轉(zhuǎn)臂內(nèi)孔非連貫變導(dǎo)程螺旋油槽加工技術(shù)*

姚 軍

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電與信息工程系，四川 德陽 618000)

0 引言

以前國產(chǎn)柳鋼 2800 mm中厚板軋機[1]中的轉(zhuǎn)臂內(nèi)孔采用連貫的、恒導(dǎo)程螺旋油槽保證內(nèi)外滾動面之間的潤滑，這種油槽的加工方法是根據(jù)零件特點及參數(shù)，一般采用成型盤狀刀具或指狀刀具通過銑削或車(拉)削加工而成。這種連貫的、恒導(dǎo)程螺旋油槽雖加工容易，但發(fā)現(xiàn)長期使用過程中出現(xiàn)潤滑不充分的弊端。新開發(fā)的轉(zhuǎn)臂，由于內(nèi)孔雙鍵槽的存在，內(nèi)圓面上有多個不連貫的、導(dǎo)程不同的螺旋潤滑油槽將會改善潤滑條件，但要加工這種油槽就很困難。對于不完整螺距一般由鉗工劃線后用手工或在銑床上按劃線加工。這適用于外螺旋油槽加工，對于分布在孔壁上的非連貫、變導(dǎo)程新型螺旋油槽則很難用這種方法加工。由于受導(dǎo)程升角、刀具干涉等因素的影響，一直是機械加工中的難點；又因受孔徑尺寸限制，角銑頭不能進(jìn)入其中，無法采用數(shù)控機床進(jìn)行加工。

類似方面的工作前人做了許多研究，謝樹峰[2]采用液壓原理將刀具的主運動與刀具的進(jìn)給運動聯(lián)系起來，并保證進(jìn)給呈螺旋運動，因這種方法采用液壓做動力，只適合于φ30以下的內(nèi)孔、槽深在1mm以下連續(xù)油槽；韓東熙等[3]研究普通車床上加工螺旋油槽的新方法；朱建平[4]設(shè)計了加工內(nèi)孔螺旋槽的工裝；石強等[5]研究了典型深孔內(nèi)螺旋槽的數(shù)控拉削加工等。

上述文獻(xiàn)所加工的螺旋型油槽均呈連貫、恒導(dǎo)程性質(zhì)，而非連貫、變導(dǎo)程螺旋油槽的加工尚未查到相關(guān)有價值的文獻(xiàn)資料。

本文以2800 mm中厚板軋機中的轉(zhuǎn)臂為例，選擇在普通車床(C61100)上采用自帶電機的油鉤銑頭、通過變換掛輪的方式，對現(xiàn)有機床稍加改造，實現(xiàn)內(nèi)孔中的非連貫、變導(dǎo)程螺旋油槽的加工，并且滿足精度要求。

1 轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)介紹

轉(zhuǎn)臂是由轉(zhuǎn)臂體與鋼板焊接而成[6]，其中轉(zhuǎn)臂體為鍛件，其內(nèi)孔有對稱的兩處鍵槽，被鍵槽分割的相對內(nèi)孔面上分布著導(dǎo)程不同的螺旋槽，如圖1所示。

由于鍵槽的存在，使每一段螺旋槽在空間上均不能形成完整的螺旋線，轉(zhuǎn)臂內(nèi)孔孔壁通常設(shè)計多條螺旋油槽以保證潤滑的需要，主要技術(shù)精度指標(biāo)如下：

(2)與鍵槽中心截面對稱的不連貫螺旋槽，經(jīng)計算，導(dǎo)程分別為352.25mm、259.04mm；

(3)轉(zhuǎn)臂內(nèi)孔孔壁上交錯分布18處油槽，其中10處環(huán)槽，8處螺旋槽，如圖2所示。

(4)螺旋槽起點至終點在橫截面上投影相對孔中心夾角150°。

(5)非連貫螺旋槽深度6.1 mm。

圖2 內(nèi)孔非連貫螺旋槽

2 轉(zhuǎn)臂加工難點分析

由于內(nèi)孔雙鍵槽的存在，轉(zhuǎn)臂內(nèi)孔螺旋油槽呈現(xiàn)非連貫，變導(dǎo)程的特征，對比連貫、恒導(dǎo)程螺旋油槽的加工，主要有以下難點。

2.1 螺旋槽起刀點，退刀點準(zhǔn)確位置難以確定

內(nèi)孔中的螺旋槽被兩側(cè)鍵槽分割而成不連貫，因此在銑槽時，確定螺旋槽起刀點，退刀點的準(zhǔn)確位置，并保證每一處螺旋槽起點至終點在橫截面上投影相對孔中心夾角150°，難度很大。

