高精度數(shù)控鉆鉸孔專用機(jī)床設(shè)計*

宋開棟

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730030)

高精度數(shù)控鉆鉸孔專用機(jī)床設(shè)計*

宋開棟

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730030)

介紹在大批量加工龍筋定位銷孔工況下，一種專用數(shù)控高精度要求機(jī)床的零部件選型過程及研發(fā)該專機(jī)的技術(shù)背景，詳述了其工作原理及主要結(jié)構(gòu)，介紹了機(jī)床核心尺寸的設(shè)計原則及分析。從解決矛盾的角度，以加工實驗為手段，分析了本機(jī)床的研發(fā)價值。

專用機(jī)床;高精度;數(shù)控;專用夾具

Abstract: The parts′ selection process of a special precision CNC machine tool and technical background of the plane′s development are introduced in high-volume processing Long dowel hole conditions. Its working principle and the main structure are detailed, the design principles and of tool′s core size is introduced. From the perspective of resolving contradictions, taking experiments as the method, the research and development value of the machine are analyzed.

Key words: dedicated machine; precision; CNC; special fixtures

0 引 言

一些零件加工的某些工序, 通用機(jī)床不能實現(xiàn), 或者不能很好地滿足要求, 如某特殊形狀的零件, 通機(jī)不能加工，有些勉強可以被加工, 但某項精度要求很高, 達(dá)不到要求。有些雖能被加工, 精度也能被保證, 但輔助時間太長, 或者經(jīng)濟(jì)效果不好, 或者操作者工作量很大等,必須設(shè)計專用機(jī)床[1]。

從機(jī)床發(fā)展史上看, 機(jī)床經(jīng)歷了由專用機(jī)床到通用機(jī)床, 又由通用機(jī)床到專用機(jī)床的發(fā)展道路。最早出現(xiàn)的原始機(jī)床是專機(jī)。后來, 專機(jī)的工藝范圍擴(kuò)大并定型化, 機(jī)床的布局和結(jié)構(gòu)也定型化, 于是在專機(jī)的基礎(chǔ)上演變出通機(jī)。再往后, 一方面通機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能不斷改善, 另一方面在通機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又發(fā)展出各種高生產(chǎn)率的機(jī)床, 包括：專用機(jī)床、組合機(jī)床、數(shù)控機(jī)床和自動線等。由于專機(jī)的工藝、布局、結(jié)構(gòu)以及性能等都是針對特定的被加工零件設(shè)計的, 因此易使機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、自動化和多刀加工, 從而提高了生產(chǎn)率[2]。

專用機(jī)床的任務(wù)是使機(jī)床和生產(chǎn)要求之間的矛盾得到統(tǒng)一。因此, 設(shè)計專機(jī)時, 必須針對矛盾的特點, 采取相應(yīng)的措施。在一定程度上矛盾的特點即決定了專機(jī)的特點。因此, 專機(jī)可按所解決矛盾的特點進(jìn)行分類。根據(jù)對各地典型專機(jī)的初步調(diào)查, 專機(jī)可由提高生產(chǎn)率的(Q類)、提高精度光潔度的(G類)、加工奇形零件的(X類)、簡易的(J類)、減輕操作勞動的(H類)五個基本類型派生得到。如一種主要用于加工奇形零件的專機(jī), 若同時還提高了勞動生產(chǎn)率, 則可用代號XQ表示。

國產(chǎn)專用機(jī)床有以下幾個特點：①以粗加工、半精加工專用機(jī)床為主；②配套件與主機(jī)的質(zhì)量不匹配；③刀具配套服務(wù)是一個薄弱環(huán)節(jié)。

圖1 高位置精度的鉆鉸孔專用機(jī)床主要結(jié)構(gòu)示意圖1.床身及X向高精度進(jìn)給傳動單元 2.滑臺 3.加工中心滑臺及高精度進(jìn)給模塊 4.主傳動模塊 5. 切削主電機(jī) 6.加工中心主軸單元 7.龍筋專用夾具 8.側(cè)立柱

