數(shù)控重型立式銑車(chē)加工中心刀架及卡體加工夾具設(shè)計(jì)

馬洪亮， 王俊峰， 焦建華， 徐宗宇

（齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

0 引言

數(shù)控重型立式銑車(chē)加工中心具有加工精度高、效率高、可自動(dòng)換刀等特點(diǎn)，是航空航天、船舶、軍工、能源、工程機(jī)械等領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。數(shù)控刀架是數(shù)控重型立式銑車(chē)加工中心的關(guān)鍵核心部件，直接與工件接觸，其精度與穩(wěn)定性是機(jī)床的重要技術(shù)指標(biāo)，直接影響工件的加工精度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)控銑車(chē)機(jī)床發(fā)生的故障約1/4來(lái)源于數(shù)控刀架[1]。

數(shù)控刀架的綜合性能在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造的技術(shù)水平，也體現(xiàn)了數(shù)控加工中心的制造能力和水準(zhǔn)，并且直接關(guān)系到產(chǎn)品加工精度與生產(chǎn)效率。其選用的合理性和綜合性能的優(yōu)劣也會(huì)影響數(shù)控加工中心的應(yīng)用效果。數(shù)控刀架技術(shù)含量較高，對(duì)其研究開(kāi)發(fā)已引起了機(jī)械加工行業(yè)多方面的重視[2]。

1 數(shù)控刀架設(shè)計(jì)

數(shù)控重型立式銑車(chē)加工中心數(shù)控刀架主要由橫梁滑座、回轉(zhuǎn)滑座、滑枕、主軸、卡緊體、卡體等部分組成。垂直刀架通過(guò)橫梁滑座可在橫梁導(dǎo)軌上作水平方向運(yùn)動(dòng)，完成X軸進(jìn)給；橫梁滑座與回轉(zhuǎn)滑座通過(guò)螺栓固定連接；滑枕可在回轉(zhuǎn)滑座內(nèi)部作垂直方向運(yùn)動(dòng)，完成Z軸進(jìn)給。

數(shù)控刀架水平運(yùn)動(dòng)為X軸，采用直線(xiàn)導(dǎo)軌；滑枕垂直運(yùn)動(dòng)為Z軸，采用滾滑復(fù)合導(dǎo)軌。X軸、Z軸均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，Z軸進(jìn)給電動(dòng)機(jī)帶制動(dòng)器，防止機(jī)床斷電掉刀，損傷刀架或工件。數(shù)控刀架X軸、Z軸可兩軸聯(lián)動(dòng)，為提高加工精度，兩軸均采用全閉環(huán)控制，位置檢測(cè)元件采用高精度光柵尺。

在數(shù)控刀架垂直方向以往多采用單平衡油缸平衡滑枕重力，平衡滑枕重力的同時(shí)，也帶來(lái)了問(wèn)題：滑枕上部一側(cè)受到平衡油缸的支撐力，另一側(cè)懸空，這樣平衡油缸支撐力會(huì)對(duì)滑枕產(chǎn)生傾覆力矩，使滑枕產(chǎn)生一定程度的彎曲變形，影響滑枕精度，進(jìn)而影響機(jī)床加工精度，阻礙了數(shù)控刀架精度指標(biāo)的提高。該數(shù)控刀架垂直方向設(shè)置雙平衡油缸，平衡油缸布置在滑枕左右兩側(cè)，同時(shí)對(duì)滑枕提供支撐力，彎曲力矩相互抵消，改善了滑枕受力狀態(tài)，解決了單側(cè)平衡油缸附加的傾覆力矩使滑枕彎曲變形而影響加工精度的問(wèn)題[3]。同時(shí)，雙平衡油缸平衡滑枕自身重力70%以上，極大地降低了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷。

數(shù)控刀架滑枕內(nèi)部安裝有主軸，滑枕下端安裝有卡緊體。主軸由置于滑枕頂端的交流伺服主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速器、同步帶、傳動(dòng)杠等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)主軸的轉(zhuǎn)速范圍，傳動(dòng)杠由高精度滾動(dòng)軸承支撐。

當(dāng)數(shù)控刀架自動(dòng)換刀時(shí)，滑枕內(nèi)部主軸拉取刀具上的拉釘，卡緊體的卡爪拉緊刀具卡體的卡爪槽，實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)抓取?？ňo體帶4個(gè)油缸，對(duì)刀具卡體圓周上4處卡爪槽進(jìn)行液壓卡緊和放松。此結(jié)構(gòu)卡緊力大，能有效地減小切削振動(dòng)，提高加工精度，主要應(yīng)用于切削力較大的工況，如重載車(chē)削和銑削。