2.2 受大導(dǎo)程、螺旋升角影響，干涉嚴(yán)重

采用數(shù)控機床主軸裝刀盤走螺旋線是內(nèi)孔螺旋槽的加工方式之一[7]。但本文工件由于螺旋升角分別為29°及22°，導(dǎo)程分別為352.25mm、259.04mm，內(nèi)孔為φ203.45+0.05mm，其參數(shù)使得在加工中會出現(xiàn)兩個問題：一是由于導(dǎo)程太大致線速度太大，超過機床的加工極限速度；二是受螺旋升角、孔徑大小的影響，通過計算，只能加工一小段，加工到兩側(cè)受刀具半徑的影響，干涉嚴(yán)重，只能將變導(dǎo)程微分化轉(zhuǎn)化成小段恒導(dǎo)程近似加工。

2.3 車床加掛輪后加工螺旋槽無法實現(xiàn)準(zhǔn)停

另一種加工螺旋槽的方式是：選擇可以加工相應(yīng)螺距的普通機床，即可以使用掛輪的機床，改變傳動比，使之與螺距相匹配，可以加工內(nèi)孔螺旋槽。一般選用在普通車床上加工螺旋線，但普通車床掛輪后加工螺旋線，通常內(nèi)孔螺旋線在空間上是完整的，且由于其轉(zhuǎn)速形成的慣性，無法實現(xiàn)在準(zhǔn)確位置定點停止，使得該內(nèi)孔不連貫的螺旋槽的加工成為困難。

2.4 其它難點

轉(zhuǎn)臂內(nèi)孔直徑為φ203.45mm，角銑頭無法進(jìn)入內(nèi)孔，不能采用數(shù)控銑削加工。

另外，該件由于轉(zhuǎn)臂體外圓焊上鋼板，在車床加工存在偏重的問題。

由于本螺旋槽的特殊性，在制定工藝方案時，必須保證銑槽時在準(zhǔn)確位置定點起刀、定點停止，克服因?qū)С烫?，?nèi)孔過小以及刀具干涉等因素帶來的各種困難[8]。故在制定工藝方案時，必須采取必要的工藝措施著重解決這些難點。

3 技術(shù)方案的制定

針對加工中存在的難題，在制定工藝方案時，需要突破常規(guī)加工方法的局限，采用新的工藝手段，完成內(nèi)孔非連貫螺旋槽的加工，同時采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┙档统杀荆岣咝省?/p>

3.1 采用新的工藝手段

(1)確定油槽加工方式

通過對轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)及各加工難點分析，結(jié)合車間現(xiàn)場設(shè)備情況，并與機床操作人員進(jìn)行深入研討，首先需要解決加工方式問題。

根據(jù)前面分析，決定選擇“普通車床安裝銑頭” 的加工方式。

因常用角銑頭無法進(jìn)入φ203.45+0.05mm內(nèi)孔完成螺旋油槽加工，必須設(shè)計專用銑頭，考慮到不便直接采用車床動力，專用銑頭還需自帶動力，因此設(shè)計了自帶電機的油鉤專用銑頭。

其次，需保證刀具沿導(dǎo)程分別為352.25mm、259.04mm的螺旋線軌跡進(jìn)行切削，可通過適合的掛輪加以保證[9]。

(2)定點起刀、定點停止方式確定

無論是普通車床還是數(shù)控車床，盡管其主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)，設(shè)備均沒有設(shè)計有定點停止功能。因此，在加工此類零件螺旋槽時，因機床轉(zhuǎn)動慣性將使工件的加工不能達(dá)到圖紙設(shè)計要求。在現(xiàn)有條件下，為保證零件螺旋槽的加工要求，可將主軸旋轉(zhuǎn)動力源—電機脫開，采用人工控制方法，使機床主軸旋轉(zhuǎn)無慣性且能定點停位；根據(jù)機床的傳動原理，機床卡盤旋轉(zhuǎn)帶動傳動鏈上的齒輪，齒輪與機床絲杠相連，絲杠通過中拖板上的開合螺母聯(lián)接，帶動中拖板移動。根據(jù)不同的螺旋槽導(dǎo)程，在傳動鏈中通過計算并配置不同的掛輪，使之最終保證卡盤旋轉(zhuǎn)一周，中拖板及其上刀架能移動一個螺旋導(dǎo)程。這樣的加工方式，使變導(dǎo)程螺旋槽的加工變得較易實現(xiàn)。

(3)螺旋進(jìn)給運動方式確定

因為切斷了主軸旋轉(zhuǎn)動力來源，改由人工控制來傳遞旋轉(zhuǎn)力距實現(xiàn)螺旋進(jìn)給運動。受螺旋槽導(dǎo)程及螺旋升角以及傳動鏈上齒輪嚙合所產(chǎn)生的阻力等影響，人工勞動強度非常大。為減輕勞動強度，設(shè)計一個工裝輪盤，裝在機床動力源主軸上，人工控制并轉(zhuǎn)動輪盤，從而輕松控制機床旋轉(zhuǎn)力矩的傳遞，實現(xiàn)螺旋進(jìn)給運動[10]。

