油槽銑床改造及分析

■ 湖北三環(huán)汽車方向機(jī)有限公司 （湖北咸寧 437000） 戴 雄 龔文清

如圖1所示，汽車轉(zhuǎn)向器的輸入軸上分布著多條油槽，而油槽的加工精度直接影響著轉(zhuǎn)向器的使用靈敏性。一般油槽加工采用普通分度頭手搖分度，在立銑上將油槽一條一條銑削出來，其加工效率低，分度精度差。為滿足高效率和高精度的要求，必須專門設(shè)計數(shù)控油槽銑床，而定制一臺數(shù)控油槽銑用專機(jī)要近百萬元，我們將一臺舊工具銑床改造成了通用油槽銑床，成本只需要3萬元左右，滿足了高效率、低成本、高質(zhì)量、通用性強(qiáng)的生產(chǎn)需求。

圖1 轉(zhuǎn)向器輸入軸

1. 油槽銑床改造方案

油槽加工類似于普通鍵槽加工，主要采用銑削方式，通用設(shè)備為立銑或臥銑，也可在加工中心上加工，但采用加工中心加工成本高，不適用于批量生產(chǎn)。立銑和臥銑由于在主軸進(jìn)給方向沒有滑軌，改造時無法實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)給。而萬能工具銑床X8126其主軸進(jìn)給方向帶有滑軌，通過改造可實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)給，工作臺面寬度270mm，長度700mm， X軸方向能自動控制，長度在300mm以下的油槽都能加工。因此，通過對比我們選定在萬能工具銑床X8126上進(jìn)行改造。油槽銑床改造后結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

床身部分X8126采用淘汰舊機(jī)床。由于機(jī)身為全鑄造結(jié)構(gòu)，時效好，整機(jī)剛性較好，其投入成本低，二手市場上采購價格在8 000左右。改造時，將主軸進(jìn)給方向滑軌加裝Y軸液壓缸5，通過設(shè)計制作液壓站6并通過控制系統(tǒng)8、Y軸行程開關(guān)4就能實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)給。同時，在工作臺上加裝第四軸自動夾緊分度系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)輸入軸9的精確分度，其包括X軸行程開關(guān)1、伺服分度頭2、伺服電動機(jī)3、第四軸液壓缸7、控制系統(tǒng)8等部分。

圖2 油槽銑床結(jié)構(gòu)示意

2. 第四軸自動夾緊分度系統(tǒng)設(shè)計

（1）第四軸自動分度系統(tǒng)的選擇 第四軸也就是旋轉(zhuǎn)軸，針對動力轉(zhuǎn)向器零件輸入軸油槽的加工，其難點(diǎn)在于分度精度要求較高，輸入軸油槽分度精度一般為±10′。而加工深度一般為自由公差，并不是很高。因此，我們在X8126工作臺上選用了FK15125A伺服分度頭2和伺服電動機(jī)3，目前自動分度控制的方法有兩種：一種采用步進(jìn)電動機(jī)，另一種采用伺服電動機(jī)。兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)步距角一般為 1.8°和0.9°，五相混合式步進(jìn)電動機(jī)步距角一般為0.72°和0.36°，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動不能滿足精度要求，而交流伺服電動機(jī)的控制精度由電動機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。對于帶標(biāo)2500線編碼器的伺服電動機(jī)而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10 000=0.036°，完全能夠保證加工精度要求。并且該套分度系統(tǒng)價格相對合理，F(xiàn)K15125A伺服分度頭配伺服電動機(jī)和M02430驅(qū)動器合計價格在1.2萬元左右。

（2）第四軸自動夾緊力校核 輸入軸9的夾緊采用兩莫氏頂尖夾緊，夾緊力由第四軸液壓缸7提供，第四軸液壓缸選用缸徑D=30mm，系統(tǒng)工作壓力為2.5MPa，液壓缸最大工作壓力16MPa。根據(jù)六點(diǎn)定位原則，通過分析輸入軸9的夾緊狀態(tài)，兩莫氏頂尖分別限制5個自由度，只有X軸旋轉(zhuǎn)未被限制。

機(jī)床采用順銑加工油槽，刀具在工件上產(chǎn)生兩個分力，如圖3所示，走刀抗力PH和徑向分力Pv，按最差工況：油槽寬度B=8m m，槽深t=3m m，采用硬質(zhì)合金三面刃銑刀，銑刀直徑D=63mm，刀具齒數(shù)Z=16，主軸轉(zhuǎn)速n=110 r/min，每齒進(jìn)給S=0.1mm（鋼材修正值KMN=0.957）計算。

