平衡軸承T 型封閉槽加工工藝方法

李浩權

（廣東省機械技師學院,廣東 廣州 510000）

引言

形狀類似于螺旋線的平衡軸承封閉槽,繞圓柱表面作螺旋線環(huán)繞,最終形成一頭尾相接的軌跡這一主要特點。該平衡軸承的油腔就是T 型封閉型油槽相當于軸承的油腔,采用外部供油系統(tǒng)供給壓力油,在節(jié)流器作用下進入軸承的油腔,軸頸在具有足夠壓力的潤滑油膜的作用下浮起,使軸頸在完全液體磨擦的狀態(tài)下正常運轉(zhuǎn)任何轉(zhuǎn)速和預定載荷。用普通機床很難有效加工此類特殊形狀效為的零件,如果采用專用機床,一次改造的周期較長且增加了改造的費用,加工成本較高。綜上所述,通過不同加工方法進行反復的切削驗證,最終找到的加工方法既經(jīng)濟又可靠,下面的例子就是介紹平衡軸承封閉槽在GSK980TDc 系統(tǒng)的經(jīng)濟型數(shù)控車床上加工的工藝方法。

1 零件工藝分析

以鑄造青銅ZQSn6-6-3 為材料的工件,并車削到位工件的其它外輪廓尺寸,現(xiàn)只需按圖紙要求,把T型封閉型槽分別加工在外圓及內(nèi)孔處,工件形狀和尺寸見圖1、圖2。

圖1 平衡軸承前視圖

圖2 平衡軸承后視圖

1.1 確定加工方法

該平衡軸承的封閉槽是由兩段等長繞圓柱表面旋轉(zhuǎn)10 周后相連首尾準確、平滑地連接在一起的螺旋線軌跡。粗車和精車的軌跡要保持一致、同步,所以必須用工件表面上的同一點定位為粗、精車軌跡的進刀點,選擇最佳的加工方式就是G32 指令螺紋插補,因數(shù)控機床的編碼器安裝在主軸上,當切削螺紋時,編碼器反饋給系統(tǒng)主軸旋轉(zhuǎn)信號才開始加工螺紋,因此只要主軸轉(zhuǎn)速不改變,就能使同一個點成為粗、精車起刀點,也能達到統(tǒng)一粗、精車軌跡的要求。在不檢測其軌跡加工起點情況下用直線插補進行加工,就保證不了首尾平滑連結(jié)點統(tǒng)一,更保證不了粗、精車的進刀點完全統(tǒng)一[1]。

1.2 G32 指令的功能說明

等螺距螺紋切削指令G32,是加工螺距螺紋也就是把螺距的螺旋槽加工在工件表面,其刀具從起點至終點的運動是一條直線軌跡,長軸就是從起點到終點較大位移量的軸,短軸就是另一坐標軸,在長軸與短軸作直線插補運動過程中長軸移動一個導程和主軸轉(zhuǎn)一周必須匹配[2]。

1.3 螺紋的分度原理

螺紋的分度原理是建立在螺旋線原理上的,當工件旋轉(zhuǎn)一周的同時,螺旋線所經(jīng)過的直線位移即為一個導程的距離,也即是說當工件每轉(zhuǎn)過周的時候,螺旋線的直線位移將等于相應螺紋導程的,導程一般以F 表示,所以該位移為mm。如：工件從0°轉(zhuǎn)到90°的同時,其螺旋線經(jīng)過的直線位移等于mm。因此,通過計算工件各螺紋段螺旋線的角位移,即可準確算出各螺紋段螺旋線相應的直線位移,也即在螺紋插補過程中,刀具所移動的直線距離。

2 加工工藝確定

2.1 工步的劃分和刀具的選擇及安裝

該封閉槽的形狀類似于T 字型,由于其是封閉型槽,且槽寬較窄,如果采用一把成型刀具,由于其特殊性造成其剛性及切削性能較差,很難對其進行有效的加工。故將其劃分為3 個工步來完成整個T 型封閉槽的加工。

工步1：先加工封閉槽的矩形部分,刀具類似于矩形切槽刀。

工步2：加工封閉槽T 型的左側(cè)部分,刀具類似于端面鉤槽刀。

工步3：加工封閉槽T 型的右側(cè)部分,刀具類似工步2 的端面鉤槽刀。

刀具材料直接對加工質(zhì)量、效率有影響。該工件以鑄造青銅ZQSn6-6-3 為材料,且采用連續(xù)螺紋的加工方式,考慮到其對連續(xù)切削的性能要求較高,故工步1 采用的矩形槽刀選用京瓷KGH 型切槽刀刀把,刀片材料為KW10（為超硬合金）,但為避免副后角干涉到封閉槽側(cè)面的實際需要,螺旋升角決定了副后角的角度（本例所取角度為17°）。工步2 和工步3 由于其刀具較為特殊,沒有現(xiàn)成的刀具,最終選用京瓷KW10 超硬合金棒進行設計制作。