3.2 主要加工設(shè)備

深入生產(chǎn)現(xiàn)場，了解數(shù)控鏜床及普通車床的性能，刀、附具配置，最終決定粗加工在普通車床(C61100)上進(jìn)行，對內(nèi)孔留量加工，待焊好鋼板后在數(shù)控鏜床TK6913CNC加工內(nèi)孔，并在端面準(zhǔn)確刻出鍵槽加工位置線及螺旋槽起點、終點角度線，最后在普通車床(C61100)上完成內(nèi)孔螺旋槽的加工。

3.3 加工順序的選擇

因轉(zhuǎn)臂是由轉(zhuǎn)臂體與鋼板焊接而成，加工工藝分成兩個部分完成：

轉(zhuǎn)臂體：鍛件—加工—焊接

轉(zhuǎn)臂：焊接—去應(yīng)力退火—加工—裝配

根據(jù)工藝流程，采用以下加工順序：焊接前將轉(zhuǎn)臂體的內(nèi)孔粗加工，外圓加工；焊后在數(shù)控鏜床對φ203.45+0.05mm內(nèi)孔進(jìn)行精加工，待加工完鍵槽后再在普通車床完成內(nèi)孔各槽及螺旋槽的加工。這樣的加工順序，使加工的鍵槽與內(nèi)孔螺旋槽的相互位置得以確定，為螺旋槽的精確加工創(chuàng)造了有利條件。

3.4 基準(zhǔn)的確定

由于內(nèi)圓面上以兩鍵槽為界，交錯分布著共18處油槽，其中10處環(huán)槽，8處螺旋槽，各槽的起點與終點連線在圓柱截面上均呈弧線，向心夾角為150°，必須有明確的基準(zhǔn)點，在加工時才能保證各相互位置準(zhǔn)確。

根據(jù)加工順序及加工方式，選定在數(shù)控機床加工內(nèi)孔后，在孔端面刻上鍵槽加工線及各槽的起點、終點位置線，作為以后各工序的工藝基準(zhǔn)。在車床加工螺旋槽時，工件裝夾找正后，將基準(zhǔn)反射到卡盤上，在卡盤上刻線，保證加工時能準(zhǔn)確定位。

3.5 專用工藝裝備與刀具

螺旋槽加工方案選定后，需要確定滿足加工要求的工藝裝備。根據(jù)螺旋槽分布在零件φ203.45+0.05mm內(nèi)孔且現(xiàn)有角度銑頭無法進(jìn)入的特點，設(shè)計、制造了自帶電機的油鉤銑頭[11-12]及專用油鉤銑刀。

3.6 掛輪選配

選配適當(dāng)?shù)膾燧?，確保不同導(dǎo)程螺旋槽的加工。

4 工藝過程及具體實施

4.1 轉(zhuǎn)臂螺旋油槽加工之前的準(zhǔn)備

(1)轉(zhuǎn)臂內(nèi)外相關(guān)加工表面已加工完成

除螺旋油槽外，包括φ203.45+0.05mm孔及鍵槽在內(nèi)的各表面、各尺寸已全部加工到位，符合圖紙要求。

(2)劃線：在φ203.45+0.05mm孔端面劃線，刻出螺旋槽起點、終點角度線并將外圓上油槽(起、止)線引至卡盤上，并在卡盤上作標(biāo)識。

4.2 具體實施

(1)油鉤專用銑頭的安裝與調(diào)試

前面已確定了內(nèi)孔螺旋油槽加工機床為普通車床(C61100)，加工之前，將自帶電機的油鉤專用銑頭安裝在車床大拖板上，調(diào)整好位置，并確保銑頭中心線與機床導(dǎo)軌平行。

(2)工件的裝夾

工件的裝夾可選擇在卡盤上夾持其已加工外圓，按已加工的內(nèi)孔找正，調(diào)整卡盤，使主軸中心與工件內(nèi)孔中心保證一致后，壓緊。

根據(jù)其偏重情況，再在卡盤上對稱裝入配重塊。

(3)調(diào)整銑刀回轉(zhuǎn)中心線

調(diào)整銑刀回轉(zhuǎn)中心線，與φ203.45+0.05mm孔軸線保持所加工油槽螺旋升角一致。

(4)對刀

按φ203.45+0.05mm孔端面所刻的螺旋槽起點角度線對刀。

(5)人工控制并轉(zhuǎn)動輪盤實現(xiàn)螺旋進(jìn)給運動。

如前所述，機床主軸電機脫開，通過裝在機床動力源主軸上的輪盤，人工轉(zhuǎn)動輪盤，控制旋轉(zhuǎn)力矩，實現(xiàn)螺旋進(jìn)給運動。當(dāng)卡盤轉(zhuǎn)至準(zhǔn)確角度位置后，輪盤受限位塊作用而停止轉(zhuǎn)動，保證了一條螺旋油槽切削完成。

