數(shù)控車床過載保護(hù)式攻絲夾具的設(shè)計(jì)

□ 張 延

西門子(天津)傳動(dòng)設(shè)備有限責(zé)任公司 天津 300384

1 設(shè)計(jì)背景

螺紋配合在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用無處不在,幾乎所有的機(jī)械機(jī)構(gòu)都涉及到螺紋配合。在生產(chǎn)實(shí)踐中,外螺紋及公稱直徑較大的內(nèi)螺紋可以采用車削加工,公稱直徑較小的內(nèi)螺紋可以使用絲錐攻絲加工。攻絲按加工方式分為機(jī)攻和手攻。對(duì)于機(jī)攻,如在數(shù)控機(jī)床和加工中心上用絲錐剛性攻絲或用螺紋銑刀銑削,精度高,但需投入設(shè)備及刀具,特別是剛性攻絲時(shí)容易折斷絲錐。手攻則操作簡(jiǎn)便,成本低廉,但是精度不足,在制作夾具或高精度零件時(shí)缺點(diǎn)較大。

使用數(shù)控車床對(duì)回轉(zhuǎn)體工件的內(nèi)螺紋進(jìn)行攻絲加工,精度高,成本較低,應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)加工方法是將夾具安裝在車床尾座上進(jìn)行加工,自動(dòng)化程度較低,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,并且沒有保險(xiǎn)裝置,易折斷絲錐。普通車床用攻絲夾具如圖1所示。隨著數(shù)控車床的普及,可以設(shè)計(jì)制造專用攻絲夾具,裝夾在刀架上,使用數(shù)控系統(tǒng)的攻絲指令進(jìn)行加工。這樣做操作簡(jiǎn)便,加工精度高,能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度。筆者設(shè)計(jì)了數(shù)控車床過載保護(hù)式攻絲夾具。

圖1 普通車床用攻絲夾具

2 夾具結(jié)構(gòu)

攻絲夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括16H標(biāo)準(zhǔn)制式鉆夾頭、滑動(dòng)心軸、夾具主體、軸向彈性伸縮裝置、徑向彈性保險(xiǎn)裝置五部分。軸向彈性伸縮裝置包括伸縮彈簧、墊片、調(diào)節(jié)螺母,徑向彈性保險(xiǎn)裝置包括調(diào)節(jié)螺栓、保險(xiǎn)彈簧、球頭滑塊。

圖2 攻絲夾具結(jié)構(gòu)

16H標(biāo)準(zhǔn)制式鉆夾頭如圖3所示,用于裝夾絲錐,錐孔與滑動(dòng)心軸錐軸部分相配。

圖3 16H標(biāo)準(zhǔn)制式鉆夾頭

夾具主體為基礎(chǔ)件,將夾具上所有組成部分連接成一個(gè)整體,裝夾于刀架之上。軸向彈性伸縮裝置主要用于提供攻絲之初的頂入力,也可以在需要時(shí)自由伸縮,主要由左右兩個(gè)同規(guī)格的伸縮彈簧和調(diào)節(jié)螺母組成。在攻絲過程中,如果扭矩過大,會(huì)強(qiáng)制滑動(dòng)心軸克服保險(xiǎn)彈簧的壓力而頂起球頭滑塊脫離梯形槽,使絲錐滑動(dòng)心軸隨工件旋轉(zhuǎn),從而防止絲錐折斷。攻絲夾具裝配軸測(cè)圖如圖4所示。

圖4 攻絲夾具裝配軸測(cè)圖

3 設(shè)計(jì)思路

絲錐定位及夾緊裝置選用16H標(biāo)準(zhǔn)制式鉆夾頭,錐孔錐度為莫氏2號(hào),錐度值為0.049 95,可以安裝3～16 mm多種規(guī)格的絲錐、鉆頭、鉸刀、銑刀等,拆裝方便,柔性較強(qiáng),也可以免去在夾具設(shè)計(jì)中單獨(dú)設(shè)計(jì)絲錐夾緊裝置的環(huán)節(jié)。

