復(fù)合材料開槽專用組合機床加工方案

楊 健，王一展

(江蘇恒力組合機床有限公司，江蘇 鹽城 224055)

復(fù)合材料開槽專用組合機床加工方案

楊 健，王一展

(江蘇恒力組合機床有限公司，江蘇 鹽城 224055)

文章介紹了一種解決多種難加工材料復(fù)合件專機加工方案(牽引電機轉(zhuǎn)子開槽)，采用結(jié)構(gòu)剛性和精度保持性好、生產(chǎn)效率高的專用臥式銑削組合機床，刀具選用了應(yīng)用國際先進技術(shù)設(shè)計制造的專用三面刃銑刀，新的加工設(shè)備結(jié)合新的銑削加工工藝，比原加工工藝提高了生產(chǎn)效率，尺寸精度穩(wěn)定可靠，降低了加工成本。

電機轉(zhuǎn)子開槽；復(fù)合材料；組合機床；機床剛性；三面刃銑刀

0 引言

山西某變壓器公司擴能增產(chǎn)，委托我公司設(shè)計制造一臺牽引電機轉(zhuǎn)子開槽專用組合機床。電機轉(zhuǎn)子是由多種材質(zhì)的多個零件組合焊接復(fù)合而成，需在實體上開槽長305mm,寬24. 7mm,深達66.5mm。用戶原工藝是在普通立式銑床上用立銑刀分層粗銑加工后，再在普通臥式銑床上用三面刃銑刀進行精銑加工。為了完成任務(wù)需四名工人操作三臺普通立式銑床和一臺臥式銑床協(xié)同作業(yè)，每班加工4～6個零件。由于零件材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點使其極難加工，銑削時切削力較大，而通用機床電機功率較小且剛性不足，造成刀具磨損快，機床維修頻繁，生產(chǎn)效率低，制造成本高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。客戶在國內(nèi)外尋找多家機床廠，未能找到提高加工效率和穩(wěn)定質(zhì)量的解決方案。我公司通過分析零件的結(jié)構(gòu)特點及加工要求，為其設(shè)計了一臺專用臥式強力銑削組合機床及專用刀具解決了上述問題。

1 加工內(nèi)容和生產(chǎn)節(jié)拍

被加工零件工序圖如圖1所示，電機轉(zhuǎn)子開槽部分的材料為10#(鋼)或15#(鑄鋼)+1Cr18Ni9Ti(不銹鋼)，本工序加工內(nèi)容為：銑四個槽，長305mm,寬24.7±0.1mm，深66.5mm, 粗糙度Ra6.3?？蛻粢蟮牧慵a(chǎn)節(jié)拍為2小時/件。

圖1 被加工零件工序圖

2 零件加工工藝性分析

牽引電機轉(zhuǎn)子是由多個不同材質(zhì)的軸套、鋼板、薄鋼片等多個零件多層焊接而成的，各零件之間難免出現(xiàn)變形、間隙、虛焊瘤等焊接誤差。開槽部分的材質(zhì)為10#(鋼)或15#(鑄鋼)+1Cr18Ni9Ti(不銹鋼)，材料的塑性高。塑性高的材料加工變形和硬化嚴重，與刀具表面的冷焊現(xiàn)象較強，不易斷屑。加工時的振動導(dǎo)致刀具易損壞，加工工藝性極差，加工表面質(zhì)量不好。此外，切屑與前刀面的接觸長度加大，使摩擦力增大，刀具磨損快，耐用度低。零件開槽深度為66.5mm，槽寬達到24.7±0.1mm，且生產(chǎn)節(jié)拍要求快(2小時/件)，而通用機床在加工此零件時剛性不足，電機功率低，尺寸精度不易保證，不能滿足此類零件的加工要求，必須尋找新的解決方案。

3 機床的總體方案設(shè)計

根據(jù)上述分析，我公司提出機床總體方案如圖2所示，機床采用整體移動式工作臺，工作臺上設(shè)置一套專用可分度夾具用于零件的定位和夾緊，工作臺左側(cè)配置帶滑板立柱，滑板上安裝有電機功率為15kW的專用銑削頭和刀桿支架，工作臺右側(cè)布置副立柱，銑削頭和刀桿支架可通過手動調(diào)整而隨滑板上下移動，行程為500mm，銑槽時銑削頭主軸帶動刀桿轉(zhuǎn)動，零件隨工作臺進給運動實現(xiàn)零件的加工；機床采用加工區(qū)油冷卻，局部防護，機床電氣系統(tǒng)采用日本三菱PLC控制。