圖3 順銑受力分析

銑削功率為：

切削速度為：

圓周切削力為：

走刀抗力為：

徑向分力為：

第四軸液壓缸產(chǎn)生的壓緊力為

通過核算，銑削功率為0.3 9 k W，而機(jī)床電動機(jī)為2.8kW，完全滿足功率需要。徑向分力Pv為858.38N，其是產(chǎn)生X軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的分力。走刀抗力PH為965.67N，其是推動工件X軸移動的分力，而第四軸液壓缸產(chǎn)生的壓緊力為1 730.93N，完全能夠限制產(chǎn)生X軸旋轉(zhuǎn)趨勢的分力Pv和推動工件X軸移動的走刀抗力PH，因此，第四軸自動夾緊分度系統(tǒng)設(shè)計改造合理可靠。

3. 液壓系統(tǒng)設(shè)計

本油槽銑床改造運(yùn)用了PLC數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，機(jī)床加工過程包括以下6個工步運(yùn)動：①工件松開夾緊動作。②刀具相對工件的切深運(yùn)動。③工件相對刀具沿X軸的進(jìn)給運(yùn)動。④刀具相對工件的退出運(yùn)動。⑤工件沿X軸的進(jìn)給方向的回位運(yùn)動。⑥第四軸的分度運(yùn)動。

其中工步③和工步⑤由原機(jī)床功能配以PLC控制，工步④采用第四軸實(shí)現(xiàn)，而工步①②④都是由液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

油槽銑床液壓站包括油箱、電動機(jī)、油泵、過濾網(wǎng)和液壓元件等組成，工作過程為：首先放入工件啟動開關(guān)→YA1通電第四軸尾座夾緊工件→YA4通電Y軸工作臺快進(jìn)→限位開關(guān)啟動→YA2通電Y軸工作臺→加工完成限位開關(guān)啟動→YA2斷電YA3通電Y軸工作臺快退→再次啟動開關(guān)YA1斷電第四軸尾座松開→加工完成取下工件。

4. 油槽銑床的經(jīng)濟(jì)性分析

就銑削油槽而言，其加工面積較小銑削抗力不大，采用數(shù)控機(jī)床或?qū)C(jī)加工，雖然效率和質(zhì)量都有明顯提升，但投資大，一臺立式加工中心需一次性投入資金30多萬元，一臺專用槽銑數(shù)控專機(jī)一次性投入資金多達(dá)100萬。普通立銑和臥銑雖然投入資金較少，但采用手動分度的方法加工效率低，平均切削時間很少超過全部工作時間的50%，加工質(zhì)量也不穩(wěn)定。如何確定一個在保證較高質(zhì)量的前提下，高效地完成生產(chǎn)任務(wù)又能減少資金投入的切入點(diǎn)至關(guān)重要。本改造方案很好實(shí)現(xiàn)了雙贏的目的。通過對普通萬能工具銑床的改造，改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控油槽銑床加工輸入軸的時間由原立銑或臥銑加工時間375s提升到177s，操作人員只需將工件放入莫氏頂尖夾緊后啟動開關(guān)即可，大幅減少了手動分度等非機(jī)加工時間的消耗，并且改造投入成本低。

按我公司輸入軸月產(chǎn)3萬件，每班8h，兩班制生產(chǎn)，每月工作28天計算，立銑單機(jī)每月加工量＝8×3600÷375×2×28＝4 300（件），油槽銑單機(jī)每月加工量＝8×3600÷177×2×28＝9 111（件），用立銑或臥銑加工每月需動用設(shè)備7臺，共計設(shè)備投入49萬元，而數(shù)控油槽銑床最多動用設(shè)備4臺，設(shè)備投入不超過13萬元。按每件加工工時計算：數(shù)控油槽銑床比立銑或臥銑每件節(jié)約工時375－177＝198（s），那么3萬件全年節(jié)約工時30000×12×198÷3600＝19 800（h）。

圖4 液壓系統(tǒng)

按國家最低工時標(biāo)準(zhǔn)7元/h計算：全年數(shù)控油槽銑床比立銑或臥銑節(jié)約工時費(fèi)用19800×7＝13.86（萬元）。再加上設(shè)備投入費(fèi)用，設(shè)備按8年折舊計算：全年數(shù)控油槽銑床比立銑或臥銑節(jié)約資金49÷8－13÷8+13.86＝18.36（萬元），經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

5. 結(jié)語

該經(jīng)濟(jì)型油槽銑床的改造方案簡便易行，制造成本低，輸入軸油槽銑削加工效率提高了52.8%。加工產(chǎn)品質(zhì)量上了一個臺階，油槽分度精度可達(dá)±2′。經(jīng)濟(jì)型油槽銑床改造獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，同時其加工范圍廣泛，各種長度、寬度或深度的油槽包括各式鍵槽都能加工。本設(shè)計方案可作為其他加工軸類零件廠家設(shè)備采購及改造一個很好的借鑒。