卡緊體與卡體配套使用，常應(yīng)用于數(shù)控重型立式銑車(chē)加工中心?？ňo體安裝在數(shù)控刀架滑枕下端面，卡體安裝在不同的刀夾、刀桿或銑頭等刀具附件上。數(shù)控刀架滑枕通過(guò)主軸及卡緊體抓取刀庫(kù)上的不同刀具附件，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)換刀，完成復(fù)雜零件在一臺(tái)機(jī)床上的多工序加工。

為確保數(shù)控重型立式銑車(chē)加工中心的加工精度，要求每次自動(dòng)換刀保持高精度，即每次拉刀后刀尖位置不能改變，不同刀具對(duì)刀后坐標(biāo)點(diǎn)要與初始位置保持一致。并且每臺(tái)數(shù)控重型立式銑車(chē)加工中心的刀庫(kù)通常配置多件刀具，甚至幾十件刀具，這就要求每件刀具上的卡體制作時(shí)具有高精度、良好的互換性和制造一致性等特性。

卡體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在數(shù)控臥式車(chē)床、數(shù)控磨床，以及數(shù)控鏜床上完成外錐面及內(nèi)孔的加工后，需要在五軸加工中心上完成外錐面上4處卡爪槽的銑削加工。卡爪槽加工一直是卡體加工中的關(guān)鍵工序，但由于卡體結(jié)構(gòu)限制，使其加工時(shí)裝夾變得困難。如果卡體中心無(wú)法找正，則加工出的零件將不合格，所以為了將卡體找正，每次都需要消耗工作人員大量的時(shí)間，而且找正后卡體固定也是個(gè)難點(diǎn)，很容易再次將卡體錯(cuò)位。

圖1 卡體結(jié)構(gòu)示意圖

2 類(lèi)似零件的加工方法

卡體結(jié)構(gòu)如圖1所示，是典型的在錐面上加工凹槽結(jié)構(gòu)，而在錐面或斜面上加工凹槽歷來(lái)是機(jī)械加工的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的加工方法是利用斜面、墊塊等輔助件調(diào)整被加工件，使凹槽所在錐面或斜面處于水平面，然后固定工件及輔助件，再利用銑床進(jìn)行加工。該方法不僅零件裝夾輔助時(shí)間長(zhǎng)、加工效率低,而且難以保證產(chǎn)品質(zhì)量,不適合大批量生產(chǎn)[4]。例如：利用普通銑床加工斜面上的凹槽時(shí)，可在虎口鉗上裝夾零件，通過(guò)楔塊來(lái)調(diào)整零件斜度，然后夾緊加工。這種方法效率低，而且在夾緊零件時(shí)容易造成調(diào)整好的精度走失。

為了使零件加工更為便捷和精確，需要被加工零件與機(jī)床、刀具的相對(duì)位置更為精確，需要對(duì)被加工零件進(jìn)行定位、固定。夾具的設(shè)計(jì)和使用能夠使被加工零件不會(huì)因外力或其它因素而影響其穩(wěn)固性，通過(guò)夾具將被加工零件固定，在加工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)變形、位移和振動(dòng)，可以使零件的精度和質(zhì)量得到有效保證。夾具的主要作用包括：提高機(jī)床工作效率；提高零件加工精度；擴(kuò)大機(jī)床應(yīng)用范圍；完成舊機(jī)床改造；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工[5]。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)零件加工精度與效率的要求越來(lái)越高，夾具設(shè)計(jì)受到了足夠的重視，針對(duì)在錐面或斜面上加工凹槽的零件，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了專(zhuān)用夾具，在一定程度上解決了加工難題。劉娟桂[6]設(shè)計(jì)了一種錐面銑槽定位夾具，該夾具底座通過(guò)壓板固定在機(jī)床工作臺(tái)上，底座側(cè)面帶有斜面，通過(guò)將被加工零件固定于底座的斜面上，使鍵槽所在錐面處于水平面，零件定位固定后，可以完成鍵槽的銑削加工。何彩玉[7]設(shè)計(jì)了一種錐面多槽孔加工夾具，該夾具根據(jù)被加工零件的錐度，將分度盤(pán)、固定盤(pán)件傾斜一定角度安裝，使連接在分度盤(pán)上的被加工零件的錐面處于水平面，利用帶有斜度的活動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)將零件夾緊，然后進(jìn)行錐面槽孔的加工。完成一個(gè)槽孔的加工后，松開(kāi)活動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，調(diào)整分度盤(pán)，進(jìn)行零件的分度轉(zhuǎn)位，將下一個(gè)槽孔的位置調(diào)至水平面，然后夾緊零件，再進(jìn)行槽孔的加工。

上述加工方法都是在銑床上完成的，在一定程度上解決了錐面或斜面凹槽加工的難題，夾具的設(shè)計(jì)使用一定程度上提高了加工精度與效率。然而隨著制造技術(shù)的不斷提高，機(jī)床技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，五軸加工中心的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，上述方法已不再適用。尤其是手動(dòng)調(diào)節(jié)零件，精度、效率與五軸加工中心不適應(yīng)；每一次零件的分度轉(zhuǎn)位都需要拆卸一次零件，更是造成了五軸加工中心加工能力的巨大浪費(fèi)。

