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弧曲面高刚性数控车床设计
内圆弧曲面工件在我国家电、模具、汽车制造及社会其他各个领域被广泛应用,年需求量大。如电饭煲中的主要元件———发热盘是典型的内圆弧曲面工件,而电饭煲国内每年销售额达1800亿元[1]。在制造方面,内圆弧曲面工件的表面粗糙度、几何精度是重要的精度指标,要求高。但目前国内外加工内圆弧曲面工件的设备主要有普通通用机床、普通专用机床、通用数控机床等。采用普通通用机床加工的特点是成本低、效率低、精度低;采用普通专用机床加工的特点是成本低、效率高、精度不稳定[2];采用通用数控机床的加工特点是高精度、高成本、低效率,各有其优缺点。但这几种设备均不能同时满足大批量、高精度、低成本的生产需要。为适应市场大批量的生产需要,达到高效率、高精度、低成本的目的,现以加工电饭煲发热盘为例,提出设计一种数控专用加工车床[3]———内圆弧曲面工件专用数控车床。
1内圆弧曲面工件的工艺特点
常见的内圆弧曲面工件根据外形不同,可总结为3类:方形外形内圆弧曲面工件、旋转面外形内圆弧曲面工件和复杂外形内圆弧曲面工件。其工艺特点及常用加工设备分析如表1所示[4-6]。由表1知,内圆弧曲面工件的加工设备选用总体分两类:复杂外形或方形外形内圆弧曲面工件,在普通或数控的车床、铣床和加工中心加工,但需用专用夹具装夹;而旋转面外形内圆弧曲面工件主要在车床上加工,通用夹具装夹即可。文中以加工旋转面外形内圆弧曲面工件———电饭煲发热盘为例,设计专用数控车床,实现高效率、高精度、低成本的加工目的。若要加工其余两类内圆弧曲面工件,则配用专用夹具装夹,能达到同样的加工效果。
2内圆弧曲面工件实例加工工艺分析
以电饭煲发热盘工件为例,分析旋转面外形内圆弧曲面工件的加工工艺。
2.1碗形发热盘的结构特点碗形发热盘的结构如图1所示。碗形发热盘是由两内圆弧面(R650和R40)组成碗形托面的旋转面外形内圆弧曲面工件。加工的部位是两内圆弧面、两内孔面、外圆柱面及端面等。碗型发热盘选用的毛坯是铝材精铸铸件,各部分加工尺寸精度按IT7要求,各加工表面要求加工纹理清晰美观,内圆弧面粗糙度值要。
2.2加工工艺分析由以上结构分析知,此工件适合用车床类设备加工,加工难点是R650和R40两内圆弧面。根据工件特点,可选择的常用设备有普通车床、专用液压车床,数控车床。在普通车床上加工,需要靠模配合才能完成内圆弧面的切削,换刀时间长,车床转速低,加工效率不高,同时精度也低;在液压专用车床上加工,具有针对性,设有复合专用刀架,换刀时间短,加工效率高,加工精度高,但加工稳定性差,转速低,且一套复合专用刀架只适合一种尺寸的工件加工,加工范围小[2];使用数控车床加工,可用通用夹具,转速高,加工精度高、稳定,通用性好,但和专用车床比较,换刀时间长,效率低,因而加工成本高。因此需设计一种综合液压专用车床和数控车床优点的专用数控车床,使其具有高转速、高效率、高精度、稳定性好等特点,适合高精度、大批量生产需要。
3专用数控车床的结构组成及工作原理
3.1专用数控车床的结构组成专用数控车床和普通数控车床的区别是功能上具有针对性,因而在结构上主要满足被加工的对象。图2所示是为了加工图1所示的发热盘而设计的专用数控车床。由床身机架,主轴驱动部件,纵、横向进给伺服系统,排式刀架,电动机,皮带轮传动副及数控系统等部分组成。此专用数控车床由电动机带动主轴副旋转,主轴转速为变频调速,纵、横向进给伺服系统驱动排式刀架实现纵、横向进给运动。主轴电机为交流伺服电机,功率为5.5~7.5kW,主轴最高转速4500r/min,排式刀架纵向行程150mm,横向行程400mm,主轴中心高200mm。该机床性能稳定,切削效率高,每件切削时间35~40s。结构组成框图和结构简图如图2和图3所示。该设备是一个由机械系统和数控系统组成的机电一体化集成系统,其特点是工作台横向行程较长,而纵向行程较短,同时刀架的结构不是常用的方刀架或转塔式刀架,而采用了排式刀架。主轴采用了电主轴,主传动机构简单且刚性好,主轴转速高,整台专机的最大特点是刚性好、工作平稳、直线换刀、切削效率高、加工精度高。