1 高精度數(shù)控鉆鉸孔專用機(jī)床研發(fā)技術(shù)背景

現(xiàn)有的加工方案是：等龍筋的各粗加工工序、面加工工序完成后，在臥式鏜銑加工中心上加工這兩個銷孔。

現(xiàn)有方案的優(yōu)勢：能保證孔精度，能保證兩孔位置精度；現(xiàn)有方案的劣勢：加工中心成本較高，無專用夾具，每次裝夾時間過長，零件批量大，影響加工中心的其他工藝布置，工時長，人工成本較高。

為了解決加工精度與加工成本等之間的矛盾，普通的專機(jī)又不能滿足，必須設(shè)計以加工中心單元為支撐的高精度數(shù)控專機(jī)。

2 高精度數(shù)控鉆鉸孔專用機(jī)床工作原理

啟動數(shù)控系統(tǒng)，將被加工的龍筋裝夾在有圓柱銷定位的專用夾具上，調(diào)用該型號龍筋的加工程序，啟動自動加工模式，X向伺服電機(jī)啟動，將主動力頭傳動至程序設(shè)定坐標(biāo)位置，X向伺服電機(jī)停，加工中心主軸單元啟動，Y向伺服電機(jī)啟動，工進(jìn)至設(shè)定坐標(biāo)，加工中心主軸單元停，工退至設(shè)定坐標(biāo)，Y向伺服電機(jī)停 ；X向伺服電機(jī)啟動，將主動力頭傳動至程序第二孔設(shè)定坐標(biāo)位置，X向伺服電機(jī)停，加工中心主軸單元啟動，Y向伺服電機(jī)啟動，工進(jìn)至設(shè)定坐標(biāo)，加工中心主軸單元停，工退至設(shè)定坐標(biāo)，Y向伺服電機(jī)停，X向電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動，將主動力頭傳動至程序原點位置，一個加工循環(huán)結(jié)束。卸工件，裝夾下一工件。

由于被加工零件龍筋有27種，兩銷孔位置不同，所以數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存儲了27種加工程序，加工不同種類的一批零件，調(diào)用相應(yīng)的程序。滾珠絲杠的傳動精度為0.01 mm /m,伺服電機(jī)精度0.005 mm/m，因此，可以保證加工兩孔間的位置精度0.05 mm。加工刀具選用加工中心用鉆絞一體刀，可以保證孔的尺寸公差及表面光潔度。

3 高精度數(shù)控鉆鉸孔專用機(jī)床主要結(jié)構(gòu)

高位置精度的鉆鉸孔專用數(shù)控機(jī)床采用模塊化設(shè)計，共分為4個模塊：床身及X向傳動模塊；加工中心滑臺及Y向傳動模塊；加工中心主軸及動力模塊；側(cè)立柱及夾具模塊(見圖1)。

(1) 床身及X向傳動模塊 床身(見圖2)整體鑄造而成，參照了床身設(shè)計規(guī)范，考慮了筋板、鑄造圓角等鑄造工藝，普通床身配了高精直線導(dǎo)軌，保證了床身的導(dǎo)向精度。

圖2 床身及傳動簡圖

進(jìn)口伺服電機(jī)、滾珠絲杠、優(yōu)化的定位結(jié)構(gòu)保證了X向傳動精度。因此保證了兩孔間位置精度。

對床身進(jìn)行了受力分析(見圖3)，導(dǎo)軌面載荷9460 N，最大形變0.0078 mm，機(jī) 床的使用要求此形變要小于0.05×0.3=0.016 mm，經(jīng)過校核床身結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖3 床身受力分析

(2) 加工中心滑臺及Y向傳動模塊 整體采用了優(yōu)質(zhì)的加工中心滑臺單元，保證了Y向傳動模塊的可靠性。

(3) 加工中心主軸及動力模塊 采用優(yōu)質(zhì)的加工中心主軸單元，做了靜平衡、動平衡試驗；主軸采用同步帶輪傳動，實現(xiàn)了電機(jī)上前置布置型式，確保了主軸轉(zhuǎn)速；主電機(jī)變頻調(diào)速，不同直徑的孔可選用最優(yōu)的切削轉(zhuǎn)速。主軸箱關(guān)鍵孔精鏜，進(jìn)行圓柱度、圓度、圓柱-端面垂直度、孔公差檢驗，滿足設(shè)計要求。切削主電機(jī)的選擇按照《組合機(jī)床切削用量計算圖》[1]的計算方法進(jìn)行計算。公式如下：

(1)

