普通數(shù)控車床改裝新型旋風(fēng)切削復(fù)合機床設(shè)計與應(yīng)用

■寧波海天塑機集團有限公司 （浙江 315821） 陳永明 潘曉敏 張洪斌

普通數(shù)控車床改裝新型旋風(fēng)切削復(fù)合機床設(shè)計與應(yīng)用

■寧波海天塑機集團有限公司 （浙江 315821） 陳永明 潘曉敏 張洪斌

摘要：注塑機拉桿的環(huán)形槽是整個抱合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，環(huán)形槽的加工是拉桿生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一環(huán)。設(shè)計新型旋風(fēng)切削復(fù)合機床和專用刀具并應(yīng)用到拉桿環(huán)形槽進行加工，能有效地解決原先環(huán)形槽加工排屑差、生產(chǎn)效率低及安全生產(chǎn)得不到保證的問題。

目前二板式注塑機由于其運動及動力特性合理、調(diào)模方便、合模剛性和精度好、結(jié)構(gòu)緊湊簡潔及占地較少等優(yōu)點，越來越成為市場的主流。二板機的調(diào)模動作由抱合結(jié)構(gòu)來完成，抱合螺母取代調(diào)模螺母。其中拉桿是整個注塑機的關(guān)鍵件，將三板式注塑機調(diào)模螺紋改進為抱合環(huán)形槽，而環(huán)形槽的加工在整個拉桿生產(chǎn)工藝中相對關(guān)鍵。

拉桿環(huán)形槽加工普遍都采用數(shù)控車床單刀切削，這樣的加工工藝存在排屑差、效率低等諸多問題，在當前工業(yè)領(lǐng)域高速發(fā)展情況下，高效率、高質(zhì)量和低勞動力的生產(chǎn)方法已是必然方向，基于這個趨勢，本文將普通數(shù)控車床整體重新設(shè)計，改裝為新型旋風(fēng)切削復(fù)合機床并設(shè)計專用刀具，通過在拉桿環(huán)形槽加工中的應(yīng)用，將問題有效地解決。

1. 環(huán)形槽加工問題現(xiàn)狀

拉桿需要在柱體外圓面上加工等距排列的環(huán)形槽，如圖1所示。

單刀切削即將工件裝夾至普通數(shù)控車床，采用普通槽刀在數(shù)控車床上進行數(shù)控插補進給切削。在實際生產(chǎn)過程中，徑向粗車時導(dǎo)致無法斷屑，一次進給，整個過程形成連續(xù)不斷的長條鐵屑。為防止鐵屑纏繞工件、纏繞損壞刀具以及亂甩傷人，需配輔助人員持長鐵鉤進行拉絲，為安全生產(chǎn)埋下了隱患；刀桿壓刀片長時間在槽刀排屑槽產(chǎn)生的連續(xù)鐵屑作用下，厚度變薄強度下降，導(dǎo)致刀桿壽命大幅度降低；槽刀產(chǎn)生的鐵屑遮蓋于槽刀上方，造成冷卻液無法充分進入到切削點，切削溫度高導(dǎo)致刀具磨損加快，同時使加工精度降低，已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

圖1　拉桿外圓加工環(huán)形槽

2. 整體設(shè)備改裝設(shè)計要點

對環(huán)形槽加工問題現(xiàn)狀進行分析，設(shè)計新的加工方式替換原來的單刀切削。通過資料比對，選擇旋風(fēng)銑銑削環(huán)形槽有下列優(yōu)點：

高速切削加工時，形成安全性好的C形短切屑，帶走大量的切削熱量，保證刀具壽命，減少傳給工件的熱量有助于降低零件熱變形。隨著切削速度提高，切削加工時間和切削力減少，有利于對剛性差零件的切槽加工，同時降低加工成本。從數(shù)控加工工藝上看，外旋風(fēng)銑削數(shù)控編程簡單，并且切削的精度也相對較高。解決了多刀切削和高速切削的問題后，結(jié)合徑向重載切削和一次裝夾復(fù)合切削是需要攻克的難點。

由于精車外圓需要，原有車床刀架必須保留。國內(nèi)沒有標準的徑向重載切削專用旋風(fēng)切削復(fù)合設(shè)備設(shè)備，但國外進口成套設(shè)

備價格昂貴，后期使用、維護費用高?；谝陨戏治?，最終方案采用現(xiàn)有普通數(shù)控車床改裝成新型旋風(fēng)切削復(fù)合機床。

3. 新型旋風(fēng)切削復(fù)合機床結(jié)構(gòu)特點

設(shè)計新型旋風(fēng)銑專用銑削頭以及刀盤刀具，并與原有設(shè)備CKW61125配套改裝使用來解決當前環(huán)形槽加工問題。

（1）確定機床整體的加工原理。圖2所示為新型旋風(fēng)切削復(fù)合機床。工作過程為刀盤轉(zhuǎn)動帶動合金涂層成型刀片，采用高速切削；車床主軸帶動工件慢速旋轉(zhuǎn)作為進給運動；旋風(fēng)銑削頭安裝在車床拖板上，并在車床中拖板帶動下進行徑向運動作為徑向進給運動。

（2）專用銑削頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)加工拉桿環(huán)形槽的實際情況，進刀方向基本為機床的X軸，主要依靠徑向切削，所以專用銑削頭的主軸所承受的徑向切削力遠遠大于軸向力，因此，對主軸徑向剛性載荷要求相對較高，合理設(shè)計拉桿環(huán)形槽專用旋風(fēng)銑主軸支承相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)形式，對實現(xiàn)精密銑削加工起著關(guān)鍵的作用。