筆者單位所使用的數(shù)控車床,采用CAK6136V/750型床身,刀架外形尺寸如圖5所示。先大致確定夾具主體長(zhǎng)度尺寸,使長(zhǎng)度尺寸不超過刀架的邊長(zhǎng)(96 mm)。根據(jù)刀架上壓緊螺釘?shù)奈恢眉俺叽?設(shè)計(jì)出夾具主體裝夾扁柄的裝夾寬度為15.48 mm。根據(jù)數(shù)控車床中心高及刀架高度尺寸32.33 mm,確定夾具主體裝夾扁柄高為28 mm。

圖5 數(shù)控車床刀架外形尺寸

預(yù)設(shè)計(jì)滑動(dòng)心軸的大徑為30～35 mm,根據(jù)精密滑動(dòng)配合及優(yōu)先間隙配合公差選用原則,可以選用配合為H7/g6,并預(yù)設(shè)計(jì)其長(zhǎng)度。圓錐部分根據(jù)GB/T 6087—2003《扳手三爪鉆夾頭》及GB/T 6090—2003《鉆夾頭圓錐》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)攻絲推入力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,計(jì)算得到伸縮彈簧的規(guī)格、原長(zhǎng)和壓縮后長(zhǎng)度,最終確定滑動(dòng)心軸的尺寸。

建立絲錐數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過一系列計(jì)算,推算出絲錐抗扭強(qiáng)度極限,從而計(jì)算出保險(xiǎn)彈簧規(guī)格,設(shè)計(jì)得到夾具主體彈簧孔、滑動(dòng)心軸上梯形槽、球頭滑塊的相關(guān)尺寸。

4 鉆頭允差校核

根據(jù)GB/T 6087—2003,16H標(biāo)準(zhǔn)制式鉆夾頭裝夾直徑為16 mm的檢驗(yàn)棒時(shí),100 mm徑向跳動(dòng)允差為0.2 mm,據(jù)此,以裝夾M12絲錐伸出夾頭50 mm為例,估算出徑向跳動(dòng)公差應(yīng)小于0.1 mm,可以滿足攻絲需要。

5 軸向彈性伸縮裝置設(shè)計(jì)

軸向彈性伸縮裝置由左右兩個(gè)同規(guī)格的伸縮彈簧和調(diào)節(jié)螺母組成,提供攻絲之初的頂入力?？梢愿鶕?jù)絲錐磨損情況及使用不同規(guī)格絲錐攻絲來調(diào)整調(diào)節(jié)螺母或更換伸縮彈簧,進(jìn)而調(diào)整加工時(shí)所需要的頂入力,一般可以使伸縮彈簧的壓縮力略大于絲錐的頂入力即可。

為提高工作效率,降低工具費(fèi)用,有時(shí)攻絲時(shí)需要采用頭攻絲錐、二攻絲錐等加工完成。頭攻絲錐攻后更換二攻絲錐時(shí),與頭攻絲錐的對(duì)刀點(diǎn)、螺旋角向均已發(fā)生改變,這就需要軸向彈性伸縮裝置在二攻絲錐未進(jìn)入頭攻螺旋槽內(nèi)時(shí)自由伸縮進(jìn)行位移補(bǔ)償,直至二攻絲錐進(jìn)入為止,從而解決多次攻絲絲錐不易對(duì)刀的問題。

使用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床攻絲應(yīng)考慮主軸與伺服系統(tǒng)響應(yīng)誤差問題,即不同步誤差。如在攻絲期間及絲錐退刀時(shí)主軸先轉(zhuǎn)動(dòng)而伺服軸后移動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生螺距誤差,則軸向彈性伸縮裝置可以消除這一螺距誤差,有效防止絲錐被破壞。

軸向彈性伸縮裝置物理模型如圖6所示。尚未攻絲時(shí),左右伸縮彈簧處于平衡狀態(tài),有:

圖6 軸向彈性伸縮裝置物理模型

FL=FR=40%Fmax

(1)

式中:FL為左伸縮彈簧受力;FR為右伸縮彈簧受力;Fmax為伸縮彈簧最大彈力。

攻絲開始,伸縮彈簧受頂入力Fd發(fā)生伸縮,位移為Q,可以進(jìn)行彈性補(bǔ)償。根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)判斷,Q大于所攻螺紋導(dǎo)程即可。為安全可靠起見,可將Q設(shè)為5 mm。頂入力Fd與絲錐規(guī)格及加工材料有關(guān),根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)有Fd為5～25 N,如:

Fd=FR-FL=(40%Fmax+kQ)

-(40%Fmax-kQ)=25 N

則得所需彈簧剛度k為2.5 N/mm。

因?yàn)樵谝话爿d荷條件下工作,所以選擇第Ⅲ類彈簧,并選用B級(jí)碳素彈簧鋼絲?？紤]到夾具的緊湊性,設(shè)伸縮彈簧大徑不大于30 mm,中徑D為25 mm,預(yù)設(shè)計(jì)彈簧絲直徑d為2 mm,由此查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得一圈彈簧剛度kd為10.1 N/mm。

計(jì)算彈簧有效圈數(shù)n為:

n=kd/k=4

預(yù)設(shè)計(jì)后,再進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算旋繞比C為:

C=D/d=12.5

查得彈簧切變模量G為79 GPa,復(fù)核計(jì)算彈簧剛度k為:

所以所選伸縮彈簧參數(shù)可用。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),計(jì)算伸縮彈簧節(jié)距p為:

p=0.4D=10 mm

則伸縮彈簧總長(zhǎng)l為:

l=np=40 mm

與伸縮彈簧實(shí)現(xiàn)配合的滑動(dòng)心軸最大直徑為20 mm,套筒最小直徑為30 mm,據(jù)此將滑動(dòng)心軸套伸縮彈簧處直徑設(shè)計(jì)為19 mm。

6 徑向彈性保險(xiǎn)裝置設(shè)計(jì)

徑向彈性保險(xiǎn)裝置主要用于攻絲中絲錐受力過大時(shí)強(qiáng)制滑動(dòng)心軸克服保險(xiǎn)彈簧壓力,使滑動(dòng)心軸隨工件轉(zhuǎn)動(dòng),從而防止絲錐折斷。

計(jì)算絲錐允許的最大扭力。M12絲錐截面如圖7所示,材料為9SiCr,布氏硬度HBS為225,抗拉強(qiáng)度σb為742 MPa。材料扭轉(zhuǎn)變形許用剪應(yīng)力[τ]為(0.38～0.45)σb,則材料扭轉(zhuǎn)變形許用剪應(yīng)力[τ]為311 MPa。

圖7 M12絲錐截面

強(qiáng)度校核式為:

[Tmax]≤Wt[τ]

(2)

式中:[Tmax]為許用扭矩;Wt為截面系數(shù)。

因?yàn)榻z錐截面為非標(biāo)準(zhǔn)截面,因此只能近似估算截面系數(shù)?？蓪⒔z錐截面近似為十字梁截面,如圖8所示,計(jì)算截面系數(shù)Wt,為:

圖8 絲錐近似截面

計(jì)算絲錐許用扭矩[Tmax],為24 880 N·mm。根據(jù)力矩與力的關(guān)系,有:

Fmax=Tmax/L=777.5 N

式中:Fmax為損壞絲錐的最大扭力;L為滑動(dòng)心軸近似大徑。

徑向彈性保險(xiǎn)裝置如圖9所示。絲錐受到最大扭力,保險(xiǎn)裝置受力平衡,球頭滑塊即將頂起。如果扭矩過大,則導(dǎo)致球頭滑塊頂起。根據(jù)圖9有:

圖9 徑向彈性保險(xiǎn)裝置

式中:FS為保險(xiǎn)彈簧彈力。

Fh為水平分力,由幾何計(jì)算可知球頭滑塊頂起時(shí),保險(xiǎn)彈簧又被壓縮3.71 mm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)占保險(xiǎn)彈簧未壓縮時(shí)到球頭滑塊頂起時(shí)總壓縮量的50%,所以可預(yù)估保險(xiǎn)彈簧總壓縮量為7.4 mm。選擇彈簧絲直徑為2.5 mm,中徑為12 mm,一圈彈簧剛度為223 N·mm-1,圈數(shù)為3,則彈簧剛度為74.33 N/mm。校核保險(xiǎn)彈簧彈力FS為550.0 N,所以所選保險(xiǎn)彈簧參數(shù)合理。

