銑床刀桿支撐剛性的改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉鳳武，楊鐵牛

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

銑床刀桿支撐剛性的改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉鳳武，楊鐵牛

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

針對(duì)雙銑頭數(shù)控螺桿銑床刀具系統(tǒng)在加工過程中存在刀桿尾端振動(dòng)量過大、銑刀磨損嚴(yán)重、螺桿徑向加工尺寸精度不高的問題，對(duì)刀具的刀桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了對(duì)心套.基于PROE軟件，建立原刀桿的三維模型，并將該模型導(dǎo)入WORKBENCH中進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)仿真，在對(duì)心套和刀桿之間分別添加間隙量1.0 mm、0.5 mm、0.1mm.仿真結(jié)果表明：刀桿在沒有添加對(duì)心套時(shí)，其尾端的變形量高達(dá)3.3mm，銑刀的振動(dòng)變形量為0.36 mm；添加對(duì)心套且采用合理間隙量0.1mm后，刀桿尾端的變形量降為0.16 mm，銑刀的振動(dòng)變形量約為0.01mm.說明添加對(duì)心套對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)是合理和必要的.

數(shù)控螺桿銑床；銑刀刀桿；有限元；對(duì)心套

銑床的動(dòng)態(tài)特性是研究的熱點(diǎn)問題[1]，刀具的振動(dòng)是制約銑床加工精度的一個(gè)關(guān)鍵因素[2].較低的刀桿剛度對(duì)銑刀穩(wěn)定性有重要影響，但會(huì)使得加工螺桿的精度和表面粗糙度無法得到保證，并會(huì)降低切削刀具和銑床的工作壽命，甚至?xí)霈F(xiàn)崩刀的情況；而通過整體提高機(jī)床剛度來降低加工刀具振動(dòng)幅值的效果也不明顯，并且研究的工作量大、周期長(zhǎng).因此，獲得刀桿最優(yōu)的動(dòng)態(tài)剛度和加工穩(wěn)定性顯得尤為重要.本文針對(duì)中山古鎮(zhèn)某公司的雙銑頭數(shù)控螺桿銑床，從仿真和驗(yàn)證兩個(gè)層面對(duì)如何提高銑床的徑向進(jìn)給剛度進(jìn)行研究，為提高銑床加工精度探索新的解決方法.

1　銑削過程中刀桿的運(yùn)動(dòng)與失效分析

刀桿的結(jié)構(gòu)尺寸取決于銑刀支座的結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)本文改進(jìn)的刀桿和銑刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，即在原結(jié)構(gòu)中增加了圖1中的k構(gòu)件.

圖1　刀桿和銑刀改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在加工螺桿的過程中，銑刀運(yùn)動(dòng)的傳遞順序是：1）經(jīng)過齒輪間的嚙合，銑刀電機(jī)將運(yùn)動(dòng)傳遞到空心軸h處；2）空心軸被刀桿尾端的墊片m夾緊，并將運(yùn)動(dòng)傳遞給刀桿；3）通過過盈配合，空心軸前端的錐面e和銑刀錐面f將運(yùn)動(dòng)傳遞到銑刀.

刀桿在銑刀銑削加工的過程中，通過刀桿前端和銑刀尾部的緊螺紋配合，對(duì)刀具產(chǎn)生一個(gè)水平的拉力，使得銑刀和空心軸端面之間緊密配合，并在貼緊錐面處產(chǎn)生靜摩擦力，以此克服刀具在加工過程中的切削力矩，使得螺桿加工順利進(jìn)行.值得注意的是，錐面處的摩擦面不但能提供較大的摩擦力，確保切削過程中刀具的穩(wěn)定性，還能在刀具過載時(shí)起到防打滑的作用.

刀桿的固定僅靠尾端墊片m與空心軸h橫截面之間的預(yù)緊作用，在預(yù)緊的過程中需經(jīng)常使用鐵錘敲擊.加工螺桿的過程中，刀桿失效的主要原因有：1）刀桿前端的螺紋和銑刀的刀柄之間采取過盈配合，螺紋在使用一段時(shí)間后會(huì)疲勞失效；2）在擰緊刀桿的過程中，需要用鐵錘撞擊套筒扳手，這一過程會(huì)使刀桿局部變形，并加大刀桿旋轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)不平衡性，同時(shí)，在螺桿加工的過程中，離心力使得刀桿振動(dòng)劇烈并影響刀具的加工精度；3）刀桿結(jié)構(gòu)本身的缺陷，如刀桿前端和銑刀過盈配合、刀桿尾端和空心軸間采用大間隙配合等.

