大導(dǎo)程螺旋面的銑削方案

■山東普利森集團(tuán)有限公司 （山東德州 253000） 張 鵬 田棟棟 多 松 魯緒閣

隨著機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種大導(dǎo)程螺旋工件，此類(lèi)大導(dǎo)程螺旋工件需要銑削螺旋部分的頂徑或者牙型，單頭或者多頭，導(dǎo)程達(dá)到了1 000mm左右或者更大。如果用臥式車(chē)床進(jìn)行螺紋車(chē)削加工很難，因?yàn)橐话闩P式車(chē)床的最大車(chē)削螺紋的導(dǎo)程為120m m；如果用數(shù)控車(chē)床進(jìn)行螺紋車(chē)削加工，需要的主軸轉(zhuǎn)速很低，往往＜1r/min，而普通編碼器的最小識(shí)別轉(zhuǎn)速往往＞1r/min，所以會(huì)使車(chē)削的螺紋亂扣；如果使用圓光柵，識(shí)別速度可以滿(mǎn)足使用，但價(jià)格昂貴。下面以一種典型工件為例，詳細(xì)闡述大導(dǎo)程螺旋面銑削專(zhuān)機(jī)的計(jì)算分析和改造過(guò)程。

1. 工件外形尺寸與加工要求

此工件是在一個(gè)圓柱體上焊接兩組螺旋形鋼板，組成一個(gè)雙頭的螺旋形工件，導(dǎo)程為880m m，只有螺旋的頂徑需要加工，如圖1所示。工件材料為Q235A，屬于低碳鋼，硬度≤150HBW。

圖1 雙頭螺旋形工件

2.大導(dǎo)程螺旋面銑削專(zhuān)機(jī)的總體布局

大導(dǎo)程螺旋面銑削專(zhuān)機(jī)是在一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的C W61160L×12 000mm臥式車(chē)床的基礎(chǔ)上改造而成，如圖2所示。機(jī)床由安裝在機(jī)床進(jìn)給箱左側(cè)的同步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，同步電動(dòng)機(jī)與進(jìn)給箱的輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器相聯(lián)，聯(lián)軸器可實(shí)現(xiàn)聯(lián)接或脫開(kāi)。當(dāng)聯(lián)軸器聯(lián)接后，同步電動(dòng)機(jī)與掛輪系統(tǒng)、主軸箱掛輪輸出軸相聯(lián)，并將轉(zhuǎn)矩反向傳遞至主軸，提供主軸轉(zhuǎn)矩，另一方面與進(jìn)給箱、絲杠相聯(lián)，為銑削動(dòng)力頭提供進(jìn)給力；當(dāng)聯(lián)軸器脫開(kāi)后，便成為一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的臥式車(chē)床。工件銑削由安裝在機(jī)床床鞍上的銑削動(dòng)力頭完成，銑削動(dòng)力頭與車(chē)床刀架可互換。

圖2 大導(dǎo)程螺旋面銑削專(zhuān)機(jī)

3. 大導(dǎo)程螺旋工件銑削專(zhuān)機(jī)的計(jì)算

（1）銑削力的計(jì)算 根據(jù)工件待加工面的尺寸和要求，選擇立銑刀，刀具材料為硬質(zhì)合金，銑刀直徑dt=50m m，銑刀齒數(shù)z=4。確定以下切削參數(shù)：選擇切削速度vc=80m/m i n，銑刀轉(zhuǎn)速nt=5 0 9.5 5 r/m i n，銑削深度ap= 8 m m ， 銑 削 接 觸 弧 深ae=30mm，進(jìn)給量af=0.2mm/z。根據(jù)銑削力計(jì)算公式，進(jìn)行計(jì)算

銑削功率Pc=Fcvc/60000，帶入數(shù)值，得

根據(jù)銑刀轉(zhuǎn)速nt=5 0 9.5 5 r/min，Pc=3.5kW，選擇銑削動(dòng)力頭的型號(hào)為1TX25即可。

經(jīng)查手冊(cè)得，主切削力Fc決定銑削動(dòng)力頭的功率和主軸轉(zhuǎn)矩，銑削進(jìn)給抗力FH決定機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)矩和Z向進(jìn)給力。二者的關(guān)系為FH/Fc=0.3～0.4，取0.4，得出進(jìn)給抗力FH＝2 628.8×0.4＝1 051.52 ( N )。

