朱小偉
徐州重型機械有限公司 江蘇徐州 221004
起重機零件中有大量單向小檔距孔組結(jié)構(gòu)件及拉板等,這類零件的共同特點是有幾個通孔,通孔檔距較小而且都在徑向上,方向單一,但孔距精度要求高。由于搖臂鉆床無法滿足該類零件的孔距尺寸要求,因此需要在加工中心(雙面鏜銑加工中心、鉆銑加工中心)上加工,從而導(dǎo)致加工時間長、制造費用過高。經(jīng)探索,設(shè)計了一種用于搖臂鉆床鏜孔的刀具組件和鏜孔工藝,可以實現(xiàn)以上零件在搖臂鉆床進行鏜孔,并且可以有效地保證孔組的孔徑尺寸和幾何尺寸要求。
圖1為滑輪架、桁架臂和拉板3種典型孔組零件。可以看出該類零件一般為焊接而成,零件中存在幾個通孔結(jié)構(gòu),這些孔在徑向上重合或平行,孔組有較高的孔徑尺寸公差和位置尺寸要求,需要進行鏜孔加工。
以圖1c拉板為例,兩孔的孔徑尺寸為φ D+0.3+0.2mm,孔距尺寸為(L±0.2)mm。若采用搖臂鉆床加工,此位置尺寸無法保證,因此傳統(tǒng)的加工方法是在數(shù)控加工中心上加工該孔組。
為降低加工成本,提高加工效率,本文采用一種新的加工工藝,根據(jù)鉆床及被加工零件特點,設(shè)計一種用于搖臂鉆床鏜孔的刀具組件和鏜孔工藝,實現(xiàn)以上零件在搖臂鉆床上進行鏜孔。
圖1 孔組零件
新工藝方法需要解決的關(guān)鍵問題為:零件孔組定位和鉆床鏜孔刀具定位。
圖2為搖臂鉆床鏜孔刀具組件,主要由搖臂鉆床、定位平臺、刀具快換夾頭、萬向楔塊和專用刀具等組成。
1)在定位平臺上根據(jù)結(jié)構(gòu)件孔距要求使用龍門加工中心加工出定位孔,為了提高平臺的利用率,定位平臺可以加工出數(shù)種結(jié)構(gòu)件孔距定位孔,定位孔為梯形孔,方便在定位孔安裝耐磨銅套[1]。
圖2 搖臂鉆床鏜孔刀具組件
使用加工中心根據(jù)結(jié)構(gòu)件孔距尺寸加工出定位孔(見圖3),實現(xiàn)多產(chǎn)品共用一塊平臺。定位平臺上的定位孔在數(shù)控加工中心上加工,可以很好地滿足孔距設(shè)計要求。為防止多次使用影響定位精度,定位孔上安裝耐磨套,耐磨套與鏜孔定位銷和刀具導(dǎo)向軸配合,這樣定位孔磨損后,可以通過更換耐磨套的方式保證定位精度,而不必加工新的定位平臺。定位孔為梯形孔,上部有3處緊固螺紋用來固定耐磨套,平臺加工的定位孔與耐磨套配合間隙≤0.02mm。
2)使用萬向楔塊調(diào)整平臺,保證加工出定位孔的軸線與鉆床的主軸軸線平行。使用加工中心加工定位孔時,在平臺中部加工出十字交叉面,通過水平儀測量,然后使用工具調(diào)節(jié)萬向楔塊來確定定位孔的軸線與鉆床的主軸軸線平行。定位平臺的調(diào)節(jié)如圖4所示。
圖3 定位孔的加工
圖4 定位平臺的調(diào)節(jié)
圖5為改進后的萬向可調(diào)楔形塊,主要由楔塊母體、滑行體、升降塊、圓弧塊和調(diào)節(jié)螺釘組成,其工作原理為:調(diào)節(jié)螺釘與滑行體螺紋聯(lián)接,通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘,可以控制滑行體左右移動,從而帶動升降塊上下移動;圓弧塊和升降塊是球面接觸,當定位平臺傾斜時,圓弧塊能旋轉(zhuǎn)至與定位平臺底面接觸,從而增大接觸面積,保證加工過程中的定位穩(wěn)定。
圖5 萬向可調(diào)楔形塊
3)工件的定位與裝夾。結(jié)構(gòu)件根據(jù)定位孔裝夾,為了使工件能快速定位,使用設(shè)計的鏜孔定位銷確定工件的位置,保證被加工的結(jié)構(gòu)件各組孔的軸線與平臺的定位孔軸線相對重合(偏差距離不能大于結(jié)構(gòu)件被加工孔的單邊加工余量),然后將工件固定在定位平臺上[2]。
鏜孔定位銷設(shè)計為前細后粗的形式,前段與定位孔耐磨套配合,后段與零件配合。鏜孔定位銷前段直徑為20mm,后段直徑比工件毛坯孔小10mm,可以很好地保證孔的定位精度??捉M定位平臺如圖6所示。
圖6 孔組定位平臺