3.2专用数控车床的工作原理和普通数控车床的工作原理一样,首先编制好加工程序,输入数控装置,再由数控装置控制机床的主轴转动,纵、横向进给运动,刀具的启停,冷却液的开启等[5]。框图如图4所示。文中重点讨论专用车床的机械系统结构设计,有关强电及数控系统部分和普通数控系统相似,不详细介绍。
4专机的关键技术
4.1主轴驱动部件设计主轴驱动部件完成主运动,由电机、皮带轮、卸荷装置及主轴副构成,改传统用主轴箱为主轴副结构,改善零件加工工艺及装配工艺,从而提高零件精度及安装精度[7]。选40Cr材料制作主轴,毛坯件经锻打后通过二次退火,并在精加工工序前进行时效振动,完全消除工件的内应力,采用专用工装在精密磨床上进行精加工,使主轴关键部位同轴度小于0.005mm[8-9]。主轴轴承选用精度为5级的轴承30316(前端)和N312(后端)。组装后检测,主轴轴端空载运转时径向、端面跳动都在0.01~0.015mm,运行平稳。电机通过皮带轮把运动传给主轴,其转速调节范围为100~4500r/min。主轴部件结构如图5所示。
4.2进给运动执行部件设计该专用数控车床的进给运动执行部件完成进给运动。由纵向进给、横向进给部件组成,纵向进给部件由床身和大拖板组成,和普通机床结构类似。而横向进给部件由横向工作台、排刀架组成,如图6所示[6-7]。进给运动执行部件主要完成纵横向进给运动,为了适应工件加工的实际情况,其纵向行程设置为150mm,横向行程设计为400mm。如图1所示工件,要求所有配置的刀具一次性装好,工作时有顺序地切削,横向进给运动部件设计成带T型槽的工作台形式,排刀架在其上安装,位置灵活,可根据实际需要前后、左右调整。图7是加工图1所示工件的刀架布置平面图。图中的刀具1为加工端面、内圆弧及?50mm内孔刀具,刀具2为加工?44mm内孔及端面刀具,刀具3为外圆车刀。
4.3数控专用车床的工作过程该专用车床选用广州数控设备有限公司生产的980T数控车床系统,工作时由数控装置发出指令,伺服驱动接收指令并通过同步带轮驱动滚珠丝杠,滚珠丝杠带动工作台左右运动,同时刀具完成对工件相应部位的切削。如图7所示,加工图1所示工件的过程为:工件和刀具安装好并对好刀后,启动机床,输入程序,运行程序,电机转动,刀具2纵向移动先加工?44内孔,径向退刀5mm,刀具3接触外圆,工作台向外纵向移动完成外圆切削,继续退刀至2号刀离开工件端面,工作台移动,1号刀切削端面,接着进刀车削?50内孔,切削内圆弧曲面,退刀,完成工件的加工,加工时间为35s/件。
4.4专机使用效果该设备已在广东茂名市凯星达电器有限公司使用,生产图1所示的电饭煲发热盘,月生产量5万件/台,主轴转速3500r/min,内圆弧曲面粗糙度Ra1.6~6.3,表面光滑,不出现刀痕,连续工作不需要调整机床,且尺寸精度保持恒定,控制在IT7范围内。使用效果说明该机床加工效率高,自动化程度高,精度稳定,劳动强度低。
5结论
旋转类内圆弧曲面工件专用数控车床省略了换刀装置,采用排刀架方式换刀,刀具行程短,编程简单,结构比传统数控车床简洁。主轴部件采用电主轴,主传动路线短,传动效率高,转速为变频调速,调速范围广,可实现高转速、高精度切削。该机床另一特点是刚性好,加工质量稳定,和普通的液压专用车床比较效率更高,加工精度更高。在功能上也比液压专用车床广,如要加工方形或不规则外形的其他内圆弧曲面工件,只需更换专用夹具和调整刀具的安装位置即可,成本低,通用性好,是一种加工内圆弧曲面工件的数控专用车床。加工内圆弧曲面类工件的数控专用车床是该类工件加工设备的又一创新,是从普通车床的仿形加工、普通数控车床加工、液压专用车床加工到专用数控车床的一个突破,在加工精度、效率、质量稳定性及加工范围方面都上了一个新台阶。
