試論數(shù)控銑齒設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)及技術(shù)分析

何婉珊

摘 要：針對(duì)銑齒設(shè)備使用時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的生產(chǎn)性能下降、產(chǎn)品質(zhì)量精度差、故障發(fā)生率高等問題，本文從設(shè)備機(jī)械切削性能研究入手，重點(diǎn)闡述了銑齒設(shè)備優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)及具體思路，旨在防止加工過程中銑偏齒現(xiàn)象的發(fā)生，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，以期為有關(guān)方面提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；銑齒設(shè)備；性能優(yōu)化；關(guān)鍵技術(shù)

任何機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備在使用時(shí)間過長(zhǎng)、超負(fù)荷運(yùn)行等狀況下，都會(huì)出現(xiàn)機(jī)械性能降低、故障發(fā)生頻繁等問題，而在數(shù)控銑齒設(shè)備生產(chǎn)中，設(shè)備老化將導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)精度值低下、質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)要求等，嚴(yán)重影響了設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量及效率，基于此，現(xiàn)對(duì)數(shù)控銑齒設(shè)備進(jìn)行研究分析，采取有效的設(shè)備優(yōu)化措施，提高其設(shè)備使用性能，保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。

1 機(jī)械切削性能研究與優(yōu)化的目的意義

提升老設(shè)備機(jī)械切削性能，延長(zhǎng)設(shè)備的技術(shù)壽命主要目的，是快速緩解生產(chǎn)線的壓力，始終能把握訂單式生產(chǎn)節(jié)奏的主動(dòng)權(quán)，解決鋼齒牙輪鉆頭銑齒工序瓶頸問題，設(shè)備機(jī)械切削性能提升迫在眉睫。有針對(duì)性的攻關(guān)研究，首先是要根據(jù)三四軸銑原有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)備的實(shí)際技術(shù)狀態(tài)，確保設(shè)備原有加工精度、機(jī)械性能不喪失，同時(shí)又能穩(wěn)定提升銑削加工機(jī)械性能、延長(zhǎng)設(shè)備技術(shù)壽命，這一關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究和改進(jìn)。著手對(duì)相關(guān)幾何精度、剛性進(jìn)行調(diào)查，主要總成零部件國(guó)產(chǎn)化方案策劃擬定、設(shè)計(jì)測(cè)繪工作的技術(shù)準(zhǔn)備。

2 刀具及夾持機(jī)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)化構(gòu)思與設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)床在實(shí)際加工過程中所暴露出的問題，分析證實(shí)它的機(jī)械切削性能，首先受到刀具刀柄結(jié)構(gòu)上的影響，由于刀柄的夾持力不夠使刀具打轉(zhuǎn)，時(shí)常導(dǎo)致打刀、刀具脫落飛出，存在安全事故隱患。分析發(fā)現(xiàn)全部指型銑刀一直沿用美國(guó)休斯技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，刀具刀柄尾端留有一個(gè)半圓臺(tái)階面，長(zhǎng)度占刀柄實(shí)際總長(zhǎng)近1/3，而且刀具在使用中不斷磨損，要多次重復(fù)修磨，因此刀具總長(zhǎng)度會(huì)逐漸變短，有效夾持部位軸向會(huì)不斷向前延伸，由于該臺(tái)階的存在，有效夾持面積遞進(jìn)式的減少，從而降低了變徑套對(duì)刀柄的夾持力。

受原刀具刀柄影響，刀具夾頭體在刀具裝夾過程中的，每個(gè)操作人員力量的大小不一致，鎖緊力難以控制，實(shí)際裝夾過程中往往鎖緊力矩過大，螺紋很容易開裂損壞，導(dǎo)致刀具夾頭體、變徑套報(bào)廢。而該刀夾頭體屬進(jìn)部件，目前國(guó)內(nèi)無法加工，20多年來一直依賴國(guó)外進(jìn)口，采購(gòu)費(fèi)用昂貴、每年耗費(fèi)數(shù)十萬，且周期都在8-10個(gè)月以上，是困擾設(shè)備的主要因素之一。

