拉刀磨床技術(shù)改造

神龍汽車有限公司襄陽工廠 (湖北 441004)徐潤伯 董 輝 千里峰

襄陽工廠XF0029是武漢機床廠生產(chǎn)的M6110D型拉刀刃磨床，用于刃磨各種拉刀，如:圓形拉刀、花鍵拉刀及其他內(nèi)孔拉刀(螺旋槽拉刀除外)、平面拉刀、鍵槽拉刀等前刃齒背和后角的刃磨。主軸轉(zhuǎn)速2 800r/min，加工方式為干式磨削。1998 年投入使用至今，主要用于變速箱齒輪加工的各種拉刀修磨。自2006 年起變速箱齒套線使用的拉刀在刃磨后頻繁出現(xiàn)“加工橢圓”、“加工有拉痕”等不正常的現(xiàn)象，同時刀具的加工壽命不足設(shè)計壽命的3/4，致使生產(chǎn)線效率低、廢品率高，刀具費用居高不下。為了保證公司的產(chǎn)能需求，降低成本，有必要對該設(shè)備進行全面升級改造。經(jīng)過技術(shù)人員的反復(fù)論證，從刀具刃磨工藝和設(shè)備主軸的兼容性、經(jīng)濟性、前瞻性等方面考慮，決定采用國產(chǎn)的電主軸以及與之匹配的施耐德ATV 系列變頻調(diào)速系統(tǒng)進行改造，并改善機床的加工方式。

襄陽工廠后期投資的設(shè)備以高速加工中心為主，全部使用了電主軸。因設(shè)備產(chǎn)地的不同，使用的電主軸品牌也不同。至2010 年底，共有20 個品牌，150 多臺電主軸，且全部是進口品牌，后期設(shè)備維護中電主軸的維修、更換成為一大難題。推進電主軸國產(chǎn)化，既降低設(shè)備采購成本，又方便后期維護。

1.項目概況

(1)設(shè)備產(chǎn)生拉刀加工質(zhì)量不穩(wěn)定和刀具壽命低的主要原因是刀具刃磨后的質(zhì)量差。為提高刀具刃磨質(zhì)量，需要提高砂輪磨削的線速度。原設(shè)備使用的普通三相異步電動機，轉(zhuǎn)速只有2 800r/min，砂輪線速度最大為15m/s。因設(shè)備老舊，沒有合適的高轉(zhuǎn)速主軸直接替換。依據(jù)現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)參數(shù)要求，量身定做電主軸。改造后的主軸轉(zhuǎn)速是12 000r/min，砂輪線速度達到55m/s。

(2)主軸采用變頻器控制，對常用的三種砂輪，分別預(yù)制三種不同主軸轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)在更換砂輪后，直接通過面板選擇相應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速，保障了砂輪的線速度。

(3)增加切削液冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備磨削時自動冷卻，刀具的表面粗糙度值從原來的Ra=1.6μm提高到現(xiàn)在的Ra=0.4μm。

2.改造前后機床加工狀況對比分析

改造前，機床主要存在如下問題:

(1)修磨的拉刀經(jīng)常出現(xiàn)加工零件異常:加工零件M 值大、零件有拉痕、零件R 值超差、零件端跳超差、表面粗糙度值超差、零件有橢圓等。

(2)拉刀使用壽命短，修磨次數(shù)頻繁。以拉刀使用點XF1138 設(shè)備為例，分別從修磨次數(shù)、加工異常次數(shù)及換刀頻次3 個方面，對改造前后對比分析(見表1、表2)。

表1 改造前XF1138 拉刀加工跟蹤

表2 改造后XF1138 拉刀加工跟蹤

(續(xù))

由設(shè)備改造前后對比分析可以看出，取得了如下顯著效果:

(1)修磨次數(shù)大幅降低，延長刀具壽命。

(2)改造后幾乎沒有出現(xiàn)過加工異?，F(xiàn)象，零件加工質(zhì)量顯著提升。

(3)零件加工數(shù)量提高，降低刀具消耗，提升設(shè)備能力值。

3.電主軸選型及設(shè)計方案

拉刀是一種成形尺寸刀具，在使用過程中一般只刃磨前刀面。拉刀刃磨是在專用的拉刀磨床上進行的，當(dāng)在專用手工拉刀磨床上進行時，需要利用磨外圓夾具帶動拉刀做旋轉(zhuǎn)運動。刃磨時，砂輪的進給和退出路線是由上至下，自左向右，直至將刀齒上的磨損部分全部磨去為止。停止砂輪進給后，需先磨一個短時間(幾秒至十幾秒)。砂輪退出時，為了防止砂輪垂直上升時碰傷刀刃，一般自右向左平行退出一段距離，然后快速垂直上升，接著刃磨另一個刀齒。要保證拉刀刃口的平整，刃磨后前刀面的表面質(zhì)量要求較高，一般要求表面粗糙度值Ra=0.4μm，設(shè)備改造前刀具刃磨的表面粗糙度值Ra=1.6μm，而刀具的表面粗糙度值與設(shè)備的砂輪線速度及主軸跳動大小有直接關(guān)系。對比分析法國SMP 進口刀具磨床，砂輪主軸采用了德國GMN 電主軸，最高轉(zhuǎn)速是21 000r/min，跳動是0.01mm。原設(shè)備主軸使用普通三相異步電動機，轉(zhuǎn)速只有2 800r/min，跳動是0.04mm。因此，想要提高刀具刃磨后的表面質(zhì)量，主軸必須采用電主軸，而進口電主軸價格高，且沒有合適安裝尺寸。為了既可改善設(shè)備加工質(zhì)量，又能降低成本，我們決定嘗試采用國產(chǎn)電主軸。在眾多國產(chǎn)電主軸生產(chǎn)廠家中，依據(jù)廠家實力及以往合作經(jīng)歷，我們選擇了洛陽軸研科技股份有限公司。與洛陽軸研科技股份有限公司協(xié)商，依據(jù)現(xiàn)有機床特點，經(jīng)過多次測繪及試驗，訂做了120MD12Z4.5L 型電主軸。

