裝載機(jī)鏟斗銷孔雙頭數(shù)控鏜床的設(shè)計(jì)與開發(fā)

霍蘇萍，徐長(zhǎng)群

(1.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000;2. 三門峽合鑫機(jī)床有限公司，河南 三門峽472100)

0 引言

鏟斗是裝載機(jī)工作裝置的主要構(gòu)件，屬于結(jié)構(gòu)龐大的斗形焊接結(jié)構(gòu)件，主體為鋼板焊接，通過兩組平行孔系采用銷軸結(jié)構(gòu)分別與動(dòng)臂和斗桿連接，圖1 為某型號(hào)裝載機(jī)鏟斗銷孔加工工序圖。鏟斗加工中，與動(dòng)臂和斗桿連接孔系間的同軸度和平行度要求高，否則會(huì)直接影響鏟斗的平衡、導(dǎo)致銷孔及銷軸磨損嚴(yán)重。所以鏟斗銷孔加工中，既要保證各孔的尺寸要求，又要保證兩組孔系間的平行度及各同組孔系φ80D9 的同軸度［1］。

目前鏟斗加工方法主要有焊前加工、焊后用落地鏜床加工和設(shè)計(jì)專機(jī)加工。焊前加工工裝復(fù)雜，且焊接變形難以避免，很難滿足孔系精度要求;焊后落地鏜床加工能滿足同組孔系精度要求，但加工時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低;相對(duì)于焊前加工和焊后落地鏜床加工，專機(jī)加工采用相對(duì)位置固定的三組鏜模架來(lái)保證兩組平行孔系的平行度和同組孔系的同軸度［2］。但存在鏜模架設(shè)計(jì)復(fù)雜，在工作臺(tái)上對(duì)鏟斗這樣的大型組件定位調(diào)整困難，同時(shí)難以適應(yīng)多種規(guī)格鏟斗的加工，柔性差，設(shè)備投入成本高，不利于產(chǎn)品的升級(jí)換代。

裝載機(jī)鏟斗銷孔雙頭數(shù)控鏜床是校企合作，基于山東某企業(yè)鏟斗的生產(chǎn)工藝需求而開發(fā)的。機(jī)床采用全數(shù)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)銷孔加工定位準(zhǔn)確，有效地保證了兩組平行孔系的平行度和同組孔系的同軸度，兩端雙動(dòng)力頭同時(shí)加工，提高了鏟斗加工效率。能滿足30 系列、50 系列、953 系列和956 系列等多種規(guī)格鏟斗的加工。

圖1 鏟斗銷孔加工工序圖

1 機(jī)床設(shè)計(jì)方案及工作循環(huán)

1.1 機(jī)床設(shè)計(jì)方案及工作原理

機(jī)床采用臥式單面布局，5 軸數(shù)控加工定位，由主機(jī)、電控系統(tǒng)組成［3］。主機(jī)由數(shù)控工作臺(tái)一套，左右立柱數(shù)控滑臺(tái)兩套，專用數(shù)控滑臺(tái)一套，專用鏜削頭兩套，潤(rùn)滑，防護(hù)，排屑等部分組成。機(jī)床整體布局如圖2 所示。

工作時(shí)，數(shù)控工作臺(tái)用于鏟斗的支撐定位，并帶動(dòng)夾具及工件在X 軸方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鏟斗各銷孔水平方向的定位。左右立柱數(shù)控滑臺(tái)用于安裝專用鏜削頭，帶動(dòng)專用鏜削頭在Y 軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各銷孔的垂直方向定位。專用數(shù)控滑臺(tái)采用雙滑板及雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，用于安裝左右立柱數(shù)控滑臺(tái)，并帶動(dòng)立柱數(shù)控滑臺(tái)及專用鏜削頭在Z 軸運(yùn)動(dòng)，完成鏟斗銷孔加工時(shí)專用鏜削頭的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖2 機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 機(jī)床技術(shù)參數(shù)

裝載機(jī)鏟斗銷孔雙頭數(shù)控鏜床主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

1.3 機(jī)床工作循環(huán)

鏟斗裝夾定位于數(shù)控工作臺(tái)4，啟動(dòng)機(jī)床、調(diào)用數(shù)控程序→數(shù)控工作臺(tái)4 移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)孔系的X 軸定位，專用立柱數(shù)控滑臺(tái)帶動(dòng)專用鏜削頭Y 軸快進(jìn)，定位于下位孔系φ80D9，主軸啟動(dòng)→工進(jìn)，專用鏜削頭左右兩面加工下位孔系→快退，完成同組孔系φ80D9 的加工;左右立柱數(shù)控滑臺(tái)帶動(dòng)鏜削頭向上移動(dòng)，準(zhǔn)確定位于上位孔φ85D9→工進(jìn)→快退→完成平行孔系φ85D9的加工，數(shù)控工作臺(tái)退回原位，機(jī)床停止→松卡，卸工件-進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與選型