2.1 設(shè)備優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)及具體思路

提升它的機(jī)械性能：

a、在不改變刀頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)刀具刀柄結(jié)構(gòu)重新改進(jìn)設(shè)計(jì)，在國(guó)產(chǎn)化過程中去掉原有半圓臺(tái)階面，形成一個(gè)整體圓柱表面，確保夾持力持續(xù)有效。

b、將夾頭體一次性使用的單一設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)設(shè)計(jì)成重復(fù)循環(huán)使用結(jié)構(gòu)，在原有基礎(chǔ)上，保留原平面盤形弧形傘齒盤。

c、主要針對(duì)刀具夾持力不夠，導(dǎo)致安全隱患為改善著眼點(diǎn)，來提高刀具切削性能。

d、統(tǒng)一鎖緊螺紋的規(guī)格，采用矩形螺紋結(jié)構(gòu)，達(dá)到增強(qiáng)軸向鎖緊力矩目的，做好易損件材料選型，確定完全互換的技術(shù)要求。

2.2 設(shè)備優(yōu)化的具體技術(shù)要求

a、刀具夾頭體在國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)加工過程中，嚴(yán)格按圖紙要求，確保形狀與位置公差。

b、采用過盈配合冷裝配。

c、利用自行設(shè)計(jì)專用輔助工裝夾具，進(jìn)行精磨加工達(dá)到0.005mm。

d、發(fā)黑處理入庫(kù)。

e、刀具刀柄與切削韌口的同軸度控制在0.015mm以內(nèi)，每個(gè)切削韌的徑向跳動(dòng)控制在0.025mm以內(nèi)，表面粗糙度Ra0.8。

2.3 設(shè)備優(yōu)化后的實(shí)際效果驗(yàn)證

通過在實(shí)際使用過程中驗(yàn)證，其結(jié)果好于預(yù)期，實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)使用，精度和使用壽命與原裝件技術(shù)指標(biāo)基本接近，國(guó)產(chǎn)化后結(jié)構(gòu)特點(diǎn)好于原裝件，易損件可以進(jìn)行備件互換，徹底擺脫進(jìn)口件的制約。切削性能得到有效提升，不安全因素徹底排除。

a、刀具夾頭體的使用壽命由4500小時(shí)增加至11500小時(shí)。

b、單件制造費(fèi)用由原裝進(jìn)口件2.8萬元減少至0.3萬元。

c、每年工裝損壞維修費(fèi)用下降5多萬元。

d、維修、操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、故障率基本降至為零。

3 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的B軸鎖緊及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)三十多年，搖籃體數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)B軸的定位鎖緊機(jī)構(gòu)已成疲勞極限狀態(tài)，彈性變形轉(zhuǎn)向塑性變形，各項(xiàng)精度值與出廠標(biāo)準(zhǔn)值存在的偏差逐漸增大，而且銑削加工牙輪齒寬不一致，主要原因是工件裝夾的所在工位上各軸（B1/B2/B3/B4軸）等高出現(xiàn)不一致，另外，原鎖緊裝置的油缸由于受力較大，端蓋固定螺釘常常發(fā)生斷裂故障，后來采用焊接方式修復(fù)后產(chǎn)生變形，致使每個(gè)受力點(diǎn)發(fā)生變化，活塞在缸體中運(yùn)行阻力大小不一致、夾緊松開時(shí)出現(xiàn)不同步，導(dǎo)致傘齒輪及傳動(dòng)1/2軸損壞頻繁。而因?yàn)閭泯X輪裝配特點(diǎn)是90°點(diǎn)接觸傳動(dòng)方式，裝配間隙調(diào)整困難，需要反復(fù)數(shù)次磨調(diào)整墊，調(diào)整好后需要重新配鉆定位銷孔，一根軸只能重復(fù)使用2-3次。

3.1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)優(yōu)化思路及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

3.1.1 優(yōu)化思路

a、針對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、工作原理，重新構(gòu)思設(shè)計(jì)方案。

b、解體B1/B2/B3/B4軸，對(duì)零部件全部進(jìn)行損耗檢測(cè)、相關(guān)原因分析。

c、針對(duì)零部件磨損狀況進(jìn)行技術(shù)測(cè)量鑒定。

d、著手新的結(jié)構(gòu)自行設(shè)計(jì)、零部件圖紙繪制，裝配技術(shù)要求制定。

通過自行設(shè)計(jì)輔助工具、檢具對(duì)機(jī)床幾何精度進(jìn)行檢測(cè)調(diào)整，同時(shí)將各軸高度使其保持一致。

e、確定傘齒輪、傳動(dòng)軸國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)方案。

f、審定確立方案，相關(guān)轉(zhuǎn)換件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)繪制、主要部件總成選型與計(jì)劃購(gòu)置工作。