2　刀桿結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與受力分析

2.1刀桿結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

刀桿在添加對(duì)心套后的三維建模如圖2所示，對(duì)心套k的局部放大如圖3所示.

由于加工過程換刀較頻繁，所以對(duì)心套k和刀桿j間不能采用較緊的配合，而是要留有一定的間隙.為了檢驗(yàn)這一間隙對(duì)刀桿尾端n處振動(dòng)幅值的影響，選取對(duì)心套k和刀桿j間的間隙量分為1.0 mm、0.5 mm和0.1mm進(jìn)行仿真研究，并加工相應(yīng)的零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

圖2　改進(jìn)后的刀桿、銑刀、空心軸的三維裝配圖

圖3　對(duì)心套的局部放大圖

2.2銑刀在銑削過程中的受力分析

銑床加工過程中，銑刀主要受力如圖4所示：1）Fc是作用于銑刀圓周切線方向上的分力；2）Fn是作用于銑刀半徑方向上的分力；3）Fa是沿著銑刀軸線方向上的分力.

圖4　銑刀加工受力分析示意圖

圓周銑削力的計(jì)算公式為[3]：

其中，F(xiàn)c是銑刀切向分力；Cp是工件材料對(duì)切削力的影響系數(shù)；ap是銑刀的背吃刀量；fZ是每齒的進(jìn)給量；B是銑削寬度；Z是銑刀的刀刃數(shù)；K是刀具前角對(duì)切削力的影響系數(shù)；K1是切削速度對(duì)切削力的影響系數(shù)；d0是銑刀的直徑.參考文獻(xiàn)[4]和實(shí)際的加工參數(shù)，本文Cp取值為68，ap取值為20 mm，fZ取值為0.07 mm/Z，B的取值是28 mm，K的取值是1.2，K1的取值是1，d0的取值是28 mm.代入式（1）得：Fc=7 455.50 N .一般，切向力Fc和徑向力Fn之比為1.5～4，本文取2.5，代入得：Fn=2 982.20 N .通常，由于軸向力Fa很小，一般可以忽略.

3　刀桿結(jié)構(gòu)修改前后的有限元分析

將原三維模型導(dǎo)入到ANSYS中去，結(jié)合刀具實(shí)際加工螺桿過程中的參數(shù)，計(jì)算出刀桿在各個(gè)連接處所受的力，并在ANSYS中添加對(duì)應(yīng)的約束.經(jīng)計(jì)算得出，刀具在加工中受力Fc=7 455.50 N，F(xiàn)n=2 982.20 N ；刀桿的材料是45號(hào)鋼，密度為7.89× 103kg/m3；刀桿的泊松比是0.269；刀桿的彈性模量為210 GPa，刀具的材料是W6M05Cr4V2；銑刀密度8.16× 103kg/m3；銑刀彈性模量是218 GPa；銑刀的泊松比為0.3.在ANSYS中添加約束力和約束條件，分析刀桿尾端初始變形量（如圖5所示）.從圖5中可以清楚地看到：沒有添加對(duì)心套之前，刀桿尾端的變形量比較大，其最大變形量是3.3 mm，而此時(shí)銑刀的變形量是0.36 mm.刀桿隨著空心軸一起做轉(zhuǎn)速為362 r/min的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于刀桿和空心軸之間的間隙量為8 mm，因此在沒有添加對(duì)心套之前，刀桿缺乏軸向定位，由于刀桿尾端的動(dòng)態(tài)剛度不夠，從而使得其在旋轉(zhuǎn)過程中的變形量達(dá)到了3.3 mm.而刀桿尾端的較大跳動(dòng)量又導(dǎo)致了銑刀的振動(dòng)變形量高達(dá)0.36 mm，進(jìn)而影響了銑床的加工精度.