（2）銑削專(zhuān)機(jī)主軸轉(zhuǎn)矩及進(jìn)給力的計(jì)算 將圖樣中的螺旋展開(kāi)后，如圖3所示。

圖3 圖樣螺旋展開(kāi)示意

進(jìn)給抗力FH在圖3中分解為FH1和FH2兩個(gè)力，F(xiàn)H1決定了銑削專(zhuān)機(jī)主軸的轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)H2決定了銑削專(zhuān)機(jī)Z軸的進(jìn)給力。

1 ） 加 工 時(shí) 銑 削 專(zhuān) 機(jī) 主軸需要提供的轉(zhuǎn)矩，具體計(jì)算FH1=FHcos12.94°=1 051.52×0.975=1 024.8（N）。

螺旋頂徑D為1 220mm，所以

2）加工時(shí)銑削專(zhuān)機(jī)Z軸需要提供的進(jìn)給力及進(jìn)給速度計(jì)算。銑削專(zhuān)機(jī)Z軸需要的進(jìn)給力計(jì)算式為FH2=FHsin12.94°=1 051.52×0.224=235.5（N）。

銑頭的進(jìn)給速度計(jì)算式為vf=afz nt=0.2×4×509.55=407.64（mm/min）。

Z軸進(jìn)給速度vz=vfsin12.94°=91.28（mm/min）。

3）克服床鞍銑頭摩擦力銑削專(zhuān)機(jī)Z軸需要提供的進(jìn)給力。床鞍與銑頭的總質(zhì)量約為1 000kg，由于床鞍與床體結(jié)合面有聚四氟乙烯軟帶，摩擦因數(shù)f為0.05，所以床鞍與銑頭相對(duì)床身的摩擦力FH3=fN=0.05×1 000×10=500（N）。

4）銑削專(zhuān)機(jī)Z軸需要提供的總進(jìn)給力，具體計(jì)算為F＝FH2＋FH3＝235.5＋500＝735.5（ N）。

5）銑削專(zhuān)機(jī)Z軸需要的轉(zhuǎn)矩。絲杠螺距s為12mm，螺紋中徑d為64m m，螺紋牙型半角β為15°，絲杠中徑螺紋升角λ為3.415 6°，當(dāng)量摩擦角ρ為5.9°。具體計(jì)算

效率

轉(zhuǎn)矩

（3）銑削專(zhuān)機(jī)主電動(dòng)機(jī)的選型 相關(guān)分析和計(jì)算如下。

1）正常銑削時(shí)Z軸進(jìn)給所需的主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)，銑削主電動(dòng)機(jī)到絲杠的減速比為1，Z軸正常工作所需要的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為3.861N·m。

2）正常銑削時(shí)主軸回轉(zhuǎn)所需的主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)，銑削主電動(dòng)機(jī)到主軸的減速比為3 ∶1 7 6。銑削主電動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為625.128×3÷176=10.66（N·m）。

Z軸進(jìn)給速度為vz=vfsin12.94°=91.28（mm/min），絲杠轉(zhuǎn)速為91.28÷12=7.6（r/min），按照機(jī)床本身的傳動(dòng)系統(tǒng)，銑削主電動(dòng)機(jī)到絲杠的減速比為1，所以主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為7.6r/min。

3）電動(dòng)機(jī)選型。綜上所述，由于電動(dòng)機(jī)選型需同時(shí)滿(mǎn)足工作轉(zhuǎn)速為7.6r/min，工作轉(zhuǎn)矩10.66N·m，所以可選擇同步電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩15N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 500r/min。同步電動(dòng)機(jī)的低速性能極好，在轉(zhuǎn)速為7.6r/min時(shí)仍能保證在額定轉(zhuǎn)矩工作，電動(dòng)機(jī)特性曲線如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)特性曲線

4. 銑削主電動(dòng)機(jī)的電氣控制

銑削主電動(dòng)機(jī)是同步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)模擬電壓來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，因模擬電壓為0～10V，將額定轉(zhuǎn)速1 500r/min設(shè)定為模擬電壓10V，經(jīng)按比例計(jì)算，7.6r/min設(shè)定的模擬電壓為0.05V。銑削主電動(dòng)機(jī)還可以通過(guò)旋鈕電位器來(lái)獲得其他轉(zhuǎn)速，從而加工其他大螺距工件。

5. 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案是性?xún)r(jià)比最高的一種方案，通過(guò)改造臥式車(chē)床，可加工出合格工件，不需購(gòu)買(mǎi)昂貴的高檔數(shù)控車(chē)床，具有重要的應(yīng)用意義。