本設(shè)計的特點是高速數(shù)控加工，高速數(shù)控加工的性能主要取決于它的高速主軸單元、高速進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)、高速刀具系統(tǒng)、以及高速加工測試技術(shù)等，以下就各關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

(1)高速主軸單元

高速主軸單元是高速切削機(jī)床最重要的部件，也是實現(xiàn)高速的最關(guān)鍵技術(shù)之一。要求其動平衡性高、剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、有良好的熱穩(wěn)定性、能傳遞足夠的力矩和功率、和高效的冷卻裝置。本設(shè)計采用皮帶主軸，即交流伺服電機(jī)通過一對皮帶輪直接驅(qū)動高速主軸的結(jié)構(gòu)，其特點是精度及剛性高，振動小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)8000rpm 。

(2)高速加工進(jìn)給系統(tǒng)

快速進(jìn)給是高速數(shù)控機(jī)床的最重要技術(shù)之一。3個工位的進(jìn)給系統(tǒng)均采用直線導(dǎo)軌高速滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)，進(jìn)給速度達(dá)到18m/min。

(3)高速刀具系統(tǒng)

刀具采用涂層硬質(zhì)合金內(nèi)冷鉆頭，刀柄結(jié)構(gòu)采用德國的HSK 刀柄，具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度、裝夾剛度，以達(dá)到高速切削時的可靠性。

(4)高速加工監(jiān)測技術(shù)

高速加工監(jiān)測技術(shù)主要指在高速加工過程中通過傳感、分析、信號處理等，對高速機(jī)床及系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實時的主動在線監(jiān)測和控制，識別可能引起事故的工況，避免機(jī)床、刀具、工件及有關(guān)設(shè)施的損傷。監(jiān)測技術(shù)的成功應(yīng)用可大大延長刀具壽命、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率、保證設(shè)備及人員安全。

設(shè)備具有防錯裝和加工檢測功能。在上下料工位(如圖3 所示):在工件上方裝有激光位移傳感器對工件進(jìn)行防錯判別。因為左右工件除了臺階尺寸差2mm 外，其余尺寸都相同，極易放錯。如放錯工件或工件沒放到位，激光傳感器接受不到正確信號就會報警提醒操作者。

圖2 機(jī)床總圖

圖3 上下料工位檢測示意圖

在加工工位:一方面，伺服電機(jī)控制中設(shè)定一個過載扭矩，一旦達(dá)到這一扭矩就停機(jī)，進(jìn)行修磨或更換刀具，避免強(qiáng)行切削造成鉆頭斷裂，大大延長刀具壽命、保證產(chǎn)品質(zhì)量。另一方面，在鉆頭的斜上方裝有超強(qiáng)力光型光電傳感器判斷鉆頭是否異常，它具有大功率的光束，能抵抗碎屑與強(qiáng)力冷卻水的干擾。一旦發(fā)生異常傳感器就報警，停機(jī)檢查，避免了設(shè)備的損傷。

工件輸送采用φ800 臥式四等分液壓回轉(zhuǎn)工作臺。通過放松、旋轉(zhuǎn)、夾緊來實現(xiàn)分度和工件輸送。

夾具采用面銷定位方式，由油缸夾緊。不同工件可以更換夾具基準(zhǔn)墊片實現(xiàn)。

1.2 氣動系統(tǒng)

本機(jī)的氣缸和氣動控制元件均采用德國FESTO產(chǎn)品，氣動系統(tǒng)主要控制一工位的定位夾緊氣缸、二工位的主軸打刀缸、三工位的主軸打刀缸和氣液平衡缸、四工位的主軸打刀缸等，氣動控制原理如圖4 所示。

圖4 氣動原理圖

1.3 液壓系統(tǒng)

機(jī)床液壓系統(tǒng)主要為液壓回轉(zhuǎn)工作臺、工件夾緊、主軸松刀等提供動力與控制。

主要液壓元件采用YUKEN、REXROTH 元件。液壓控制原理如圖5 所示。

圖5 液壓原理圖

1.4 電氣控制

機(jī)床電氣控制系統(tǒng)由SIMENES S7-300 PLC、SINAMIC S120 伺服驅(qū)動器與1FK7 同步伺服電機(jī)由PROFIBUS 總線連接，實現(xiàn)進(jìn)給控制。并可以通過OP屏按照不同加工要求，進(jìn)行各工位進(jìn)給位置、速度、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)編程。由自動加工程序控制機(jī)床自動加工循環(huán)。具有手動調(diào)整、各工位單循環(huán)和自動循環(huán)三種方式控制，操作簡單、便捷、易學(xué)。

本機(jī)的控制流程圖如圖6 所示。

圖6 控制流程圖

1.5 高低壓冷卻與排屑系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)由內(nèi)冷、外冷、循環(huán)、過濾等部分組成。帶有流量、液位、壓力控制。為切削時提供充分內(nèi)外冷卻功能，同時提供沖屑功能。排屑系統(tǒng)采用磁性排屑裝置。如圖7 所示。

圖7 冷卻與排屑系統(tǒng)示意圖

1.6 機(jī)床防護(hù)與安全裝置

機(jī)床采用全防護(hù)外罩，各工位均設(shè)有換刀和檢修防護(hù)門，在上料工位裝有安全光柵，防護(hù)門均有安全聯(lián)鎖。

2 結(jié)束語

本項目的成功開發(fā)，大大提高model 系列汽車門鉸鏈車身件的加工產(chǎn)能和質(zhì)量，降低勞動強(qiáng)度與制造成本。通過驗證表明設(shè)備高效可靠，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

［1］襲愉弢. 組合機(jī)床［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］衛(wèi)道柱，楊沁，桂貴生，等.雙面二工位銑鉆組合機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計［J］. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2012(11):57-60.

［3］苗曉鵬，程建安.簿壁長筒零件深孔鏜削工藝與數(shù)控組合機(jī)床設(shè)計［J］. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2013(5):117-119.

［4］劉強(qiáng)，陳靜，吳文鏡，等.高性能數(shù)控機(jī)床幾項關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)的研究應(yīng)用進(jìn)展［J］.航空制造技術(shù)，2009(5):42-45.

［5］楊紅軍.立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)摩擦參數(shù)的測定［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(12):186 -188.

［6］吳慧萍，李前明.立式單面四工位擴(kuò)鉸缸體挺柱孔組合機(jī)床［J］. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2013 (6):119 -120.