創(chuàng)新性的外銑裝置

郭秀英

(沈陽(yáng)第一機(jī)床廠，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

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創(chuàng)新性的外銑裝置

郭秀英

(沈陽(yáng)第一機(jī)床廠，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

針對(duì)中速機(jī)曲軸的粗加工問(wèn)題，推出一款創(chuàng)新性外銑裝置;通過(guò)對(duì)自身技術(shù)的論述，顯示本裝置的創(chuàng)新性、高剛性，旨在推進(jìn)制造業(yè)的創(chuàng)新，強(qiáng)大自主品牌。

外銑裝置；創(chuàng)新性；高剛性；三種工作姿態(tài)

近幾年，我國(guó)船舶工業(yè)快速發(fā)展，船舶工業(yè)的配套發(fā)展卻嚴(yán)重滯后，關(guān)鍵船用配套零件仍然依賴進(jìn)口。船用中、低速機(jī)曲軸等關(guān)鍵零件出現(xiàn)了供應(yīng)緊張，成為當(dāng)前我國(guó)造船發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一。

國(guó)際上，批量大的中速機(jī)曲軸在制造工藝、刀具等等方面都發(fā)生了推陳出新的變化：多工序、多臺(tái)設(shè)備、多刀車削的工藝,由于反復(fù)裝卡帶來(lái)的加工精度低和效率低等原因，已退出歷史舞臺(tái)。工序集中、高速、高效、復(fù)合加工技術(shù)在中速機(jī)曲軸加工生產(chǎn)中已廣為應(yīng)用。

受國(guó)際發(fā)展的影響，近年國(guó)內(nèi)中速機(jī)曲軸制造商也紛紛改進(jìn)曲軸加工工藝，由分散工藝向集中工藝靠近。在國(guó)內(nèi)機(jī)床制造商無(wú)法提供適合集中加工的車銑復(fù)合加工中心情況下，有影響力的曲軸制造商開(kāi)始投入高額費(fèi)用采購(gòu)進(jìn)口設(shè)備，以便滿足發(fā)展的需求。其中以?shī)W地利WFL公司生產(chǎn)的車銑復(fù)合加工中心為首選。該公司適合中速機(jī)曲軸加工規(guī)格的機(jī)床主要參數(shù)如表1所示。

表1　奧地利WFL機(jī)床主要參數(shù)表

曲軸材料多為鑄鐵或鍛鋼，國(guó)內(nèi)制造的曲軸毛坯表面更為不均勻且硬度較高(有些品種269HB)，余量多達(dá)20～30 mm。對(duì)于僅有刀具主軸輸出扭矩730 N·m的奧地利WFL設(shè)備，用戶購(gòu)買(mǎi)后主要用于半精加工和精加工，曲軸主軸頸或連桿頸的粗加工采用棒銑刀時(shí)要分4～6次以上走刀，效率低，且棒銑刀進(jìn)行連桿頸的銑削時(shí)，隨著曲軸回轉(zhuǎn)直徑的加大，刀具懸伸亦要加大，必然剛性不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)粗加工需求。為此，用戶仍需另外配備粗加工曲軸設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次裝卡完成曲軸磨削前各個(gè)部位的粗精加工。

針對(duì)用戶市場(chǎng)上述情況，某機(jī)床廠開(kāi)發(fā)了一款大型車銑復(fù)合加工中心，它配有兩個(gè)刀架，其參數(shù)如表2所示。

表2　某機(jī)床廠大型車銑復(fù)合加工中心參數(shù)表

其外銑刀架對(duì)于毛坯余量20～30 mm的曲軸僅需2～3次走刀即可完成粗加工，相同時(shí)間內(nèi)金屬去除量提高1.6倍，效率明顯提高。雙刀架的配置可實(shí)現(xiàn)一次裝卡完成曲軸磨削前加工，使得曲軸加工更為集中、高效。下面介紹包含此外銑刀架的外銑裝置。

1　外銑裝置

圖1所示，本外銑裝置側(cè)掛于大型車銑復(fù)合加工中心具有Z軸運(yùn)動(dòng)功能的立柱1右側(cè)(左側(cè)懸掛B軸刀架)?？紤]到本裝置的高性能，刀盤(pán)設(shè)有3種工作姿態(tài)：面向左、右為大刀盤(pán)加工曲軸時(shí)工作姿態(tài)，面向下時(shí)或?yàn)榇蟮侗P(pán)過(guò)渡姿態(tài)，或換成帶中心出水的小刀盤(pán)，用于其他大型工件加工。左右兩個(gè)工作位置均配有外冷水管10。本外銑裝置由如圖1重要部分組成。