3.1.2 技術(shù)要點(diǎn)

a、根據(jù)所需2500psi油壓值，將英制4英寸（約102mm）直徑液壓油缸改換成國(guó)產(chǎn)直徑125mm油缸。

b、設(shè)計(jì)新加工的液壓拉桿，將螺紋方形退刀槽改成過渡圓弧，減少受力后的應(yīng)力集中。

c、要求將原油缸分油器內(nèi)的O型橡膠圈密封，改為間隙液體密封，降低壓力內(nèi)泄損耗。

d、將傘齒輪的模數(shù)由美制轉(zhuǎn)成公制，進(jìn)行配對(duì)加工。

e、按26×30mm標(biāo)準(zhǔn)漲緊環(huán)尺寸，重新設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸1/軸2，全部采用公制標(biāo)準(zhǔn)。

f、外協(xié)資源國(guó)產(chǎn)化加工關(guān)鍵細(xì)節(jié)把控。

3.2 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)優(yōu)化具體技術(shù)要求

3.2.1 B軸鎖緊機(jī)構(gòu)

a、設(shè)備優(yōu)化加工過程中，嚴(yán)格按圖紙要求，保正形狀與置公差及加工精度。

b、裝配過程中零部件的互換性較好。

c、利用自行設(shè)計(jì)專用輔助工裝夾具，進(jìn)行裝配精度檢測(cè)。

d、液壓壓力要求降到800psi以內(nèi)。

e、環(huán)形鎖緊力較原來提高3-5倍以上。

f、夾緊松開同步時(shí)間由原來8-10秒降至現(xiàn)在的2-4秒。

3.2.2 工件夾緊油缸

a、將英制4英寸（約102mm）直徑液壓油缸改換成國(guó)產(chǎn)直徑125mm油缸。

b、設(shè)計(jì)新加工的液壓拉桿，將螺紋方形退刀槽改成過渡圓弧，減少受力后的應(yīng)力集中。

c、要求將原油缸分油器內(nèi)的O型橡膠圈密封，改為間隙液體密封，降低壓力內(nèi)泄損耗。

3.2.3 傳動(dòng)螺旋傘齒輪

a、將傘齒輪的模數(shù)由美制轉(zhuǎn)成公制，進(jìn)行配對(duì)加工。

b、按26×30mm標(biāo)準(zhǔn)錐形漲緊套，重新設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸1/軸2，全部采用公制標(biāo)準(zhǔn)。

c、通過外協(xié)資源國(guó)產(chǎn)化加工完成。

3.3 設(shè)備優(yōu)化的實(shí)際效果驗(yàn)證

通過上百次調(diào)試驗(yàn)證和一年多時(shí)間實(shí)際加工運(yùn)行性能考驗(yàn)，設(shè)計(jì)目標(biāo)、技術(shù)要求全部得以實(shí)現(xiàn)，部分設(shè)計(jì)應(yīng)用效果好于預(yù)期，國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)工作取得圓滿成功。實(shí)際上通過淘汰上世紀(jì)80年代初期的密封技術(shù)，改進(jìn)后的零部件使用效果較原隨機(jī)備件提升數(shù)倍，主要是提高工件的夾緊力，解決內(nèi)泄問題。

另外，降低系統(tǒng)油溫，提高液壓系統(tǒng)工作地穩(wěn)定性。B軸傘齒輪及傳動(dòng)部件進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化后，穩(wěn)定運(yùn)行近15000（兩年半）小時(shí)無故障，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，完全可以終生替代使用，再次徹底擺脫對(duì)進(jìn)口件的依賴與束縛。

國(guó)產(chǎn)化工作完成后，有形與無形價(jià)值雙雙體現(xiàn)，機(jī)械切削性能穩(wěn)定提升，徹底解決A軸翻轉(zhuǎn)平衡力不均、銑齒加工尺寸不穩(wěn)的質(zhì)量、安全隱患的問題。整個(gè)設(shè)備技術(shù)壽命得到有效延長(zhǎng)。降低維修勞動(dòng)強(qiáng)度、修理成本數(shù)十倍，故障率基本為零。

