在普通車床上實(shí)現(xiàn)高速切削多功能機(jī)頭設(shè)計(jì)和應(yīng)用

葛衛(wèi) 曹明保 徐紀(jì)華

摘要：設(shè)計(jì)了一種高速多功能機(jī)頭用在普通車床上，利用高速電主軸實(shí)現(xiàn)高速切削，電主軸的中心高度可以調(diào)節(jié)。在電主軸外錐上組裝不同的刀具，在普通車床實(shí)現(xiàn)高速銑、鉆、鏜、磨功能。在電主軸上加裝一個(gè)長(zhǎng)桿套筒裝置，可以對(duì)直盲孔和錐盲孔進(jìn)行高速磨削，通過兩相交軸錐齒改換刀具旋轉(zhuǎn)位置，可對(duì)圓柱形軸的外圓和內(nèi)孔軸向鍵槽進(jìn)行銑削。有限元分析結(jié)果顯示，工作頻率、屈服強(qiáng)度滿足材料要求，可以保證加工精度。

Abstract： A high-speed multi-function head used in ordinary lathe to achieve high-speed cutting with electric spindle is designed. The central height of the electric spindle can be adjusted. Assembling different cutting tools on the outer cone of electric spindle can realize multifunction of high-speed milling， drilling， boring and grinding in ordinary lathe. A long rod sleeve device is added to the main shaft， and the straight blind hole and tapered blind hole can be ground at high speed. By changing the rotating position， it is easy to mill the cylindrical shaft and inner hole axial key groove. Finite element analysis results show that the working frequency and yield strength meet the material requirements and can ensure the processing accuracy.

關(guān)鍵詞：多功能機(jī)頭;高速電主軸;普通車床;高速切削

Key words： multifunction head;high-speed electric spindle;general lathe;high speed cutting

中圖分類號(hào)：TG506.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0051-04

0? 引言

機(jī)械加工的發(fā)展趨勢(shì)是高效率、高精度、高柔性和綠色化。高速切削（High Speed Cutting）和高速加工（High Speed Machining），是近二十余年迅速崛起的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。高速加工是機(jī)床結(jié)構(gòu)、刀具材料和工藝、計(jì)算機(jī)數(shù)控（computed numerically controlled）系統(tǒng)﹑計(jì)算機(jī)軟硬件等技術(shù)發(fā)展到一定程度必然出現(xiàn)的綜合性產(chǎn)物。它集材料科學(xué)、工程力學(xué)、控制理論和制造技術(shù)于一體，能滿足制造業(yè)多種需求，目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用，并已成為宇航、汽車、模具制造業(yè)加工整體結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜零件和產(chǎn)品改型等方面的關(guān)鍵技術(shù)以及現(xiàn)代機(jī)加工技術(shù)發(fā)展的主流方向，已取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1，2]。

通常把切削速度比常規(guī)切削速度高5～10 倍以上的切削稱為高速切削。不同的加工方式、不同的材料有不同的高速切削范圍，其中鋼為600～3000m/min，與之相對(duì)應(yīng)的進(jìn)給速度一般為2～25m/min，加速度大于1g。現(xiàn)在德國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)和意大利等國(guó)已生產(chǎn)出多種商品化高速機(jī)床，包括各種型號(hào)的立式、臥式加工中心、立式數(shù)控銑床、高速平面磨床、高速外圓磨床、五坐標(biāo)龍門高速銑床等。國(guó)外有30～50%的模具公司用高速切削加工技術(shù)加工塑料和鋁合金模型;在航空與高速機(jī)車行業(yè)，飛機(jī)的骨架與機(jī)翼、高速機(jī)車的車廂骨架的鋁合金整體薄壁構(gòu)件都采用高速切削加工技術(shù)，加工時(shí)間縮短到原來的幾分之一[3-6]。

高速切削在國(guó)內(nèi)的研究及應(yīng)用起步較晚。但進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，已普遍引起關(guān)注并開展了相關(guān)研究和應(yīng)用。高速機(jī)床的高檔數(shù)控系統(tǒng)和開放式數(shù)控系統(tǒng)正在深入研究中，目前主要還是依賴進(jìn)口，應(yīng)用在航空航天、模具和汽車工業(yè)，加工鋁合金和鑄鐵較多，采用的刀具以進(jìn)口為主[7-10]。