圖5　添加對(duì)心套前，刀桿結(jié)構(gòu)總的變形量分布

在刀桿尾端添加對(duì)心套，并分別設(shè)對(duì)心套和刀桿之間的間隙量為1.0 mm、0.5 mm和0.1mm，刀桿總的變形量分布如圖6所示，刀桿尾端變形量和銑刀振動(dòng)變形量見表1.

圖6 添加對(duì)心套后，刀桿結(jié)構(gòu)總的變形量分布

表1　結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后，刀桿結(jié)構(gòu)的變形量比較

由圖5和圖6，以及表1可知：

1）刀桿尾端變形量的降低是由于添加了對(duì)心套.添加對(duì)心套后，提高了刀桿在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的對(duì)中作用，也增加了刀桿系統(tǒng)的剛度，使得整個(gè)刀桿系統(tǒng)在軸向方向上動(dòng)平衡了，正是由于刀桿尾端變形量的降低，才使得銑刀的振動(dòng)變形量也降低了，進(jìn)而間接提高了銑床加工螺桿的精度和質(zhì)量.

2）對(duì)心套和刀桿之間的最佳間隙量是0.1mm.因?yàn)殚g隙量小于0.1mm，會(huì)使刀桿和對(duì)心套之間的磨損嚴(yán)重，降低刀具的使用壽命，影響銑刀的加工精度；另外，過小的間隙量也會(huì)使刀具系統(tǒng)裝拆困難，不利于加工過程中的換刀工作.為了驗(yàn)證間隙量的最佳值是0.1mm，在工廠中加工了不同尺寸的對(duì)心套，并用工廠的百分表測(cè)量了不同間隙量下刀桿尾端處的跳動(dòng)量的變化值，結(jié)果顯示：在間隙量是0.1mm的情況下，銑刀的跳動(dòng)幅值最小.

4　結(jié)束語(yǔ)

本文在控制企業(yè)加工制造成本的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并尋找出了一款最佳的零件配合方案.根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化方案，對(duì)其進(jìn)行了建模仿真.通過仿真模擬和加工實(shí)驗(yàn)，確定了對(duì)心套和刀桿之間的配合量.該方案配合合理、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠有效提高銑刀的加工精度，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).通過設(shè)計(jì)零件來調(diào)節(jié)系統(tǒng)剛度的方法可以應(yīng)用到其他機(jī)床上，以提高企業(yè)的整體加工水平.如何快速得出某一系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度是需要進(jìn)一步研究的問題.

[1] 李斌，李培根.數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)策[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2008,4(2): 66-69.

[2] 張彩芬.CK7815型數(shù)控車床主軸部件動(dòng)態(tài)特性分析及改進(jìn)[D].西安：西安理工大學(xué)，2007.

[3] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版：第2卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4] 徐燕.機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[5] 王先逵.機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Improved Designs for the Support Rigidity of the Machine Tool Bar

LIU Feng-wu,YANG Tie-niu
(School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuyi University,Jiangmen 529020,China)

In view of the too large toolbar end vibration,too much cutter wear and the lack of accuracy in the radial dimension of the screw,the tool cutter bar structure is improved with an additional shaft sleeve.Based on the PROE software,a 3D model of the original tool bar is established and is put in the WORKBENCH for a finite element simulation and additional amounts of 1.0 mm,0.5 mm,0.1mm are added to the gap between the shaft sleeve and the milling cutter bar respectively.The simulation results show: the milling cutter bar without a shaft sleeve has a deformation of 3.3mm at shaft end,and cutter vibration deformation is 0.36 mm; with a shaft sleeve and an addition of 0.1mm clearance,the deformation of the cutter end decreases to 0.16 mm and the vibration of milling cutter bar is reduced to about 0.01mm.The results suggest that the addition of a shaft sleeve is reasonable and necessary to improving the toolbar structure.

CNC screw milling machines; milling cutter bars; finite elements; shaft sleeves

TG54

A

1006-7302（2016）01-0041-05

2015-10-19

廣東省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目資助（2013B090600123）

劉鳳武（1990—），男，湖北襄陽(yáng)人，在讀碩士生，主要從事機(jī)械振動(dòng)測(cè)試方面的研究；楊鐵牛，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造、IC裝備壓力分布等研究.