主軸類角度頭在變扭器殼體鍵槽加工中的應(yīng)用

□ 劉金衛(wèi)

上汽通用汽車有限公司 上海 201208

1 應(yīng)用背景

角度頭通過機(jī)床主軸帶動(dòng)齒輪組傳遞動(dòng)力來改變刀具切削的方向，機(jī)床安裝角度頭后，刀具旋轉(zhuǎn)中心線可以與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成角度加工工件。角度頭被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、模具等機(jī)械加工的各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用角度頭,可以擴(kuò)展機(jī)床的加工范圍和適應(yīng)性,使一些用傳統(tǒng)方法難以完成的加工得以完成,能減少工件重復(fù)裝夾,提高加工效率[1-2]。

按照角度頭的體積、質(zhì)量及與機(jī)床的連接方式,角度頭可以分為三大類。

(1)刀具類。刀具類角度頭主要安裝在加工中心上,像普通刀具一樣安裝至刀庫(kù)內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)換刀。

(2)附件類。附件類角度頭指用于大型落地鏜銑床或龍門機(jī)床的大型角度頭,一般都需要放置在專用的刀庫(kù)內(nèi)。

(3)主軸類。主軸類角度頭直接安裝在主軸箱內(nèi)，用作機(jī)床的主軸,一般為機(jī)床廠家配套使用。

筆者分析主軸類角度頭在變扭器殼體鍵槽加工中的應(yīng)用。

2 鍵槽加工尺寸要求

在變扭器殼體直徑為145.3 mm的圓周上，均布件號(hào)為S46～S60的15個(gè)寬度為12.15±0.05 mm、深度為5.35 mm、長(zhǎng)度為41.73 mm的鍵槽,相鄰兩個(gè)鍵槽之間的夾角為24°,鍵槽之間相互位置度要求為0.15 mm，如圖1所示。

▲圖1 鍵槽尺寸

3 角度頭類型選擇

本案例中,變扭器殼體加工線采用桁架自動(dòng)上下料，使用臥式加工中心方案,節(jié)拍要求為108 s，包括自動(dòng)上下料時(shí)間。

變扭器殼體鍵槽數(shù)量為15個(gè),若采用普通四軸臥式加工中心,則需要15個(gè)銑削類角度頭刀具[3],刀具成本高。若采用五軸加工中心,則僅需要一個(gè)角度頭刀具,但設(shè)備成本高。因?yàn)榧庸た臻g較小,附件類角度頭不適用。因此，選用結(jié)構(gòu)緊湊的主軸類角度頭，形成具有主軸分度功能的專用機(jī)床[4-5]。

專用機(jī)床動(dòng)力頭如圖2所示。

▲圖2 專用機(jī)床動(dòng)力頭

鍵槽加工的相互位置度要求高,對(duì)主軸分度精度要求高,采用伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)主軸的高分度精度[6]。本案例中使用的分度伺服電機(jī)型號(hào)為1FK7 042-2AF71-1CG0,主軸電機(jī)型號(hào)為1FK7 083-2AF71-1CG0,額定功率為3.3 kW。

伺服電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。

▲圖3 伺服電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

主軸電機(jī)動(dòng)力通過軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ、軸Ⅳ輸出至立銑刀,輸出傳動(dòng)比為1∶1.3。分度電機(jī)通過軸V將動(dòng)力傳遞至套裝在軸Ⅱ上的分度齒輪,帶動(dòng)固定在分度齒輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)體繞軸Ⅱ旋轉(zhuǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主軸分度。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體轉(zhuǎn)到所需的角度時(shí),氣動(dòng)機(jī)構(gòu)可以將轉(zhuǎn)動(dòng)體鎖死，防止轉(zhuǎn)動(dòng)。分度電機(jī)與分度齒輪的傳動(dòng)比為36∶1,大大減小了電機(jī)旋轉(zhuǎn)的定位誤差,實(shí)現(xiàn)了主軸的精準(zhǔn)分度。

4 加工程序與節(jié)拍

部分鍵槽加工程序如下:

N155 SPEED1=3200 FEED1=1800 FEED2=480

N160 R2=8.57 R3=-41.43 R9=50 R10=8.57

;

N155 SPEED1=3200 FEED1=1800 FEED2=480

……

N190 G60 X0.989 Y7.038 POS[C]=CDC(5)S=SPEED1 M3 F=FEED1//加工S46號(hào)鍵槽，主軸起始位置

N195 G64 Z=R2//快進(jìn)

N200 G1 Z=R3+1//工進(jìn)1

N200 G1 G60 Z=R3 F=FEED2//工進(jìn)2

N220 G0 G64 Z=R10//快退

;