3 卡體加工夾具設(shè)計(jì)

數(shù)控重型立式銑車(chē)加工中心刀庫(kù)中包含多件刀具，需要配置多個(gè)卡體零件，要求卡體零件不但自身精度要高，而且各零件的精度一致性要好。為完成卡體錐面上4處卡爪槽的加工，必須設(shè)計(jì)工裝夾具，將卡體固定裝夾在五軸加工中心工作臺(tái)上。為保證卡體加工的高精度、高效率，以及卡體之間的良好互換性，要求工裝夾具具備精準(zhǔn)定位、快速裝夾的功能。

本文設(shè)計(jì)的卡體卡爪槽加工工裝夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括底座、壓墊、調(diào)整墊、定位銷(xiāo)、內(nèi)六角螺釘和手柄。底座上部為圓柱體，其中心開(kāi)設(shè)有銷(xiāo)孔，其底部中心設(shè)置定位銷(xiāo)，底座底部四周為固定連接的法蘭盤(pán)，法蘭盤(pán)上開(kāi)設(shè)有用于裝夾在工作臺(tái)上的安裝孔。底座上方設(shè)置調(diào)整墊，調(diào)整墊中心同樣開(kāi)設(shè)有銷(xiāo)孔，周?chē)_(kāi)設(shè)有通孔。在調(diào)整墊上方設(shè)置壓墊，壓墊中心安裝手柄，壓墊周?chē)_(kāi)設(shè)有通孔，壓墊的通孔內(nèi)安裝內(nèi)六角螺釘。

圖2 卡體卡爪槽加工工裝夾具結(jié)構(gòu)示意圖

卡體安裝在工裝夾具上的裝配圖如圖3所示?？w置于調(diào)整墊上方，卡體底部銷(xiāo)軸插入調(diào)整墊和底座上的銷(xiāo)孔，壓墊位于卡體內(nèi)部，內(nèi)六角螺釘從墊片上方插入，穿過(guò)卡體的安裝孔和調(diào)整墊的通孔，其螺紋旋入底座內(nèi)，將卡體固定在工裝夾具上。

圖3 卡體安裝在工裝夾具上的裝配圖

工裝夾具底部中心定位銷(xiāo)的直徑與五軸加工中心工作臺(tái)中心孔直徑相同，便于工裝夾具快速、準(zhǔn)確地在機(jī)床上定位、裝夾。壓墊直徑略小于卡體內(nèi)徑，其上開(kāi)設(shè)的通孔與卡體上的安裝孔位置、布局相同，且直徑相同。調(diào)整墊和底座上開(kāi)設(shè)的銷(xiāo)孔的直徑與卡體底部銷(xiāo)軸直徑相同，便于卡體快速、準(zhǔn)確地在工裝夾具上定位、裝夾。

該工裝夾具通過(guò)定位銷(xiāo)定位在工作臺(tái)中心，通過(guò)螺栓把合在工作臺(tái)上?？w通過(guò)銷(xiāo)軸插入銷(xiāo)孔在工裝夾具上定位，并通過(guò)壓墊和內(nèi)六角螺釘與工裝夾具固定連接，從而實(shí)現(xiàn)卡體卡爪槽的高精度、高效率加工。安裝和拆卸時(shí)，可通過(guò)手柄輕松取出壓墊，從而快速拆裝卡體。

設(shè)計(jì)該工裝夾具時(shí)，擺脫了將錐面調(diào)整至水平面的思想束縛，同時(shí)避免了手動(dòng)分度轉(zhuǎn)位的繁瑣與不確定性。利用五軸加工中心可以實(shí)現(xiàn)錐面上凹槽在任意方位上的機(jī)械加工，利用五軸加工中心工作臺(tái)的精確分度定位功能，配合設(shè)計(jì)的工裝夾具，可以實(shí)現(xiàn)錐面上凹槽的定位，精度高、效率高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了數(shù)控重型立式銑車(chē)加工中心高精度數(shù)控刀架及卡體加工工裝夾具，解決了錐面凹槽的加工難題。經(jīng)實(shí)際使用證明，該數(shù)控刀架定位精度高，穩(wěn)定性好；該工裝夾具能夠快速地將工件定位、固定在工作臺(tái)上，保證工件中心與機(jī)床工作臺(tái)中心同軸，保證了加工精度，提高了工作效率，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文設(shè)計(jì)的數(shù)控刀架已大量配置在公司的機(jī)床產(chǎn)品上，市場(chǎng)反饋良好；工裝夾具已廣泛應(yīng)用于卡體加工，實(shí)際使用效果良好。