1.1X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖1所示，本外銑裝置配合相關(guān)部件立柱1上安裝的導(dǎo)軌、絲杠、光柵尺及平衡油缸實(shí)現(xiàn)X軸方向的運(yùn)動(dòng)。具體如下：立柱1上電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)X軸絲杠20旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)安裝在滑板4上的X軸絲母3和17運(yùn)動(dòng)?；?沿著安裝在立柱1上的X軸導(dǎo)軌19和X軸導(dǎo)軌21實(shí)現(xiàn)外銑刀架6 沿X軸方向運(yùn)動(dòng)。X軸配光柵尺14，與其他軸形成聯(lián)動(dòng)。

為了保證外銑裝置高剛性，設(shè)計(jì)時(shí)將X軸導(dǎo)軌19和21間距定為1 300 mm，是刀具Y向最大懸伸狀態(tài)下刀具中心距導(dǎo)軌21中心距離830 mm的1.56倍；另外在Y向外銑裝置的質(zhì)心處沿X軸方向設(shè)置平衡油缸18，減輕X軸絲杠載荷，確保X軸電動(dòng)機(jī)、絲杠系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定可靠。導(dǎo)軌絲杠均采用進(jìn)口、高剛性、重載荷產(chǎn)品。

1.2Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及鎖緊機(jī)構(gòu)

圖2為本外銑裝置在X、Y平面的剖視圖，Y軸電動(dòng)機(jī)9經(jīng)過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與進(jìn)給箱15連接的Y軸絲母6運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給箱15在滑板7上沿Y向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)?shù)毒咴赮向上定點(diǎn)工作時(shí)，如粗加工曲軸外形時(shí)，為提高系統(tǒng)剛性，避免絲杠受力，保證機(jī)床的精度，設(shè)計(jì)了鎖緊機(jī)構(gòu)如圖1所示：鎖緊壓板9通過(guò)10個(gè)直徑為35 mm的鎖緊活塞配合鎖緊壓板8上10個(gè)直徑為70 mm的鎖緊活塞15，在7 MPa高壓的的作用下將進(jìn)給箱7與滑板4實(shí)現(xiàn)連接。這20個(gè)活塞是由可實(shí)現(xiàn)高、低壓轉(zhuǎn)換的液壓閥組控制。刀具非定點(diǎn)工作時(shí)，20個(gè)活塞在1 MPa的壓力作用下，配合已有導(dǎo)向面對(duì)圖1中的進(jìn)給箱7起導(dǎo)向作用。由于是液壓形成的阻力，對(duì)于粗加工引起的振動(dòng)有很好的減弱作用，同時(shí)可滿足加工精度的要求。

1.3進(jìn)給箱

如圖2所示，進(jìn)給箱15內(nèi)機(jī)構(gòu)可對(duì)刀具主軸實(shí)現(xiàn)兩檔變速, 滿足不同規(guī)格尺寸曲軸加工時(shí)線速度的需求。首先撥叉14將滑移齒輪組4送至某一嚙合位置,刀具主軸電動(dòng)機(jī)10通過(guò)齒形帶11將動(dòng)力依次傳到Ⅰ軸12、Ⅱ軸13、Ⅲ軸16，最后是Ⅳ軸2。Ⅳ軸2通過(guò)聯(lián)軸器1將動(dòng)力傳入外銑刀架的傘齒輪軸17，完成動(dòng)力的輸出。

為使進(jìn)給箱15減速機(jī)構(gòu)噪聲小、發(fā)熱低、壽命長(zhǎng)，作了如下設(shè)計(jì)：齒輪磨削，精度6級(jí)，各軸的同軸度要求在0.01～0.02 mm之間；進(jìn)給箱15底部注有潤(rùn)滑油，設(shè)有高低液位報(bào)警器8，齒輪和軸承的潤(rùn)滑靠輪3和大齒輪5侵入液面部分旋轉(zhuǎn)時(shí)攪動(dòng)潤(rùn)滑油，實(shí)現(xiàn)飛濺潤(rùn)滑。同時(shí)潤(rùn)滑油通過(guò)外部配有吸油泵的恒溫油箱循環(huán)，帶走熱量。

在圖2中，為減弱粗加工引起的振動(dòng),進(jìn)給箱15采用HT300。與滑板7產(chǎn)生滑動(dòng)的接觸面處局部高頻淬火52HRC，一方面防止鎖緊活塞壓潰，另一方面可提高使用壽命。

如圖2，進(jìn)給箱15在Y向的長(zhǎng)度為2 084 mm、截面為550 mm×675 mm，重量1 400 kg。各軸支撐孔的平均直徑130 mm，尺寸精度7級(jí)，粗糙度1.6 μm，且各軸的同軸度要求在0.01～0.02 mm之間，屬于大型箱體類零件，加工難度大。工藝上如直接采用數(shù)控機(jī)床、即便兩頭鏜削，刀具懸伸長(zhǎng)度也在刀具直徑的8倍，無(wú)法保證上述技術(shù)要求。最終采用在進(jìn)給箱箱體中間部位設(shè)置工藝孔，支撐刀具前端，組合工裝卡具解決了這一難題。