本機床的結(jié)構(gòu)特點是各部件剛性好、精度高，主軸電機功率大，適合于高效強力銑削加工。

圖2 機床總體方案圖

4 機床部件結(jié)構(gòu)介紹

為了實現(xiàn)高效強力銑削的要求，我們在設(shè)計機床關(guān)鍵部件時選擇了結(jié)構(gòu)剛性和精度保持性好及效率高的整體移動式銑削工作臺和專用銑削頭。

4.1 整體移動式銑削工作臺

本機床的銑削工作臺作為進給運動部件，具有剛性好、精度高、效率高等特點。工作臺(如圖3所示)導(dǎo)軌與底座鑄成一個剛性整體，底座為方箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔合理布置縱橫向筋，與側(cè)壁共同支承導(dǎo)軌，使導(dǎo)軌在高效強力銑削時避免振動，底座上部 V-平行滑動導(dǎo)軌表面經(jīng)淬火處理，硬度較高、導(dǎo)向性好、剛度高，精度保持性很好。工作臺梯形絲杠傳動螺母副(如圖4所示)采用正反螺母消除間隙，以避免由于銑削振動引起工作臺竄動，有利于保證銑削精度。

圖3 銑削工作臺的結(jié)構(gòu)

圖4 銑削工作臺的傳動螺母機構(gòu)

4.2 專用強力銑削頭

專用銑削頭為整體箱式、增強的剛性主軸機構(gòu)，具有足夠的剛性。在機床設(shè)計中銑削頭的主軸結(jié)構(gòu)起著極其重要的作用，它是保證機床精度、剛度及減振性的關(guān)鍵。如圖5所示是專用強力銑削頭的主軸結(jié)構(gòu)。前軸承采用內(nèi)錐孔雙列向心短圓柱滾子軸承，承受徑向力，此軸承帶有錐孔的內(nèi)圈可以沿軸向移動，以此改變滾子與內(nèi)外圈的間隙，使主軸保持足夠的精度；另外，滾子直徑小，每一列滾子的數(shù)量較多，兩列滾子在圓周上的排列錯開半個間距，因此這種軸承具有較高的剛性。兩個推力軸承用來承受軸向力。在結(jié)構(gòu)上，上述兩種軸承是分開調(diào)整的，這樣的軸承組合結(jié)構(gòu)具有高剛度、發(fā)熱量較低、容易保持精度等特點。后軸承采用單列圓柱滾子軸承，當(dāng)主軸受熱變形時，這種軸承可以使主軸以前軸承為基點自動向后延伸而不致影響主軸精度。主軸滑套采用半圓楔塊夾緊機構(gòu)，滑套的夾緊點距刀盤很近，提高了夾緊剛性。主傳動齒輪采用β=15°的斜齒輪以提高傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性，減少間斷銑削時傳動系統(tǒng)的振動；主傳動齒輪的厚度較大，使其起到飛輪的作用，對銑削時由于刀齒變化及間斷銑削引起的沖擊起緩沖作用。

圖5 銑削頭的主軸結(jié)構(gòu)

4.3 夾具結(jié)構(gòu)介紹

如圖6所示，夾具采用重復(fù)定位精度好的90°V形塊支撐靠近工件加工部位的兩側(cè)φ83軸頸定位，兩處φ83軸頸各用兩個夾緊面成100°的壓板手動夾緊工件。為了抵消夾緊時工件產(chǎn)生的使壓板后退的反作用力，支承壓板的后支架設(shè)計成階梯形。在工件加工部位的中部采用斜楔式手動輔助支承以承受切削力，增加夾具的切削剛性，減少工件的切削變形，提高了加工精度。本夾具還設(shè)計了圓柱銷對定機構(gòu)的90°分度轉(zhuǎn)位裝置，使工序集中，實現(xiàn)了工件四槽銑削的多工位加工，從而減輕了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)率。

圖6 夾具結(jié)構(gòu)

4.4 立柱及橫梁結(jié)構(gòu)介紹

機床采用落地式立柱,如圖2所示，主、副立柱下部通過結(jié)合面與工作臺底座連接，立柱壁內(nèi)側(cè)布置了“米”字形筋，帶滑板的主立柱把立式進給滑臺底座和立柱優(yōu)化成一體。主立柱上部通過一端安裝在其滑板上的橫梁與副立柱連接而形成龍門式結(jié)構(gòu)，可克服高速強力切削產(chǎn)生的振動及顛覆力矩；刀桿除一端與銑削頭主軸連接外，在橫梁上位于三面刃銑刀兩側(cè)又各安裝了一個滾動支座，用于提高刀具的切削剛性。主、副立柱及刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其與工作臺和銑削頭之間的合理布局，有效提高了機床的整體剛性。