4)工件的加工。將鉆床鏜孔刀具一側(cè)安裝在與鉆床主軸聯(lián)接的快換夾頭上,另一側(cè)導(dǎo)向軸與平臺定位孔的耐磨套間隙配合。根據(jù)鉆床鏜孔參數(shù),選擇合理的轉(zhuǎn)速與進給實現(xiàn)鏜孔加工。鏜孔刀具分為粗鏜刀和精鏜刀,粗鏜刀可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件毛坯孔大余量去除,提高鏜孔效率;精鏜刀可以保證孔徑尺寸。
圖7 搖臂鉆床鏜孔粗鏜刀
圖8 搖臂鉆床鏜孔精鏜刀
根據(jù)孔組件搖臂鉆床加工工藝要求,設(shè)計制造一套專用機械加工刀具。圖7、圖8分別為搖臂鉆床鏜孔所使用的粗鏜刀、精鏜刀,為滿足刀具的高強度、高韌性要求,制造刀具的材料選擇42CrMo材質(zhì)。刀具加工完成后,對其進行調(diào)質(zhì)處理,使其達到一定的疲勞極限和抗沖擊能力。刀具主要包括刀柄、刀片和定位銷。粗鏜刀刀體上安裝3個刀片,可實現(xiàn)最大20mm范圍調(diào)節(jié);定位銷通過滾動軸承與刀體聯(lián)接。精鏜刀刀體上安裝了調(diào)節(jié)精度可達0.01mm的精鏜單元,且可實現(xiàn)最大2mm范圍調(diào)節(jié)[3]。
鏜孔過程中,粗鏜刀具有不均勻孔鏜削功能,粗、精鏜刀均可實現(xiàn)范圍調(diào)節(jié)螺旋下排屑技術(shù)和高速定向切削功能。鏜孔時,鏜刀上的定位銷插入定位平臺的定位孔中,實現(xiàn)鏜孔定位。由于鏜孔加工轉(zhuǎn)速快,刀具所受切削力較大,同時由于摩擦作用,定位銷在定位孔中旋轉(zhuǎn)很容易增大刀架受力,并且容易造成磨損,因此定位銷與刀體通過滾動軸承支撐,從而實現(xiàn)定位銷相對定位平臺靜止,減小定位銷和定位孔的磨損,并且減小刀具受力。
刀具快換夾頭可以實現(xiàn)不同類型的鉆床鏜孔刀具快速更換,解決了刀具與鉆床使用莫式錐柄安裝更換效率低的問題。該裝置使用多頭螺紋快速推進夾緊刀具,可以實現(xiàn)刀具一定二固功能。刀具安裝在快換裝置上,由定位機構(gòu)對刀具進行固定,然后通過扳手旋轉(zhuǎn)三頭螺紋,利用楔塊推動固定機構(gòu)對鏜孔刀具進行緊固。刀具快換裝置如圖9所示。
圖9 刀具快換裝置
加工過程中鏜孔刀具的導(dǎo)向軸與平臺定位孔的耐磨套配合間隙為0.02mm,可以有效保證刀具的穩(wěn)定性,從而可以保證高精度結(jié)構(gòu)件的孔徑尺寸和孔距尺寸。
新設(shè)計的搖臂鉆床鏜孔刀具組件已在現(xiàn)場投入使用。圖10為鏜孔刀具定位加工過程,刀具的導(dǎo)向軸可以很容易地插入定位孔,實現(xiàn)鏜孔定位,并進行后續(xù)鏜削加工。鉆床鏜孔的結(jié)構(gòu)件在加工過程中很穩(wěn)定。刀具導(dǎo)向軸與平臺定位孔耐磨套配合間隙為0.015mm,加工過程中刀具旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定,粗鏜排屑順暢。
圖11為加工完成后的零件檢測。利用檢測工具對加工完成的孔徑尺寸、表面粗糙度及孔距尺寸進行測量,各數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求。鏜孔的孔徑精度可達到0.02mm,表面粗糙度值Ra<3.2μm,孔距尺寸在0.05mm以內(nèi)。
試驗證明,該加工方法完全可以滿足結(jié)構(gòu)件設(shè)計要求,并且操作方便,降低了生產(chǎn)成本。目前,該加工方法已投入結(jié)構(gòu)件的批量加工中。
圖10 鏜孔刀具定位加工
圖11 加工完成后的零件檢測
針對單向小檔距孔組類零件需要在數(shù)控加工中心上加工,但制造費用過高的問題,通過研究該類零件的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了全新的鉆床鏜孔刀具及鏜孔方法,打破行業(yè)單向小檔距孔組結(jié)構(gòu)件在數(shù)控設(shè)備上加工的模式,實現(xiàn)鉆床鏜孔,在保證加工質(zhì)量的前提下降低了加工成本,也為此類孔組件的加工提供了參考依據(jù)。