主要技術(shù)參數(shù)為:轉(zhuǎn)速12 000r/min，功率:4.5kW (S6 線制，60%常載率)，電壓330VAC，電流13.5A (S6 線制，60%常載率)，頻率200Hz，相數(shù)為3 相，旋向是從軸伸端看順時針旋轉(zhuǎn)，內(nèi)孔1.5內(nèi)錐，外形尺寸(D×L):φ120h5×255mm。

4.變頻調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

電主軸必須與變頻器配合使用，依據(jù)優(yōu)先選用工廠使用量較大的變頻器品牌，我們選用了施耐德ATV71 系列變頻器。

變頻器功能參數(shù)很多，有數(shù)十種參數(shù)供用戶選擇。實際應(yīng)用中，沒必要對每一參數(shù)都進行設(shè)置和調(diào)試，多數(shù)只要采用出廠設(shè)定值，根據(jù)設(shè)備應(yīng)用需求進行設(shè)定和調(diào)試。主要參數(shù)配置如表3 所示。

表3

為實現(xiàn)通過外部開關(guān)直接控制主軸轉(zhuǎn)速，首先需要設(shè)定需要的預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速(變頻器參數(shù)中400Hz 對應(yīng)18 000r/min)，如表4 所示。

表4 (單位:Hz)

其次，預(yù)設(shè)速度是通過輸入點的組合使用，選擇對應(yīng)的預(yù)設(shè)速度，如圖1 中，通過輸入點LI1-6 的組合使用，最多可以選擇16 個預(yù)設(shè)速度。

圖1

最后還需要在菜單1.5 中相應(yīng)的輸入點進行參數(shù)配置，“v”表示激活對應(yīng)的輸入點，輸入點激活后，可以輸入一個開關(guān)量(24 VDC)，使對應(yīng)的輸入點為“0”或“1”。

5.電氣原理圖設(shè)計

(1)機床控制部分:原設(shè)備機床控制部分使用是220VAC，能耗大，安全性低。改造后，所有控制回路全部使用低壓24VDC 控制電源。

(2)變頻調(diào)速控制部分:通過轉(zhuǎn)換開關(guān)控制變頻器的輸入點:L3/L4/L5，可以實現(xiàn)三種不同的預(yù)置速度相互切換(見圖2)。

圖2

6.冷卻系統(tǒng)設(shè)計

(1)電主軸冷卻設(shè)計部分:根據(jù)洛陽軸研科技股份有限公司提供的120MD12Z4.5L 型電主軸使用說明，主軸電動機采用水冷卻定子外殼及前軸承，冷卻水自主軸尾端下方進入，從上方排出。電主軸溫度控制在50°內(nèi)，水泵實際流量按10～12L/min 的要求，選擇泵及設(shè)計水箱。

齒輪泵具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價格低、工作可靠、自吸性能好、對油液污染不敏感、維護方便等特點，故優(yōu)先考慮。

主軸使用說明要求水泵實際流量為10～12L/min;齒輪泵容積效率為0.7～0.9，由此計算泵額定流量。泵額定流量=實際流量×1.3≈6L/min，因此選擇CB—B16 型齒輪水泵。

水箱容積的計算:該型號電動機功率為4.5kW，功率損失0.05。散熱面積

按立方體形箱體計算，箱體有效散熱面積估算公式:A≈6.66×(V2)1/3，V=［(A/6.66)3］1/2=0.027m3(約30L)。

工作原理如圖3 所示。

圖3

(2)切削液設(shè)計部分:切削液的冷卻作用使切削溫度降低，切削液的潤滑作用使砂輪和被加工表面間的摩擦狀況得到改善，從而減少了切削過程的塑性變形，對降低表面粗糙度值有很大作用。冷卻方式為水冷，由于磨削進給量小于0.2mm，因此選擇大于20Pa 的提升泵即可，水箱容積30L (設(shè)計圖樣與主軸冷卻箱一致)。

7.實施效果

對襄陽工廠使用拉刀的生產(chǎn)線設(shè)備，通過改造前后對比分析，所有改造后的刀具使用壽命均得到有效提高，刀具異常次數(shù)降為零。

(1)經(jīng)濟效益:自主設(shè)計改造，實際投入備件采購成本13 668 元。改造完成后，經(jīng)兩年的實際應(yīng)用，刀具消耗成本下降180 萬元/年。

(2)社會效益:目前國內(nèi)電主軸多為進口產(chǎn)品，在拉刀磨床改造上使用國產(chǎn)電主軸，在刀具磨床應(yīng)用領(lǐng)域并不多見，為今后國產(chǎn)電主軸的應(yīng)用提供了借鑒，對加快我國電主軸事業(yè)的發(fā)展起到了積極的作用。