2.1 鏜削頭外形及尺寸的確定

為了滿足30 系列、50 系列等多品種多規(guī)格鏟斗的加工，應(yīng)避免加工時(shí)鏜削頭與工件發(fā)生干涉，通用鏜削頭不能滿足該機(jī)床加工要求，需要設(shè)計(jì)專用鏜削頭。設(shè)計(jì)專用鏜削頭時(shí)，根據(jù)鏟斗的具體尺寸確定專用鏜削頭外形及尺寸。鏟斗干涉圖如圖3 所示，約束條件為:加工斗桿銷孔時(shí)，專用鏜削頭不能與裝載機(jī)動(dòng)臂銷孔加強(qiáng)肋干涉;加工動(dòng)臂銷孔時(shí)，專用鏜削頭不能與鏟斗端部的加強(qiáng)肋干涉。根據(jù)此原則，以30 系列鏟斗為準(zhǔn)確定專用鏜削頭外形尺寸，考慮到鏟斗為大型焊接件，外形尺寸不規(guī)整，誤差大，必須保證專用鏜削頭外形與工件之間的間隙在10mm 以上，依此確定的專用鏜削頭加工30 規(guī)格以上鏟斗時(shí)不存在與工件發(fā)生干涉的問題。專用鏜削頭外形尺寸確定如下:加工30 系列鏟斗斗桿銷孔時(shí)，斗桿銷孔中心到動(dòng)臂銷孔加強(qiáng)肋的距離為90.1mm，留間隙15.1mm，確定專用鏜削頭外圓弧尺寸R75mm;加工30 系列鏟斗動(dòng)臂銷孔時(shí)，動(dòng)臂銷孔中心到鏟斗端部加強(qiáng)肋的距離為80.48mm，留間隙10.48mm，需將專用鏜削頭外形圓弧上部削邊。最終確定專用鏜削頭如圖3 所示的外形尺寸。

2.2 專用鏜削頭

為使動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)床鏜削頭采用傳動(dòng)箱與主軸箱一體式結(jié)構(gòu)，主軸傳動(dòng)采用電機(jī)通過齒輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，裝配圖如圖4 所示。

圖4 專用鏜削頭裝配圖

2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速選擇

鏟斗材料為Q235，銷孔孔徑范圍為φ80-φ85mm，表面粗糙度為Ra6.3um，加工精度為IT9，銷孔鏜孔加工方案為粗鏜-精鏜。通過對(duì)零件加工工藝分析，查《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》，選取刀具材料為YG6A，取切削深度為ap=3mm，走刀量f =0.5mm/r，粗加工時(shí)切削速度V =70m/min，精加工時(shí)切削速度V=120m/min［4］。

根據(jù)允許的切削速度計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速:

選取主軸轉(zhuǎn)速為250rpm。

2.2.2 電機(jī)功率選擇

(1)切削力計(jì)算

(查手冊(cè)可得:CP=300，XP=1，YP=0.75，np=－0.15，KP=1.1)。

(2)切削功率計(jì)算

機(jī)械傳動(dòng)效率取0.9，N電=3.6 ×0.9 =3.24(kW)

根據(jù)計(jì)算，選取電機(jī)功率:N=5.5kW。

考慮所加工銷孔的直徑變化及粗精加工時(shí)轉(zhuǎn)速的變化，選用交流變頻調(diào)速電機(jī)。電機(jī)型號(hào)及規(guī)格如下:

電機(jī)功率:5.5kW，基準(zhǔn)頻率:50HZ

基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速:1500rpm 變頻范圍:5 ～100HZ，

電機(jī)型號(hào):YVF2 -132S-4-B5。

2.2.3 主軸組件

專用鏜削頭主軸前軸承采用精密級(jí)雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承，后軸承采用精密級(jí)雙列圓柱滾子軸承，既增加了主軸的剛性，又保證了主軸的精度。主軸頭部采用莫氏5#標(biāo)準(zhǔn)錐柄結(jié)構(gòu)，方便更換刀具。

3 結(jié)束語(yǔ)

裝載機(jī)鏟斗銷孔雙頭數(shù)控鏜床安裝調(diào)試使用后，設(shè)備運(yùn)行良好，在目前鏟斗銷孔加工設(shè)備中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

(1)生產(chǎn)效率提高。本機(jī)床采用全數(shù)控控制，銷孔定位快速、準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)便，提高了加工效率。

(2)銷孔加工精度大幅提高。機(jī)床采用數(shù)控技術(shù)，避免了人工操作誤差，平行孔系定位準(zhǔn)確，兩端鏜削頭同時(shí)加工，既保證了同組孔系的同軸度，又保證了兩組孔系的平行度，銷孔加工精度大幅提高。

(3)實(shí)現(xiàn)了鏟斗銷孔加工的自動(dòng)化和柔性化。機(jī)床設(shè)計(jì)中源于柔性設(shè)計(jì)理念，可實(shí)現(xiàn)30 系列、50 系列、953 系列和956 系列等多種規(guī)格鏟斗的銷孔加工。是鏟斗銷孔加工的理想設(shè)備。為鏟斗銷孔高效、高精度、高質(zhì)量的加工提供了設(shè)備保障，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］郭鵬飛，高福舉.裝載機(jī)鏟斗鏜孔工藝的改進(jìn)［J］.工程機(jī)械，2001，32(10):38.

［2］陳桂芳.鏟斗鏜孔專用機(jī)床的設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(1):69－71，74.

［3］大連組合機(jī)床研究所.組合機(jī)床設(shè)計(jì)［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1975.

［4］孟少農(nóng)，機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［5］徐薄滋，張舒勃.專用機(jī)床設(shè)計(jì)與制造［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1978.