5 刀具及切削參數(shù)的選擇

針對牽引電機轉(zhuǎn)子零件復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特點，為了使所選擇的刀具及切削參數(shù)具有較高的合理性，我們用直徑φ250mm寬24mm的專用國產(chǎn)三面刃銑刀在結(jié)構(gòu)剛性較好、銑削頭電機功率較大的FWA/41M波蘭臥式萬能銑床上進行了切削試驗，其中刀片為國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)涂層刀片，剛開始機床運行及刀具切削情況還算正常，十分鐘后刀具開始明顯磨損，機床切削振動逐步加劇，刀片就發(fā)生了崩刃、纏屑等惡劣現(xiàn)象，刀具耐用度極其低下，刀片調(diào)整更換頻次過高，切削過程難以順利進行，試驗效果很不理想。再采用不同的切削參數(shù)試驗，都是上述效果，證明國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)涂層刀片不能滿足該零件的加工要求。

考慮到零件切槽深且電機轉(zhuǎn)子是由低碳鋼、不銹鋼等切削性能不同材料的零件焊接而成，材料粘度較大，硬度高，屬于較難加工工況。為了解決這一難題，我公司與外國某著名刀具公司的研發(fā)部共同進行技術(shù)攻關(guān)，為本機床定制了一種專用三面刃銑刀。選用的刀片采用PVD涂層工藝(將氧化鋁采用物理方法析出到硬質(zhì)合金刀片上的先進制造技術(shù))，此刀片兼?zhèn)淞烁叩臒嵊残院弯h利性，又保證了刀片一定韌性，在高速切削下具有穩(wěn)定的可靠性，從而適應(yīng)韌性高的材料加工。雖然進口刀具和刀片單價高，但根據(jù)零件的加工效率和質(zhì)量及刀具耐用度，綜合經(jīng)濟效益遠遠高于使用國產(chǎn)刀具。根據(jù)實驗得知，零件加工后由于彈性變形大而使槽寬公差不易保證，將該φ250mm直徑的三面刃銑刀設(shè)計成切削寬度可調(diào)(22～25mm)，通過試切調(diào)整銑刀寬度以適合零件加工要求。

在保證零件加工質(zhì)量的前提下，為了充分發(fā)揮機床和刀具的功能，取得生產(chǎn)的最大效益，我們經(jīng)過多次切削試驗后將切削參數(shù)選定為：銑削頭轉(zhuǎn)速n=95r/min,刀具切削速度v=75m/min,銑刀每齒進給量Sr=0.05mm/z,工作臺進給速度Sm=76mm/min，零件實際單臺機床生產(chǎn)節(jié)拍為0.5小時/件，而用戶要求的生產(chǎn)節(jié)拍為2小時/件，比用戶預(yù)期的生產(chǎn)效率提高了四倍。

6 結(jié)束語

該組合機床實現(xiàn)了難度較大的牽引電機轉(zhuǎn)子的銑槽加工。加工精度可達到寬度尺寸24.7±0.08mm,表面粗糙度Ra3.2,生產(chǎn)節(jié)拍0.5小時/件。經(jīng)客戶使用后，機床性能可靠，零件質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率極大提升，經(jīng)濟效益顯著。本文雖僅對一種復(fù)合材料零件(牽引電機轉(zhuǎn)子)的加工內(nèi)容和工藝方法進行了研討和設(shè)計，但在其它復(fù)合材料零件加工方案選擇上，都有較高的借鑒意義和推廣價值。

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(編輯 趙蓉)

Special Modular Machine for Solution of Cutting Groove of Compound Material

YANG Jian, WANG Yi-zhan

(Jiangsu Hengli Machine Tool .LTD, Yancheng Jiangsu 224055, China)

This paper introduces a special modular milling machine for solution of compound material with excellent structure rigidity, good precision maintenance and high productivity. The machine uses special side and face milling cutter which is designed and manufactured with advanced technology. The new machine combined with novel milling process has better production efficiency, stable and reliable dimensional precision than the traditional ways. Besides, the machining cost is also reduced.

slotting of motor rotor;compound material ;modular machine;machine rigidity;side and face milling cutter

1001-2265(2014)06-0121-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.033

20114-02-02；

2014-03-22

楊健(1967—)，女，江蘇鹽城人，江蘇恒力組合機床有限公司工程師，從事數(shù)控組合機床設(shè)計，(E-mail)2641112349@qq.com。

TH16;TG65

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