計(jì)算保險(xiǎn)彈簧節(jié)距為4.8 mm,所以保險(xiǎn)彈簧總長(zhǎng)為14.4 mm。由于攻絲時(shí)所需扭矩遠(yuǎn)小于絲錐被破壞時(shí)的最大扭矩,因此第一次使用時(shí)可以將彈力調(diào)至小于理論值進(jìn)行試攻,也可以根據(jù)需要調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓或更換保險(xiǎn)彈簧。

7 使用

7.1 安裝校正

攻絲夾具中心高由加工精度來保證,攻絲夾具中心線與數(shù)控車床中心線的平行度可用百分表打表的方法進(jìn)行校正。將攻絲夾具裝夾于刀架上,擰緊刀架螺釘,將百分表座固定于尾座或?qū)к壣?使百分表與攻絲夾具側(cè)平面接觸,再沿Z向移動(dòng)刀架,觀察百分表讀數(shù)后,輕敲攻絲夾具找正,直至拉表時(shí)讀數(shù)不變?yōu)橹?最后擰緊刀架螺釘,完成安裝。

7.2 對(duì)刀

對(duì)刀的目的是將攻絲夾具中心線與數(shù)控車床中心線重合?？稍跀?shù)控車床卡盤上裝夾一個(gè)圓棒,若工件為回轉(zhuǎn)體,也可直接進(jìn)行對(duì)刀。在攻絲夾具的鉆夾頭上裝夾銑刀,沿X向移動(dòng)刀架,使銑刀輕輕接觸圓棒至剛剛產(chǎn)生切屑的瞬間停止,然后進(jìn)行測(cè)量及輸入刀補(bǔ)。這一對(duì)刀過程與數(shù)控車床試切對(duì)刀過程基本相同。

8 攻絲程序編制

編制GSK980TD系統(tǒng)攻絲程序,指令格式為G33 Z(W)_F(I)_L_,G33為模態(tài)G指令,Z(W)為攻絲終點(diǎn)坐標(biāo),F為公制螺紋螺距,I為每英寸螺紋的牙數(shù),L為多頭螺紋的頭數(shù),省略L時(shí)默認(rèn)為1頭。

刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡從起點(diǎn)到終點(diǎn),再?gòu)慕K點(diǎn)回到起點(diǎn)。指令功能為運(yùn)動(dòng)過程中,主軸每轉(zhuǎn)一圈,Z軸移動(dòng)一個(gè)螺距,與絲錐的螺距始終保持一致,在工件內(nèi)孔形成一條螺旋切槽,可以一次切削完成內(nèi)孔的螺紋加工。

循環(huán)過程如下:

(1)Z軸進(jìn)刀攻牙,G33指令前必須指定主軸開;

(2) 到達(dá)編程指定的Z軸坐標(biāo)終點(diǎn)后,M05信號(hào)輸出;

(3) 檢測(cè)主軸完全停止旋轉(zhuǎn);

(4) 主軸反轉(zhuǎn)信號(hào)輸出,即與原來主軸旋轉(zhuǎn)的方向相反;

(5)Z軸退刀到起點(diǎn);

(6) M05信號(hào)輸出,主軸停止旋轉(zhuǎn)。

如為多頭螺紋,則重復(fù)第(1)步至第(5)步。

使用G33指令攻絲時(shí)應(yīng)注意,攻絲前根據(jù)絲錐的旋向來確定主軸的旋轉(zhuǎn)方向。G33是剛性攻絲指令,在主軸停止信號(hào)有效后,主軸還將有一段減速時(shí)間才停止旋轉(zhuǎn),此時(shí)刀架仍然跟隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)給,直到主軸完全停止旋轉(zhuǎn)。因此,實(shí)際加工時(shí)螺紋的底孔位置應(yīng)比實(shí)際需要位置稍深一些,具體超出的長(zhǎng)度根據(jù)攻絲時(shí)主軸轉(zhuǎn)速高低和主軸剎車裝置而決定。