本論文針對(duì)采用耐腐蝕性1Cr18Ni9Ti不銹鋼加工立式混合機(jī)混合槳、內(nèi)錐面和鍵槽所出現(xiàn)加工難的問題，設(shè)計(jì)一種多功能機(jī)頭，通過安裝高性能電主軸，利用電主軸高速旋轉(zhuǎn)的特性，簡(jiǎn)化機(jī)頭傳動(dòng)方式，提高切削速度，降低切削阻力[11-12]。將此機(jī)頭安裝在普通車床的橫刀架上，在普通車床上實(shí)現(xiàn)高速銑、鉆、鏜、磨等工作，達(dá)到在普通車床上對(duì)零件高速切削的目的，以解決1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料由于韌性大、熱強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、切削時(shí)塑性變形大、加工硬化嚴(yán)重、切削熱多、散熱困難造成刀尖處切削溫度高、切屑粘附刃口嚴(yán)重、容易產(chǎn)生積屑瘤，切屑難以控制，影響加工表面粗糙度，加工效率和加工質(zhì)量低的問題[13，14]。混合槳與傳動(dòng)軸的配合是以內(nèi)錐面和鍵槽配合的方式進(jìn)行的。這種材料在加工內(nèi)錐面和鍵槽時(shí)難度更大。通過設(shè)計(jì)的多功能機(jī)頭，在電主軸上加裝一個(gè)長(zhǎng)桿套筒裝置，以實(shí)現(xiàn)孔徑Φ100以上，深度300以內(nèi)的直盲孔和錐盲孔的高速磨削，把內(nèi)孔砂輪座換裝上銑頭箱座，通過兩相交軸錐齒改換刀具旋轉(zhuǎn)位置，實(shí)現(xiàn)圓柱形軸的外圓和Φ200以上的內(nèi)孔軸向鍵槽銑削，解決內(nèi)錐面和鍵槽加工難題。

1? 多功能機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 多功能機(jī)頭結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的多功能機(jī)頭利用現(xiàn)代電主軸高速旋轉(zhuǎn)功能，安裝在普通50車床的方刀架上，可使普通車床實(shí)現(xiàn)快速切削的功能。通過改換刀具裝夾裝置，以擴(kuò)大普通車床加工范圍，提高設(shè)備利用率和加工效率，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，并減少高額設(shè)備投資，解決中小企業(yè)設(shè)備不足，加工能力低的問題。圖1為普通50車床外觀，其中的方刀架即為多功能機(jī)頭安裝之處。

設(shè)計(jì)的多功能機(jī)頭結(jié)構(gòu)三視圖如圖2所示。電主軸5裝卡在燕尾槽裝置3，4上，通過固定支座2固定在50車床的方刀架1上。電主軸的中心高度通過傳動(dòng)螺桿10移動(dòng)燕尾槽進(jìn)行調(diào)節(jié)。在電主軸外錐上可組裝不同的刀具，以進(jìn)行高速銑、鉆、鏜、磨等工作，擴(kuò)展普通車床的加工功能。

為了對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行加工，在電主軸上加裝一個(gè)長(zhǎng)桿套筒裝置，如圖3所示。在長(zhǎng)桿套筒裝置上安裝內(nèi)孔磨夾具，可以對(duì)孔徑Φ100 mm以上，深度300 mm以內(nèi)的直盲孔和錐盲孔進(jìn)行高速磨削，進(jìn)一步擴(kuò)展車床的加工功能。

將車床轉(zhuǎn)盤鎖定，把內(nèi)孔砂輪座換裝上銑頭箱座，通過兩相交軸錐齒改換刀具旋轉(zhuǎn)位置，可對(duì)圓柱形軸的外圓和Φ200 mm以上的內(nèi)孔軸向鍵槽進(jìn)行銑削。銑頭箱座結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2 多功能機(jī)頭電主軸功率計(jì)算和選擇[15-17]

1.2.1 外圓磨削砂輪電主軸功率計(jì)算

外圓磨削條件為：選用1Cr18Ni9Ti材料，砂輪P300×30×75WA46Z8A35，外圓磨削奧氏體的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值為：砂輪周速n=1520m/min，磨削量ap=0.051mm，工件線速度Uw=15m/min，得外圓磨削力Ft=119.04 N，砂輪速度Us= 23.87m/s，計(jì)算砂輪磨削功率：

