起重機小孔大背面結(jié)構(gòu)自動化加工工藝

朱小偉

徐州重型機械有限公司 江蘇徐州 221004

1 序言

起重機小孔大背面結(jié)構(gòu)件一般都要進(jìn)行深孔鏜削和對背面進(jìn)行加工。為了保證起重機作業(yè)過程的穩(wěn)定性，背面的外徑要＞2倍孔徑。圖1所示為典型的小孔大背面轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，受結(jié)構(gòu)形式的限制，只能從孔的一側(cè)加工。行業(yè)現(xiàn)有的成形反銑刀和單齒反銑刀，由于受到刀具軸徑比例限制而無法通過插補銑對小孔大背面結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加工。常用的白鋼刀反刮方法不能保證背面的加工質(zhì)量、效率和人員的安全性，且過程需要人工安裝白鋼刀，從而無法實現(xiàn)自動化加工。為了提升產(chǎn)品質(zhì)量和加工的自動化水平，必須解決小孔大背面結(jié)構(gòu)無法自動化加工的難題。

圖1 典型的小孔大背面轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

2 小孔大背面加工現(xiàn)狀

目前小孔大背面普遍使用刮面刀反刮加工。將白鋼條刃磨成具有切削角度的白鋼刀，安裝在反刮刀桿上對背面進(jìn)行加工。小孔大背面結(jié)構(gòu)加工刀具及安裝工藝如圖2所示。

圖2 小孔大背面結(jié)構(gòu)加工刀具及安裝工藝

將反刮刀桿裝到機床主軸上，移動機床主軸，使反刮刀桿穿過需要加工背面的孔，人工將白鋼刀裝入反刮刀桿上。機床轉(zhuǎn)速20～50r/min，以軸向進(jìn)給的方式刮削孔的背面，軸向進(jìn)給量為0.1mm/r，加工至圖樣要求尺寸[1]。小孔大背面結(jié)構(gòu)反刮加工流程如圖3所示。

通過圖3所示流程可知，加工工件大背面需將安裝在機床主軸的刀桿通過小孔到達(dá)加工面的位置，然后將白鋼刀裝入反刮刀桿上。由于刀桿安裝白鋼刀后，進(jìn)退與小孔干涉，白鋼刀需要反復(fù)人工裝卸，使得工序繁瑣，無法實現(xiàn)加工自動化。

3 加工方案的提出及選擇

針對小孔大背面加工現(xiàn)狀，構(gòu)想一種可以實現(xiàn)折疊的刀具，在通過孔徑時，刀具的切削部位可實現(xiàn)閉合（見圖4），在加工過程中切削部位進(jìn)行展開，如圖5所示。刀具通過信號控制以慣性、氣壓等方式實現(xiàn)切削部位折疊，從而解決加工過程操作人員的干預(yù)，實現(xiàn)小孔大背面結(jié)構(gòu)加工自動化。

圖4 刀具的切削部位閉合

圖5 刀具的切削部位展開

折疊刀具有氣動式、慣性式和外力接觸式3種類型，對其進(jìn)行對比見表1。最終選定慣性式折疊刀具，進(jìn)行小孔大背面結(jié)構(gòu)的加工。

表1 3種折疊刀具對比

折疊刀具加工小孔大背面的過程是無人干預(yù)的自動化加工。刀具切削部位在閉合與展開的部位需要固定，否則會造成刀具與工件相撞或背面無法加工。刀具切削部位閉合與展開點位固定方式對比見表2，經(jīng)分析，考慮到可實施性及實施效果，最終選擇新型鋼珠定位結(jié)構(gòu)為折疊刀具點位固定方式。

表2 刀具切削部位閉合與展開點位固定方式對比

4 方案的實施

4.1 小孔大背面自動折疊刀具設(shè)計

根據(jù)大型結(jié)構(gòu)件加工特征，設(shè)計制造了一種小孔大背面折疊刀具（見圖6）。該刀具以機床信號（主軸正反轉(zhuǎn)）控制刀具切削部位的展開與閉合，由刀柄、接頭、折疊頭、軸承和端蓋等部分組成，刀柄和刀頭采用標(biāo)準(zhǔn)刀具接口連接方式，通用性好，方便制造。折疊頭位于刀頭及端蓋之間，使用定位銷定位刀頭與蓋板，用螺栓緊固。折疊頭上下兩端均使用軸承，以減少折疊時的摩擦力。折疊頭可在刀頭上旋轉(zhuǎn)，呈折疊、展開姿態(tài)。刀具未工作時，折疊頭旋轉(zhuǎn)至刀頭內(nèi)，縮小刀具直徑，便于刀具通過孔徑；刀具開始加工時，折疊頭順時針旋轉(zhuǎn)出刀頭，處于展開狀態(tài)，安裝成形刀片后進(jìn)行背面加工。折疊頭折疊順暢，在展開和閉合點位使用固定裝置固定。