4 Y軸滾柱絲杠及組合軸承優(yōu)化

該機(jī)床的Y/Z軸絲杠兩端支撐軸承采用的是滾針式雙向推力圓柱滾子組合軸承，由于受重載切削，導(dǎo)軌副之間摩擦阻力很大，因目前潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑，在摩擦阻力過大的情況下潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑性能下降，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)形成軸向負(fù)載較大導(dǎo)致組合軸承磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，致使機(jī)床精度喪失、機(jī)械加工性能降低。

軸承屬特殊易損件，有效壽命在18000～20000小時(shí)內(nèi)，如果超出它極限使用范圍，壽命就會(huì)縮短，造成銑削加工尺寸不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)負(fù)載過大損壞。由于絲杠工作超過疲勞極限，開始出現(xiàn)磨損反向間隙增大、表面冷作硬化脫落使?jié)L珠槽研傷報(bào)廢。然而專機(jī)英制規(guī)格的滾珠絲杠需要定制，費(fèi)用高、周期很長(zhǎng)，由于上述不利因素存在，所以絲杠、軸承需要充分利用國(guó)內(nèi)成熟技術(shù)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)，杜絕因備件制約導(dǎo)致對(duì)維修的困擾。

4.1 Y軸滾柱絲杠及組合軸承優(yōu)化相關(guān)工作思路

針對(duì)上述現(xiàn)象以及傳動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)組合軸承、滾珠絲杠進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化探討，根據(jù)自行測(cè)繪條件，國(guó)產(chǎn)化前進(jìn)行公英制的轉(zhuǎn)換測(cè)繪計(jì)算。組合軸承作為絲杠的支承部件，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮的滿足承載能力、機(jī)械性能及精度要求，同時(shí)須能承受雙向軸向載荷和徑向載荷，要具備較高的傳動(dòng)精度和剛性，在保證關(guān)鍵參數(shù)的前提下，對(duì)其他影響裝配精度的參數(shù)進(jìn)行必要改動(dòng)。注重公英制轉(zhuǎn)換、技術(shù)測(cè)量與測(cè)繪細(xì)節(jié)、形位公差把握，機(jī)械性能指標(biāo)確定。

4.2 Y軸滾柱絲杠及組合軸承優(yōu)化具體技術(shù)要求

a、軸承內(nèi)圈端面對(duì)滾道的跳動(dòng)：≤2μm；

b、軸向載荷25KN作用下，軸承的啟動(dòng)摩擦力矩：≤65N？mm；

c、軸承極限轉(zhuǎn)速300r/min，對(duì)應(yīng)滾珠絲杠副快速移動(dòng)線速度≥8～15m/min。

d、組合軸承具備軸向和徑向雙向承載性能，接近或達(dá)到進(jìn)口同類型產(chǎn)品技術(shù)要求。

e、組合軸承軸向與徑向跳動(dòng)公差應(yīng)控制在0.002mm以內(nèi)，承載運(yùn)行時(shí)重復(fù)定位精度準(zhǔn)確可靠。

f、絲杠軸端與軸承裝配間隙采用過度配合。

4.3 Y軸滾柱絲杠及組合軸承優(yōu)化實(shí)際效果驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)思路及技術(shù)要求，在絲杠、軸承國(guó)產(chǎn)化實(shí)際改進(jìn)過程中，在不影響裝配調(diào)整的情況下，注重對(duì)軸承的法蘭上注油孔進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，便于維護(hù)時(shí)潤(rùn)滑油脂及時(shí)注入。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)后的組合軸承、滾珠絲杠，在實(shí)際安裝使用后至今約7000小時(shí)，軸承的平均使用壽命、潤(rùn)滑性能較原來提高2倍，機(jī)床的機(jī)械切削性能得到前所未有提升，加工精度穩(wěn)定、效率得到有效提高。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、整體性能達(dá)到原國(guó)外進(jìn)口同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，而且采購(gòu)周期縮短3倍，費(fèi)用降低60%，同時(shí)維修工作強(qiáng)度降低了一倍，同樣不再受進(jìn)口件制約。此次銑齒設(shè)備機(jī)械切削性能攻關(guān)研究取得較好效果，基本解決了加工范圍窄，工序瓶頸問題。

5 結(jié)論

總之，對(duì)老化設(shè)備進(jìn)行機(jī)械性能優(yōu)化改進(jìn)，需要根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取合適的優(yōu)化方案，應(yīng)特別注意優(yōu)化措施中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，在實(shí)際操作中不斷深入研究，不斷提高技術(shù)水平，以專業(yè)的設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以及施工操作，提高機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。

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