刀具在刀架上的懸長盡可能縮短,以強化刀具剛性。刀具刀尖安裝過高時,當吃刀量達到一定深度時,工件與車刀主后刀面會產(chǎn)生干涉,使摩擦力增大,進而出現(xiàn)啃刀；過低時不易排出切削,同樣也會有啃刀現(xiàn)象,所以應嚴格控制與軸線等高。

2.2 確定刀具路徑

（1） 確定對刀點,本案例用的是前刀架機床,外圓矩形切槽刀用左刀尖進行對刀,Z0. 設在工件右端面,設工件外圓直徑為X80.。

（2） 確定換刀點,考慮換刀時保證安全、不碰撞到尾座和工件,同時能盡量縮短空刀路徑,把工作效率提高,本例換刀點坐標點定為X130.,Z0.。

（3） 加工路徑的選擇。工步1 選擇加工路徑：

確定加工起刀點,本例將在離工件表面0.05 的位置定位X 向起刀點,位置X80.1、Z-10.5 為刀尖的坐標。

加工刀具路徑的確定,該槽型可視為兩段矩形螺旋槽形成的封閉槽,一段為右旋螺紋,另一段為左旋螺紋,且較深,所以采用連續(xù)切削（連續(xù)螺紋的方法）進刀路徑為佳,即工件完成一個切削過程要連續(xù)旋轉(zhuǎn)10 周,其中一段用錐螺紋方式切削的螺旋槽,主要用于徑向進刀,每次0.15 mm 單邊的進刀量,另一段用直線螺紋方式切削,用于軸向切削,此動作循環(huán)連續(xù),起刀點從A 連續(xù)切削至A1、A2、A3、直到An點,即達到圖紙槽深的要求,重復進刀和重復退刀沒出現(xiàn)在整個切削軌跡中,從而把加工效率提高。加工軌見圖3。

圖3 矩形封閉槽加工路徑

工步2 加工路徑的選擇：

整個T 型槽的加工難點在于加工左、右側(cè)凹槽部分,由于加工左、右側(cè)凹槽部分的路徑基本同理,故以下主要對加工左側(cè)凹槽部分進行描述。從圖形上來分析,可以將其看成是在工步1 加工的矩形槽的基礎上對槽寬進行加寬,但由于該槽是封閉槽型,進刀和退刀的軌跡在工件上不能體現(xiàn)出來,故不能像常規(guī)加工螺紋那樣采用偏移螺紋的定位起刀點來改變螺紋槽寬的方式。

綜合以上情況對加工路徑進行分析：要在工步1的基礎上對槽寬進行加寬,首先要保證左、右側(cè)凹槽部分的加工軌跡與其軌跡嚴格保持一致,也就是說起刀點與工步1 保持一致的起刀點。本例把離工件表面0.05 的位置定為X 向起刀點,設位置X80.1、Z-10.4為刀尖坐標, 見圖4（B 點）。確定了起刀點后,下一步是對進刀方式進行分析,由于加工軌跡必須同工步1保持一致,所以進刀方式采用錐螺紋的方法,將刀尖定位到工步1 已加工矩形槽的底徑,但必須注意的是,錐螺紋的軌跡與主軸軸線的夾角必須≤45°才能保證加工軌跡同工步1 保持一致,因為根據(jù)G32 指令的處理規(guī)定,長軸是從起點到終點較大位移量的軸為,短軸是另一坐標軸,運動時長軸移動一個導程需要主軸轉(zhuǎn)一周匹配。所以當夾角不能滿足≤45°的條件時,相當于Z 軸不是長軸（即其速度不是按F16 乘以主軸轉(zhuǎn)速的速度運行）,那將面臨著亂扣的危險。