通過(guò)對(duì)用戶市場(chǎng)的調(diào)研，以中速機(jī)曲軸8N330為例，要完成單邊切深10～15 mm、硬度在202HRB、切寬50～80 mm的毛皮表面，采用刀具直徑為1 400 mm，轉(zhuǎn)速在26 r/min左右功效最佳。如圖2，將刀具主軸電動(dòng)機(jī)10選定西門(mén)子1PH7184，其功率78 kW、扭矩298 N·m。經(jīng)過(guò)齒形帶11、進(jìn)給箱15及外銑刀架18減速后，外銑刀架18可輸出10 000 N·m的扭矩，充分滿足了以中速機(jī)曲軸為代表的大型軸類零件粗加工需求。

1.4外銑刀架

圖3所示，外銑刀架(同圖1中序號(hào)6)以連接板9上止口為定位、通過(guò)螺栓固定在圖2所示的進(jìn)給箱15前端面。傘齒輪軸13將由進(jìn)給箱輸出的動(dòng)力傳給固定在輸出軸5上的傘齒輪4，進(jìn)而帶動(dòng)輸出軸5和外銑刀盤(pán)19旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)銑削加工。外銑刀盤(pán)19通過(guò)止口、螺栓與輸出軸5連接，對(duì)稱布局的傳動(dòng)鍵1確保動(dòng)力的輸出。輸出軸5前端采用雙列交叉圓柱滾子軸承3，后端采用深溝球軸承8，高剛性、高強(qiáng)度支承。

刀架箱體2選用高強(qiáng)度且抗振好的球墨鑄鐵QT500-5，適合粗加工工況。編碼器10指揮刀架箱體2的轉(zhuǎn)位角度，從而實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)3種工作姿態(tài)。

外銑刀架有兩組齒盤(pán)，兩組齒盤(pán)均采用矩形平行齒、四等分，滾針軸承14和格萊圈16起導(dǎo)向作用。

鎖緊齒盤(pán)組：定齒盤(pán)12固定在連接板9上，動(dòng)齒盤(pán)17通過(guò)活塞15固定在刀架箱體2上?；钊?8在油壓作用下，推動(dòng)活塞15帶動(dòng)動(dòng)齒盤(pán)17鎖緊在定齒盤(pán)12上，實(shí)現(xiàn)刀架箱體2鎖緊在連接板9上。動(dòng)力經(jīng)傘齒輪軸13傳入到傘齒輪4，進(jìn)而帶動(dòng)刀盤(pán)19旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)位齒盤(pán)組：動(dòng)齒盤(pán)6固定在傘齒輪軸13上，定齒盤(pán)7固定在活塞15上。活塞15固定在箱體2上，在油壓的作用下，帶動(dòng)動(dòng)齒盤(pán)17與定齒盤(pán)12分開(kāi)，同時(shí)推動(dòng)定齒盤(pán)7與動(dòng)齒盤(pán)6結(jié)合，動(dòng)力經(jīng)傘齒輪軸13傳至傘齒輪4，刀架箱體2便隨傘齒輪軸5一起旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀盤(pán)19繞Y軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具3個(gè)姿態(tài)變換。

刀盤(pán)19或刀架箱體2旋轉(zhuǎn)前需自動(dòng)檢測(cè)開(kāi)關(guān)11的信號(hào)狀態(tài)：動(dòng)齒盤(pán)17與定齒盤(pán)12處于何種關(guān)系，以免產(chǎn)生誤操作。

刀盤(pán)3種工作姿態(tài)的用法：刀盤(pán)在圖4所示的狀態(tài)下加工曲軸1右端主軸頸部位，為保證動(dòng)態(tài)系統(tǒng)剛性，刀盤(pán)直徑會(huì)盡可能小，此時(shí)刀架箱體2與機(jī)床右端副主軸箱3干涉如圖4a。因此為實(shí)現(xiàn)一次裝卡完成曲軸各個(gè)部位加工，刀架箱體2需要旋轉(zhuǎn)180°，刀盤(pán)處于向右工作姿態(tài)4，即可實(shí)現(xiàn)加工需求。主機(jī)立柱5左側(cè)懸掛B軸刀架8，當(dāng)B軸刀架8加工曲軸1右端軸頸時(shí)，外銑刀盤(pán)在Z軸方向會(huì)處于右主軸箱3上方。如刀盤(pán)位于右主軸箱上6狀態(tài)時(shí)，會(huì)致使立柱5過(guò)高，影響整體剛性，因此需刀盤(pán)處于刀盤(pán)面向下姿態(tài)7，便可解決此問(wèn)題。當(dāng)?shù)侗P(pán)面向下時(shí)也可更換小直徑面銑刀，配合Y軸方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平面的銑削加工。