N230 G60 X3.766 Y6.027 POS[C]=CDC(17)S=SPEED1 M3 F=FEED1//加工S47號(hào)鍵槽，主軸分度位置

N235 G64 Z=R2//快進(jìn)

N200 G1 Z=R3+1//工進(jìn)1

N240 G1 G60 Z=R3 F=FEED2//工進(jìn)2

N260 G0 G64 Z=R10//快退

…………

從程序上看,S46號(hào)鍵槽先加工,主軸分度起始位置在CDC(5),即角度頭在8°位置。加工S47號(hào)鍵槽時(shí),主軸分度位置在CDC(17),這是因?yàn)樽钚》侄葹?°,主軸分度位置從CDC(5)到CDC(17),主軸分度實(shí)際轉(zhuǎn)過角度為24°。

實(shí)際生產(chǎn)過程中,程序加工時(shí)間為65 s,輔助時(shí)間為33 s,節(jié)拍為98 s,滿足108 s的節(jié)拍要求。

5 切削功率核算

查工藝手冊(cè)[7-8],立銑刀切削力FC經(jīng)驗(yàn)公式為:

(1)

式中:CF為切削因數(shù);KF為銑削力修正因數(shù);ae為銑削寬度;af為每齒進(jìn)給量;d0為立銑刀直徑;z為立銑刀齒數(shù);ap為銑削深度。

銑削功率PC為:

PC=10-3FCvC

(2)

式中：vC為切削速度。

主軸到立銑刀的齒輪傳動(dòng)效率為ηm,則主軸功率PE滿足:

PE≥PC/ηm

(3)

加工鍵槽的立銑刀直徑d0為12.15 mm,齒數(shù)z為5,前角γ0為10°。銑削深度ap為5.35 mm,銑削最大寬度ae為4.3 mm，轉(zhuǎn)速n為3 200 r/min,進(jìn)給速度vf為1 800 m/min，每齒進(jìn)給量af為:

af=vf/(nz)=0.112 5 mm/z

切削速度vC為:

vC=πd0n/60 000=2.033 m/s

變扭器殼體材料為鋁鎂合金,查工藝手冊(cè),切削因數(shù)CF為167。立銑刀的前角γ0為10°,查工藝手冊(cè),銑削力修正因數(shù)KF為1。

各參數(shù)代入式(1),計(jì)算切削力FC為379.24 N。將FC代入式(2),得切削功率PC為0.77 kW。

主軸電機(jī)到立銑刀通過三級(jí)齒輪傳遞動(dòng)力,兩組圓柱齒輪傳動(dòng)效率均大于0.97,一組錐齒輪傳動(dòng)效率也大于0.97[9],總傳動(dòng)效率ηm為0.94,代入式(3),主軸電機(jī)功率PE不小于0.82 kW。

實(shí)際主軸電機(jī)功率為3.3 kW,遠(yuǎn)大于需求功率0.82 kW,完全滿足加工需求。

6 刀具更換

因?yàn)榻嵌阮^直接安裝在主軸箱中,所以更換刀具必須在機(jī)床上進(jìn)行。

該專用機(jī)床沒有刀具補(bǔ)償功能,每次更換立銑刀時(shí)必須將頂端基座的高度嚴(yán)格控制在25.5±0.02 mm以內(nèi)，如圖4所示,確保鍵槽加工深度滿足圖紙要求。

▲圖4 專用機(jī)床對(duì)刀高度

刀具安裝至機(jī)床后,用已標(biāo)零的馬爾表測(cè)量立銑刀高度。若高度不在要求的范圍內(nèi),則需取出立銑刀,調(diào)整立銑刀端面到調(diào)整螺栓底部的距離L，如圖5所示,然后再次將立銑刀裝入機(jī)床，用馬爾表測(cè)量高度,直至高度符合要求。

▲圖5 高度調(diào)整示意圖

為了保證鍵槽寬度±0.05 mm及相互位置度0.15 mm,還需保證將立銑刀的圓周跳動(dòng)控制在0.005 mm以內(nèi)。若跳動(dòng)不符合要求,則需調(diào)整鎖緊螺釘。為了防止鎖緊螺母松動(dòng)導(dǎo)致的加工質(zhì)量問題,需要在螺栓上涂抹防松膠[10]。

7 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐證明,在全自動(dòng)加工線上應(yīng)用帶分度的主軸類角度頭，加工成組變扭器殼體鍵槽,不僅加工效率高、質(zhì)量穩(wěn)定,而且生產(chǎn)成本低，值得推廣。