圖4 加工左側(cè)凹槽起刀點

T 型封閉槽左側(cè)凹槽加工的分析：前面已提到過,其猶如對矩形槽寬進行加寬,但由于該槽為封閉槽型,故無法對起刀點進行偏移來解決槽寬的問題。經(jīng)過以上的分析及反復的驗證,最終確定可以采用如下方式解決此問題,可以采用連續(xù)螺紋的方式加上變螺距的方法改變?nèi)我饴菁y段的加工起點,從而滿足左側(cè)凹槽進行加工的要求。右旋螺紋段進行變螺距的處理,左旋螺紋段不對導程做任何的改變,不斷重復此循環(huán)即可對T 型凹槽的左側(cè)部分進行有效的加工。

退刀方式的分析：當T 型凹槽的左側(cè)部分加工到要求的寬度時,將面臨的是如何退刀的問題,因為此時的刀具正處于槽底的位置,不可能以直線退刀,本例中采用變螺距退刀的方式,但同樣必須保證其軌跡與原有螺旋線的軌跡一致,或者被包絡。

3 加工設備的選擇

矩形切槽刀較差的切削性能是考慮要素,刀具使用壽命在過高的主軸轉(zhuǎn)速時急劇下降。低速（主軸轉(zhuǎn)速為40 rpm/min）加工是較好選擇。變頻主軸低速運轉(zhuǎn)輸出的轉(zhuǎn)矩較小,在加工的過程中容易出現(xiàn)不夠切削力甚至悶車。故而本例使用主軸為機械式掛檔的機床（沈陽CAK6150Nj 型號）[3]。

4 數(shù)控系統(tǒng)相關參數(shù)的調(diào)整

由于該封閉槽的首尾必須平滑的連接在一起,所以必須對其相關參數(shù)進行相應的調(diào)整。狀態(tài)參數(shù)№007 的BIT3（SMZ）位為運動指令在程序段與程序段之間是否平滑過渡。當該參數(shù)設為1 時,過渡點處理不平滑,在相鄰切削軌跡的交點處,進給速度要與加、減速的起始速度一致,然后再加速至相鄰程序段的代碼速度,這樣會使段與段之間出現(xiàn)銜接的痕跡,同時加工效率也降低；設為0 時,相鄰的切削軌跡過渡時直接進行平滑加減速的方式,進給速度在前一條軌跡結(jié)束時不需要降到起始速度,在軌跡的交點處采用弧形過渡,這樣過渡方式的軌跡,提高表面光潔度、加工效率。本例該參數(shù)選擇0。

反向間隙補償和補償方式,由于該零件的加工軌跡存在反向運動,因此必須對絲桿反向間隙進行準確的補償,方可提高反向運動的精度。可通過千分表進行校驗得知反向間隙X、Z 軸補償量,間隙值測出后分別設定在CNC 數(shù)據(jù)參數(shù)№034（BKLX）、№035（BKLZ）中(X 軸的間隙值應乘以2 以后輸入到№034 中)。反向間隙補償?shù)姆绞讲捎妹}沖頻率輸出的方式,在狀態(tài)參數(shù)№011 的BIT7（BDEC）位中選擇。其補償?shù)念l率在狀態(tài)參數(shù)№010 的BIT3～0（CPF4～CPF1）,根據(jù)經(jīng)驗和反復的驗證,最終得出一個比較適用的值,本例中該參數(shù)設為0111。從驗證的結(jié)果來看,在反向的過程中機床不產(chǎn)生沖擊的情況下該參數(shù)的設定值盡可能取大些,太小會使反向起始段軌跡變形[4]。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)№026、№028 分別定義：時間常數(shù)為螺紋切削中X 軸的指數(shù)加減速和指數(shù)加減速的起始/終止速度,本案例設定值50、300,該參數(shù)調(diào)整根據(jù)：驅(qū)動器、電機特性、機床負載等因素。在驅(qū)動器正常、電機正常及機床運動無明顯沖擊時,可以調(diào)整加減速,適當?shù)販p小加減速時間常數(shù)、提高加減速的起始/終止速度,以提高加工效率。過小的加減速時間常數(shù)設置、過高的加減速的起始/終止速度設置,增加驅(qū)動器引發(fā)報警、電機出現(xiàn)失步或機床產(chǎn)生振動的概率[5]。

5 加工程序的編制及簡要說明

6 結(jié)論

通過應用本研究介紹的加工方法對平衡軸承T型封閉槽試切加工小批量產(chǎn)品效果良好,能夠達到生產(chǎn)需要的效率和質(zhì)量。實踐證明了數(shù)控系統(tǒng)的應用范圍和使用效果,也是要靈活應用才能更有效解決生產(chǎn)中存在的技術難題,同時創(chuàng)造一定社會經(jīng)濟效益。