Pm=FtUs/1000=119.04×23.87/1000=2.84kW

外圓砂輪磨削電主軸功率即砂輪電動(dòng)機(jī)功率，取機(jī)械傳動(dòng)總效率ηm=0.7計(jì)算：

Ps=Pm/ηm=2.84/0.7=4.06kW

1.2.2 內(nèi)孔磨削砂輪電主軸功率計(jì)算

內(nèi)孔磨削條件：選用1Cr18Ni9Ti材料，砂輪P120×50×32WA46Z8A35，內(nèi)圓磨削中奧氏體的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值為：砂輪周速n=1520m/min，磨削量ap=0.013mm，工件線速度Uw=45.7m/min，得內(nèi)孔磨削力Ft=131.8N，砂輪速度Us=9.5m/s，計(jì)算內(nèi)孔磨削功率：

Pm=FtUs/1000=131.8×9.5/1000=1.25kW

內(nèi)孔砂輪電主軸功率取機(jī)械傳動(dòng)總效率ηm=0.7

計(jì)算：

Ps=Pm/ηm=1.25/0.7=1.79kW

1.2.3 銑削電主軸功率計(jì)算

銑削電主軸功率計(jì)算條件：用Φ20立銑刀加工1Cr18

Ni9Ti，HP=0.736，內(nèi)孔鍵槽寬度B=45mm，深度h=11 mm，選擇參數(shù)K=0.06，Ny=0.5，SM=60，計(jì)算銑削功率：

N1=KNySMHP=0.06×0.5×60×0.736kW=1.32kW

銑削效率取中值0.75，得銑削電機(jī)功率：

N2=1.32/0.75=1.77kW

1.2.4 電主軸功率確定

通過比較上述計(jì)算所得外圓磨削電主軸功率4.05kW，內(nèi)孔磨削電主軸功率1.79kW，以及銑削電機(jī)功率1.77kW，選擇多功能機(jī)頭電主軸功率應(yīng)為≥4.05kW，考慮到起動(dòng)扭矩較大，選擇較大功率的電主軸較為合適，因而實(shí)際選用6kW的電主軸。

2? 基于有限元法的機(jī)頭主要構(gòu)件的特性分析[18-20]

2.1 傳動(dòng)軸有限元分析

圖5為有限元法分析多功能機(jī)頭傳動(dòng)軸承載的應(yīng)力圖、位移云圖、應(yīng)變?cè)茍D和安全系數(shù)云圖，傳動(dòng)軸分析結(jié)果極大值列于表1。通過傳動(dòng)軸的分析結(jié)果云圖可以看出，最大應(yīng)力主要分布在轉(zhuǎn)矩輸入端。應(yīng)力未超出材料的屈服極限，而且合位移較小，從安全系數(shù)云圖，直觀地反應(yīng)出傳動(dòng)軸的材料是安全的。

另外，機(jī)頭工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，磨削不同介質(zhì)的工件，存在一定的振動(dòng)?？紤]到傳動(dòng)軸傳動(dòng)的平穩(wěn)性，有必要對(duì)其做模態(tài)分析。分析結(jié)果所得前五階固有頻率列于表2，部分振型圖如圖6所示。分析結(jié)果顯示，最小的一階固有頻率遠(yuǎn)大于機(jī)頭的工作頻率1500 Hz，所以不會(huì)產(chǎn)生共振響應(yīng)。

2.2 錐齒輪接觸的有限元分析

多功能機(jī)頭的一對(duì)直齒錐齒輪將傳動(dòng)軸的扭矩傳遞到輸出軸，其傳動(dòng)的可靠性也直接影響到機(jī)頭的穩(wěn)定性，因而有必要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。圖7為分析所得錐齒輪的應(yīng)力圖、位移云圖、應(yīng)變?cè)茍D和安全系數(shù)云圖。通過分析應(yīng)力和位移云圖可以看出，應(yīng)力最大處分布在齒面接觸處，其極大值未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度。安全系數(shù)最小值為3.16，直觀地反應(yīng)齒面接觸強(qiáng)度是安全的。

3? 結(jié)論

在普通50車床上通過設(shè)計(jì)的高速電主軸多功能機(jī)頭，主要構(gòu)件有限元分析表明多功能機(jī)頭在選用的電主軸功率下，應(yīng)力和應(yīng)變滿足材料強(qiáng)度要求。配合不同的刀具和工裝，可在普通車床實(shí)現(xiàn)高速銑、鉆、鏜、磨等工作，特別是直盲孔和錐盲孔高速磨削，圓柱形軸的外圓和內(nèi)孔軸向鍵槽銑削，保證加工精度，提高加工效率和質(zhì)量，節(jié)省設(shè)備購(gòu)置成本。

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