優(yōu)化設(shè)計的專用銑削頭主軸結(jié)構(gòu)如圖4所示。優(yōu)化后主軸前端采用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承3182114C，后端采用圓錐滾子軸承30309一對組合支承。其中圓錐滾子軸承組合主要用于承受以徑向載荷為主的徑向與軸向聯(lián)合載荷，使主軸軸向定位，并調(diào)整軸向間隙，那么限制軸在殼體的軸向位移，大大地提高了主軸結(jié)構(gòu)整體徑向載荷。與角接觸球軸承相比，承載能力更大，進一步保證了主軸結(jié)構(gòu)的剛性。所以經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的主軸結(jié)構(gòu)配置更加緊湊，在加工拉桿環(huán)形槽時具有更好的剛性和精度，可滿足于切削環(huán)形槽銑削加工的要求。

而主軸動力由電動機輸出，傳統(tǒng)動力傳遞都采用摩擦型帶傳動的V形帶，由于切削時受交變載荷作用，皮帶會伸長及縮短而使刀盤產(chǎn)生周向振動，導(dǎo)致加工過程中工件和刀具的損壞并降低工件表面精度。新設(shè)計的同步帶應(yīng)用形式是靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動的，傳動更為平穩(wěn)，加工后環(huán)形槽的表面粗糙度值較低。

圖2　新型旋風(fēng)切削復(fù)合機床模型

圖3　新型旋風(fēng)銑專用銑削頭模型

圖4　專用銑削頭主軸結(jié)構(gòu)

（3）刀盤及刀具。本文設(shè)計的旋風(fēng)銑削刀具是根據(jù)拉桿環(huán)形槽專門針對性仿形設(shè)計的，利用NX系統(tǒng)進行刀具的精確三維實體造型，并對旋風(fēng)銑削刀具進行性能分析。考慮到每把銑削刀片都是斷續(xù)切削，接觸工件瞬間有沖擊力，如果整把刀片仿形成整個槽體形狀，造成接觸面過大，過大的載荷以分布力的形式加在相應(yīng)的切削刃上，產(chǎn)生大量切削熱致使刀具磨損加快及刀盤振動。如何減少切削載荷，是設(shè)計刀具工作中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。首先從減少接觸面入手，將整把刀片從縱向一分為二，刀片1和刀片2在刀盤兩側(cè)圓周上分別交錯排布，使每把刀片所承受的載荷減少，有效地提高了整組刀具的使用壽命，并大大提高了進給速度，使高速

切削更加可靠合理。根據(jù)以上設(shè)計要求，選擇《旋風(fēng)銑削刀具的設(shè)計與有限元結(jié)構(gòu)分析》文獻推薦的參數(shù)選取刀片的前角為0°、頂刃后角為8°、側(cè)刃后角為4°和刀片厚度為4mm，刀具材料為金屬碳化物硬質(zhì)合金WC，彈性模量為7.06e11Pa，抗彎強度為1.7GPa。表面附有硬質(zhì)涂層材料。

設(shè)計刀盤結(jié)構(gòu)排布更多數(shù)量的刀片以降低切削載荷，同時刀片下部的支承部分又要保證足夠的強度，那么兩者兼顧分析，最終設(shè)計為均勻排布18把刀片，刀盤外徑200mm，依托導(dǎo)向加平鍵與主軸相聯(lián)接，設(shè)計轉(zhuǎn)速0～2 000r/min，依靠交流電動機（見圖3）變頻調(diào)速來實現(xiàn)無級變速，轉(zhuǎn)速數(shù)值顯示于控制面板，采用觸摸熒光屏人機對話，操控精確且簡便。

4. 生產(chǎn)應(yīng)用前景

本次根據(jù)拉桿環(huán)形槽所設(shè)計出的新型旋風(fēng)切削復(fù)合機床，在CKW61125中拖板上（見圖2）加裝旋風(fēng)銑專用銑削頭，在車床原有結(jié)構(gòu)不改動的前提下，做到退可銑、進可車的復(fù)合加工，銑削和車削共用同一塊拖板及同一個系統(tǒng)，將銑刀位作為T1，原刀架上的車刀位作為T2/T3/T4，操作簡便，在工件一次裝夾的情況下，外圓（包括其他車削尺寸）和環(huán)形槽可同時保持精度。主軸結(jié)構(gòu)承載更多徑向載荷，切削系統(tǒng)足夠的剛性使工件精度可靠。同步帶輪組傳動有效化解了斷續(xù)切削中常有的周向振動問題。合理的刀具結(jié)構(gòu)，不僅避免了加工振刀，而且減少了切削熱量，增加了刀具的使用壽命，提高了進給速度，降低了表面粗糙度值。

本文設(shè)計的機床和刀具能在實際生產(chǎn)中滿足拉桿環(huán)形槽的加工要求，相對于傳統(tǒng)的普通數(shù)控車床單刀切削，具有高效率、經(jīng)濟、環(huán)保、降低勞動強度和安全生產(chǎn)等優(yōu)勢。從目前二板機上升的市場份額來看，合理的環(huán)形槽加工方式應(yīng)用會更加廣泛。

參考文獻：

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收稿日期：（20141125）