1.5刀盤(pán)

如圖5所示，將刀盤(pán)體4外圓加工成鋸齒槽，每個(gè)槽內(nèi)安裝一刀夾體5，采用鍵定位。刀片1負(fù)責(zé)右端面及徑向外圓加工，兩片錯(cuò)開(kāi)的刀片2負(fù)責(zé)徑向外圓加工，刀片3負(fù)責(zé)左端面及徑向外圓加工。

2　切削試驗(yàn)

對(duì)首套外銑裝置進(jìn)行切削試驗(yàn)，以某用戶曲軸8N330加工為例，材質(zhì)S44SY,硬度202HB，毛坯單邊余量22 mm。加工工藝確定如下參數(shù)：刀盤(pán)直徑1 400 mm、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速26 r/min、單邊切深10 mm、車削主軸帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)速120 r/min，在曲軸的中部粗加工曲軸連桿頸，一側(cè)面和外圓為主要去除面。在圖3中軸承3和8處采集5組振動(dòng)幅值數(shù)據(jù)，平均數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6，可見(jiàn)本外銑裝置完全滿足粗加工需求。

對(duì)圖4中立柱5左側(cè)掛箱上B軸刀架8精加工工件的表面進(jìn)行尺寸精度、形位工差檢測(cè)，均達(dá)到用戶在磨削前對(duì)曲軸狀態(tài)的要求?？梢?jiàn)粗精加工在一臺(tái)設(shè)備上完成是完全可行的。

3　創(chuàng)新點(diǎn)

3.13種工作姿態(tài)

傳統(tǒng)的外銑刀盤(pán)僅有一個(gè)工作姿態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)圖4的干涉情況，只能將工件卸下、掉頭加工。本外銑裝置具有3種工作姿態(tài)，有效地解決了這一問(wèn)題，且剛性完全滿足加工需求，可謂創(chuàng)新。

3.2結(jié)構(gòu)緊湊的兩組齒盤(pán)

外銑刀架鎖緊齒盤(pán)組位于大直徑外圈，便于產(chǎn)生更大力矩，確保刀盤(pán)工作時(shí)高剛性。轉(zhuǎn)位齒盤(pán)組位于內(nèi)圈。兩組齒盤(pán)互為聯(lián)動(dòng)，是創(chuàng)新點(diǎn)，整體結(jié)構(gòu)緊湊，成本低。

3.3大扭矩輸出

從表1和表2可見(jiàn)，本外銑裝置輸出扭矩大，是其它進(jìn)口機(jī)床上不具備的。它賦予車銑復(fù)合加工中心更強(qiáng)大的功能，帶給曲軸加工工藝全新的變化，使粗精加工在一臺(tái)設(shè)備上得以實(shí)現(xiàn)，是實(shí)至名歸的創(chuàng)新。

4　結(jié)語(yǔ)

本文介紹的外銑裝置是一款全新的功能部件，整體結(jié)構(gòu)緊湊，具有獨(dú)到的創(chuàng)新性、高的技術(shù)含量。本裝置應(yīng)用在大型車銑復(fù)合加工中心上在國(guó)內(nèi)已有多位重要客戶。它的成功，使應(yīng)用本裝置的大型車銑復(fù)合加工中心提高了競(jìng)爭(zhēng)力，打破了重點(diǎn)行業(yè)的大型、關(guān)鍵設(shè)備被國(guó)外機(jī)床壟斷的局面。應(yīng)用它的機(jī)床價(jià)格是同類進(jìn)口設(shè)備的2/3，為用戶節(jié)約了大量資金。同時(shí)可以使國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)的重要零部件的加工更上一個(gè)臺(tái)階。本外銑裝置應(yīng)用前景十分廣闊。

[1]黃超.車銑復(fù)合加工曲軸的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[2]鄒小堤，胡純.五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合制造工藝技術(shù)應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(4)：49-52.

[3]邵欽作.創(chuàng)新與突破—我國(guó)數(shù)控機(jī)床重大創(chuàng)新產(chǎn)品簡(jiǎn)介[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2014(3)：69-74.

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Innovative milling device

GUO Xiuying

(Shenyang No.1 Machine Tool Works，Shenyang 110142，CHN)

Aimed at the problem of rough machining for the crankshaft of medium speed machine, introduce an innovative external milling device; the device displays innovation and high rigidity through discussing its technology, and aimed to promote the innovation of manufacture and enhance the independent brand.

external milling device; innovative; high rigidity; three kinds of working position

TH122

B

郭秀英，女，1964年生，設(shè)計(jì)員，研究方向?yàn)檐囥姀?fù)合加工中心、自動(dòng)線。

(編輯汪藝)(2015-08-27)

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