圖6 小孔大背面折疊刀具

4.2 刀具折疊與點位固定裝置

折疊刀具根據(jù)功能需求，折疊頭通過旋轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)折疊，且在展開與閉合處能夠固定。為了減小旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦力，在折疊頭的兩端安裝了高強度耐磨軸承，刀頭如圖7所示。折疊頭圓柱在兩處固定點位置加工小于1/3半球腔，在刀頭上加工一個可以使用彈簧推鋼珠運動的圓形腔[2]。折疊頭受旋轉(zhuǎn)慣性力不大時，彈簧推動鋼珠在折疊頭的半球腔固定折疊頭；受旋轉(zhuǎn)慣性力過大時，鋼珠縮回，折疊頭旋轉(zhuǎn)運動。彈簧鋼珠定位器如圖8所示。

圖7 刀頭

圖8 彈簧鋼珠定位器

4.3 刀具折疊機床信號確定

將折疊刀具安裝在雙面鏜銑加工中心的主軸上，通過主軸高速旋轉(zhuǎn)、停止來確定刀具的展開與閉合機床轉(zhuǎn)速信號，展開與閉合驗證如圖9所示。

圖9 展開與閉合驗證

選擇不同的轉(zhuǎn)速對折疊刀具進(jìn)行展開與閉合驗證，試驗過程采用轉(zhuǎn)速100～500r/min。轉(zhuǎn)速采用100r/min然后準(zhǔn)停，試驗10次刀具均不能實現(xiàn)折疊；轉(zhuǎn)速采用200～300r/min然后準(zhǔn)停，試驗10次刀具不能全部實現(xiàn)折疊；轉(zhuǎn)速采用＞400r/min然后準(zhǔn)停，試驗10次刀具折疊頭全部實現(xiàn)展開與閉合。考慮到折疊頭折疊受外部因素影響，刀具折疊頭展開與閉合機床旋轉(zhuǎn)信號定位≥500r/min。

4.4 切削參數(shù)確定

為了提升產(chǎn)品的加工效率和背面加工后的質(zhì)量，根據(jù)經(jīng)驗值并運用不同的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量確定反刮加工刀具的最佳切削參數(shù)[3]，在刀具加工中從刀片使用壽命、切削力大小及表面粗糙度等方面考慮，采用不同的切削參數(shù)進(jìn)行驗證，最終確定折疊刀具刮面試驗產(chǎn)品切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速n＝35×[1＋（200－d）×0.16%]（r/min），進(jìn)給量f＝0.1×[1＋（200－d）×0.16%]（mm/r）。其中d為背面外徑，50mm≤d≤240mm；數(shù)值200為試驗的背面外徑（mm）。

4.5 工作步驟

采用折疊刀具加工的流程如圖10所示。具體步驟為：①機床從主軸調(diào)用折疊反刮刀具，通過主軸正轉(zhuǎn)、停止確保刀具閉合。②刀具通過孔徑到達(dá)待加工面。③通過主軸反轉(zhuǎn)、停止實現(xiàn)刀具展開。④刀具根據(jù)加工參數(shù)對背面進(jìn)行反刮加工。⑤刀具后退至安全距離，通過主軸正轉(zhuǎn)、停止實現(xiàn)刀具閉合。⑥刀具退出被加工孔。

圖10 采用折疊刀具加工的流程

5 實施效果

新型刀具解決了工件小孔大背面加工使用傳統(tǒng)白鋼刀反刮需要人工參與的問題。通過機床旋轉(zhuǎn)、停止實現(xiàn)刀具切削部位的展開與閉合，同時通過點位固定裝置滿足切削部位展開與閉合點的穩(wěn)固，杜絕了人工操作過程對刀具的干預(yù)。方案實施前后加工方法對比如圖11所示。

圖11 方案實施前后加工方法對比

加工過程新型刀具通過編寫的程序控制，展開、閉合順暢，過程無需操作人員輔助。加工后的內(nèi)端面平面度可達(dá)0.1mm，表面粗糙度值Ra＜6.3μm，符合圖樣要求。方案實施前后結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量對比如圖12所示。

圖12 方案實施前后結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量對比

新型折疊刀具應(yīng)用了成形刀片以及最優(yōu)的加工參數(shù)，已經(jīng)批量應(yīng)用的小孔大背面折疊刀具如圖13所示。該新型刀具的應(yīng)用不僅提升了起重機轉(zhuǎn)臺、伸臂鉸點孔背面制造過程的一致性，同時實現(xiàn)了小孔大背面結(jié)構(gòu)件的自動化加工，而且避免了復(fù)雜加工部位人員安裝拆卸刀具造成的安全事故的發(fā)生。

圖13 已經(jīng)批量應(yīng)用的小孔大背面折疊刀具

6 結(jié)束語

針對大型結(jié)構(gòu)件設(shè)計制造了一種非標(biāo)刀具，并在起重機典型結(jié)構(gòu)件上試驗其可行性及使用效果。采用該刀具可有效解決小孔大背面結(jié)構(gòu)件自動化加工難題，同時解決白鋼刀加工表面質(zhì)量差、幾何公差無法保證以及刃磨困難等問題，提升產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率。