式中：V為切削速度(m/min)；P為軸向力(kg)；M為扭矩(kg·mm)；N為切削功率(kW)；T為刀具耐用度(min)；HB為布氏硬度；D為鉆頭直徑(mm)；S為進(jìn)給量(mm/r)；π為圓周率[1]。

(4) 側(cè)立柱及夾具模塊 側(cè)立柱，也是支撐被加工件的工作臺，是夾具的一部分，鑄造成型。它與床身的連接面，采用了巧妙的設(shè)計、加工、裝配工藝，保證定位精度；直接支撐工件的是很多V形塊，利于排屑，淬火后提高了耐用度，多個V型塊一次 加工成型，保證了裝夾精度；多種龍筋共用一個定位銷，通長有T型槽，夾具拉桿及T型塊位置可調(diào)，手動夾緊，使專用夾具相對通用(見圖4)。對龍筋類零件的加工，創(chuàng)造性地用簡單的結(jié)構(gòu)，解決了復(fù)雜的問題。

(5) 試切及檢驗結(jié)果 兩被加工銷孔的公差要求±0.05 mm，對3個系列、各10件龍筋進(jìn)行了試切，在三坐標(biāo)測量儀上檢驗了各龍筋的兩孔位置公差，加工偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公差要求，滿足使用要求。試切結(jié)果見表1 試切檢驗數(shù)據(jù)表。

從試切結(jié)果看，本機(jī)床的加工精度滿足使用要求，精度達(dá)到加工中心加工精度。較同類普通專機(jī)，本機(jī)床精度更高。

圖4 夾具簡圖

/mm

從精益生產(chǎn)的角度，拆裝工件需要50 s，加工中心拆裝工件需要120 s。加工中心有時加工其他零件后，再加工龍筋類零件，需要更換工裝，重新找正，換刀，會消耗約120 min準(zhǔn)備時間，本機(jī)床只需要調(diào)用

數(shù)控程序的時間1 min。

由于本機(jī)床造價較低，較加工中心，本機(jī)床的折舊成本更低，每小時的加工成本更低，由于節(jié)約了大量的輔助工時，工時成本更低。

4 結(jié) 語

(1) 高精度數(shù)控鉆鉸孔專用機(jī)床，核心部件全采用加工中心單元，大的加工件及關(guān)鍵尺寸在加工中心制造，每工序質(zhì)檢，使機(jī)床各部件的精度得到了充分的保證。

(2) 裝配前進(jìn)行了三維演裝及方案討論，研究了關(guān)鍵裝配工序，記錄了裝配可能產(chǎn)生的細(xì)節(jié)問題。制訂了裝配質(zhì)檢精度要求，制訂了完善的裝配工藝，裝配過程嚴(yán)謹(jǐn)，細(xì)致，每序質(zhì)檢，保證了裝配精度。

(3) 高精度數(shù)控鉆鉸孔專用機(jī)床調(diào)試成功，試車后，檢驗被加工件，直徑能達(dá)到公差要求，批量偏差穩(wěn)定。在三坐標(biāo)測量儀檢驗兩孔間距離及公差，滿足技術(shù)要求，批量偏差穩(wěn)定。

(4) 該專機(jī)項目的執(zhí)行，解決了加工精度與加工成本等之間的矛盾，解決了批量高精度與少量高精度生產(chǎn)計劃的矛盾，創(chuàng)造性地用簡單結(jié)構(gòu)解決了復(fù)雜問題。實現(xiàn)了加工的高精度、高效率、低成本。

[1] 杜君文.機(jī)械制造技術(shù)裝備及設(shè)計[M].天津:天津大學(xué)出版社，2007.

[2] 大連組合機(jī)床研究所.組合機(jī)床切削用量計算圖[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[3] 謝家瀛.組合機(jī)床設(shè)計簡明手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4] 陳嬋娟.數(shù)控車床設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Dedicated CNC Machine Tool Design of High Accuracy Drill Reaming

SONG Kai-dong

(GansuAcademyofMechanicalSciences,LanzhouGansu730030,China)

2014-06-09

宋開棟(1986-)，男，甘肅金昌人，助理工程師，主要從事機(jī)床、農(nóng)業(yè)機(jī)械及農(nóng)產(chǎn)品干燥方面的科研工作。

TG502

A

1007-4414(2014)04-0144-03