螺旋槽加工過程如圖3所示，圖中的正下方為油鉤銑頭自帶的電機。

4.3 切削用量的選擇

通常加工的內(nèi)孔螺旋槽，槽較淺，俗稱油涵，一般加工時一次加工完成，但轉(zhuǎn)臂內(nèi)孔螺旋槽的槽較深，即為深6.1mm，寬10.9mm的曲面，只能通過成形刀加以完成，由于螺旋槽導(dǎo)程太大，加工時必須分幾段完成。加工時切削用量的選擇很重要，進(jìn)給量太大，會引起載刀。通過實際操作并不斷摸索，選擇每次進(jìn)給量為0.2～0.3mm，主軸轉(zhuǎn)速為0.5rpm，采用多刀次、分層加工，保證切削順暢。

圖3 螺旋槽加工圖

4.4 掛輪的選配

大螺距螺旋油槽車削時,一定要采取降速措施。對于單件小批生產(chǎn),可將車床主軸上帶輪的三角皮帶去掉,用 1根鐵輥插入帶輪上原有的偏心孔中,采用兩個螺帽與帶輪固緊成一體作為鉸桿,采用人工轉(zhuǎn)動鉸桿的方法，進(jìn)行特大螺距的車削加工,這種降速措施簡單實用。

各螺旋槽的展開圖如圖4所示，可求得螺旋槽的導(dǎo)程分別為352.25mm、259.04mm。

圖4 螺旋槽展開圖

掛輪的計算有多種方法[13-15]，按所求得的導(dǎo)程理論值配掛輪，則必須重新制作掛輪。

根據(jù)螺旋槽用于潤滑，并考慮產(chǎn)品周期及生產(chǎn)成本等因素，結(jié)合車床(C61100)現(xiàn)有掛輪，可選配以下標(biāo)準(zhǔn)掛輪：

(1)導(dǎo)程為352.25mm：

掛輪：110/20×80/127，實際導(dǎo)程：352mm；

(2)導(dǎo)程為259.04mm：

掛輪：100/25×80/127，實際導(dǎo)程：259mm；

由此可見，因選用標(biāo)準(zhǔn)掛輪引起的導(dǎo)程誤差分別為0.071%、0.154%，完全能夠滿足使用要求。

加工后的2800 mm中厚板軋機中的轉(zhuǎn)臂實物局部視圖如圖5所示。

轉(zhuǎn)臂與相關(guān)件裝配一次成功，經(jīng)現(xiàn)場連續(xù)運轉(zhuǎn)72h負(fù)荷潤滑測試，內(nèi)外滾動面潤滑充分，與同類轉(zhuǎn)臂相比，潤滑充分、效果明顯。

圖5 轉(zhuǎn)臂實物局部

值得指出的是，自帶電機的油鉤銑頭則是根據(jù)內(nèi)孔大小制作的，屬于專用工裝，有一定的成本。所用油鉤銑刀也是按油槽形狀制作的[16-17]，并分為粗銑刀、精銑刀。

利用普通車床+自帶電機的油鉤銑頭、通過變換掛輪的方式加工轉(zhuǎn)臂內(nèi)孔非連貫、變導(dǎo)程新型螺旋油槽，無需過多投入，本方法的研究價值在于實用、加工總成本較低、適合單件生產(chǎn)。

若是批量生產(chǎn)，可考慮設(shè)計專用機床。

5 結(jié)論

(1)內(nèi)孔非連貫變導(dǎo)程螺旋油槽加工可以在普通車床上，通過安裝自帶電機的專用油鉤銑頭進(jìn)行加工；

(2)刀具沿不同導(dǎo)程的螺旋線軌跡進(jìn)行切削，可通過適合的掛輪加以保證；

(3)通過配置不同的掛輪，保證卡盤旋轉(zhuǎn)一周，中拖板及其上刀架能移動一個螺旋(導(dǎo)程)保證定點起刀、定點停止；

(4)選配掛輪是本例的一個特點，潤滑油槽精度要求不高，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)掛輪，以降低成本。

通過以上工藝方案的具體實施，利用車間現(xiàn)有條件，采用新工藝、新裝備及一系列工藝保證措施，在普通車床順利完成了內(nèi)孔非連貫變導(dǎo)程螺旋槽的加工，達(dá)到了圖紙設(shè)計要求。此種加工方法，為以后加工類似的產(chǎn)品積累了寶貴的經(jīng)驗，具有一定的推廣價值。