攻絲切削時(shí),Z軸的移動(dòng)速度由主軸轉(zhuǎn)速與螺距決定,與切削進(jìn)給速度倍率無關(guān)。在單段運(yùn)行或執(zhí)行進(jìn)給保持操作時(shí),攻絲并不停止,直到攻絲完成后回到起點(diǎn)才停止運(yùn)動(dòng)。復(fù)位或急停時(shí),攻絲切削減速停止。

編程舉例如下:

O0001;

G00 Z10 X0 ∥絲錐定位

T0101 M03 S80 ∥啟動(dòng)主軸

G33 Z-20 F1.5 ∥攻絲循環(huán)

M30 ∥程序結(jié)束

攻絲的工藝要點(diǎn)有四方面。

(1) 攻絲前孔徑的確定。為了減小切削抗力,防止絲錐折斷,攻絲前的孔徑必須比螺紋小徑稍大一些。普通螺紋攻絲前的孔徑可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,加工鋼件和塑性較大的材料時(shí),有:

Da≈D1-P

(3)

加工鑄件和塑性較小的材料時(shí),有:

Da≈D1-1.05P

(4)

式中:Da為攻絲前孔徑;D1為螺紋大徑;P為螺距。

(2) 孔口倒角。鉆孔或擴(kuò)孔到最大極限尺寸之后,再孔口倒角,直徑應(yīng)大于螺紋大徑。

(3) 對(duì)于攻螺紋時(shí)的切削速度,加工鋼件和塑性較大的材料時(shí)為2～4 m/min,加工鑄件和塑性較小的材料時(shí)為4～6 m/min。

以加工45鋼M12內(nèi)螺紋為例,選擇切削速度VC為3 m/min,將切削速度換算為數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速n1,得:

圓整后數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速取80 r/min。

(4) 切削液的選擇。攻制鋼件螺紋時(shí),一般用硫化切削液、機(jī)油和乳化液。切削低碳鋼或40Cr鋼等韌性較大的材料時(shí),可選用工業(yè)植物油。切削鑄件時(shí),可選用煤油或不加切削液。

使用攻絲夾具攻絲時(shí),可先試攻,觀察絲錐受力和排屑情況,再進(jìn)行攻絲。也可采用斷續(xù)攻絲法,類似發(fā)那科系統(tǒng)的G73斷續(xù)鉆孔指令,可及時(shí)排屑,有效防止堵屑,避免折斷絲錐。

攻絲夾具同樣適用于鉆孔或鉸孔,尤其是對(duì)于精度要求高的內(nèi)螺紋,可以一次對(duì)刀找正之后,使用攻絲夾具先鉆后鉸再攻絲,使形位誤差及尺寸誤差達(dá)到最小。

由于小孔攻絲相對(duì)較難,而M16以上螺紋均可用車削方法加工,并且受到鉆夾頭傳遞扭矩限制,因此攻絲夾具適用于加工M12及以下的內(nèi)螺紋。

9 制造要點(diǎn)

加工夾具主體時(shí),先車后銑。銑削夾具主體的裝夾柄部直接關(guān)系到刀具中心高的精度,需要注意保證尺寸底面與中心線的垂直距離20 mmjs8。以加工好的裝夾柄部為定位基準(zhǔn),再銑削其它表面。

滑動(dòng)心軸上的梯形槽可在四軸加工中心上進(jìn)行自動(dòng)編程加工,也可先用平底刀分層銑削,再用倒角刀進(jìn)行精修。

車削過程中必須打表找正,以保證同軸度。

車削圓錐部時(shí),必須采用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償,以保證圓錐部莫氏2號(hào)的形狀公差。

10 結(jié)束語(yǔ)

筆者在生產(chǎn)實(shí)踐過程中,在普通車床夾具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了數(shù)控車床過載保護(hù)式攻絲夾具。攻絲夾具的應(yīng)用,可以有效防止螺紋攻絲時(shí)絲錐折斷的問題,在保證加工精度的基礎(chǔ)上,提高了自動(dòng)化程度,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了生產(chǎn)成本。同時(shí),也可運(yùn)用攻絲夾具進(jìn)行鉆孔鉸孔等工序,提高了攻絲夾具的工藝柔性,擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。