便攜式銑床機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王淑琴

（常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，常州 213011）

近年來，面對全球信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我國機(jī)械工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，逐漸朝著自動化、數(shù)字智能化、專業(yè)化以及高效化方向發(fā)展。一些高精尖的機(jī)械類機(jī)器對產(chǎn)品尺寸和產(chǎn)品質(zhì)量要求十分苛刻，特別是高速經(jīng)編機(jī)械類產(chǎn)品。由于產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的特殊性，在機(jī)器的組裝過程中需要對成圈機(jī)構(gòu)的沉降、針芯、針床以及梳櫛等鑄造擺臂進(jìn)行二次機(jī)加工，以保證產(chǎn)品安裝尺寸的精度和機(jī)器本身質(zhì)量，提高機(jī)器使用壽命。此前，鑄造擺臂由供應(yīng)商統(tǒng)一進(jìn)行加工后組裝在機(jī)器上，后來發(fā)現(xiàn)擺臂單獨(dú)機(jī)加工時(shí)很難做到基準(zhǔn)的統(tǒng)一，導(dǎo)致在組裝過程中擺臂安裝面的平面度存在嚴(yán)重超差，且在人工安裝時(shí)需要經(jīng)常反復(fù)調(diào)節(jié)擺臂安裝面，造成效率低、不良品率高、質(zhì)量差以及操作復(fù)雜等問題，且會對經(jīng)編機(jī)的裝配精度和機(jī)器壽命產(chǎn)生不利影響。

我國在便攜式設(shè)備發(fā)展方面起步較晚，距離國外優(yōu)秀技術(shù)還存在一定的差距。從制造業(yè)的基礎(chǔ)和發(fā)展進(jìn)程來講，我國還不能與發(fā)達(dá)國家立刻進(jìn)入全面集成和完全數(shù)字化制造階段，且產(chǎn)業(yè)發(fā)展不成熟，分布不平衡，缺乏自主開發(fā)、設(shè)計(jì)和制造能力，也沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。為了適應(yīng)未來制造的需求和滿足生產(chǎn)工藝需要，發(fā)展一個(gè)全新的便攜式銑床設(shè)備是一個(gè)必然趨勢。針對存在問題，組織研發(fā)設(shè)計(jì)人員，根據(jù)機(jī)加工工藝和裝配工藝的要求，設(shè)計(jì)了一款便攜式銑床機(jī)。新型銑床機(jī)的使用極大地提升了鑄造擺臂的二次加工精度和加工質(zhì)量，簡化了裝配工藝，提升了工作效率，改善了工作環(huán)境，很好地滿足了經(jīng)編機(jī)的工藝與生產(chǎn)需求。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)特里科的機(jī)器特性，公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的便攜式銑床機(jī)，需要既能實(shí)現(xiàn)加工精度和提升加工效率，又能實(shí)現(xiàn)機(jī)器的重量和尺寸的最小優(yōu)化。因此，在總體設(shè)計(jì)方面對銑床的關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行了嚴(yán)格限定，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示[1]。

表1 便攜式銑床關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

便攜式銑床機(jī)包括第一模塊、第二模塊和第三模塊。第一模塊包括主要連接件，可垂向移動設(shè)置的銑削機(jī)構(gòu)，安裝于連接件用于驅(qū)動銑削機(jī)構(gòu)移動的升降絲杠機(jī)構(gòu)。第二模塊包括床身及設(shè)置于床身上的橫向移動機(jī)構(gòu)，以及安裝于支撐梁的導(dǎo)軌和手搖轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)。第三模塊包括刻度盤在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給裝置和提供動力的電機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)完整的銑切功能，銑頭需集成進(jìn)給裝置、切削主軸、測量裝置、導(dǎo)屑裝置和刀具等。對于便攜式銑床而言，銑頭需要滿足小型化和集成化，具有高強(qiáng)度、高韌性優(yōu)質(zhì)材料的性能。

2 結(jié)構(gòu)介紹

便攜式銑床機(jī)的主要結(jié)構(gòu)由支撐梁、導(dǎo)軌、機(jī)架、絲杠裝置、電機(jī)、減速箱、刻度盤、手搖轉(zhuǎn)盤、進(jìn)給裝置、立銑刀頭及支撐裝置等部件組成，具體如圖1和圖2所示。

圖1 銑床機(jī)軸視圖

圖2 銑床機(jī)側(cè)視圖

從圖1和圖2可知：支撐梁為箱型焊接結(jié)構(gòu)，有足夠的剛度可保證銑床機(jī)工作時(shí)不變形，提高機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性和加工精度[2]；上表面和下表面為精加工面，用于保證機(jī)加工時(shí)銑床移動基準(zhǔn)的一致性。支撐梁前端由30個(gè)螺栓安裝固定的帶齒導(dǎo)軌與減速箱凸出的齒輪黏合，使得銑床工作時(shí)通過手搖轉(zhuǎn)盤可以左右橫向行走，可以將經(jīng)編機(jī)的鑄造擺臂在橫向方向上一次性機(jī)加工成型[3]。減速箱4個(gè)螺栓固定在機(jī)架上，配有1∶3的齒比，裝有手搖轉(zhuǎn)盤，既保證了銑床運(yùn)動的精度，又提高了人工操作的舒適性。

機(jī)架是整體焊接機(jī)加工結(jié)構(gòu)。機(jī)架背面有兩塊小的加強(qiáng)筋和一塊長的加強(qiáng)筋。機(jī)架的下方有4個(gè)圓柱滾子軸承與支撐梁相連，保證機(jī)架在支撐梁上橫向穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，機(jī)架在銑床工作時(shí)能保證足夠的剛度，支撐整個(gè)切削工作的穩(wěn)定性。機(jī)架上安裝著整個(gè)銑床機(jī)的核心部件，包括支撐裝置、刻度盤、絲杠裝置、電機(jī)和兩個(gè)手搖轉(zhuǎn)盤。支撐裝置通過螺栓固定在機(jī)架上，中間穿有絲杠裝置，方便銑床在高度方向上進(jìn)行上下調(diào)整，擴(kuò)大了銑床的適用范圍。支撐裝置上有一個(gè)刻度盤，通過4個(gè)螺栓固定在一個(gè)圓形槽內(nèi)，可以使進(jìn)給裝置繞著中心0°～90°旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整刀頭的工作角度位置。在刻度盤上裝有進(jìn)給裝置和一個(gè)手搖轉(zhuǎn)盤，用以控制立銑刀的進(jìn)給行程。銑床工作的時(shí)候，刀具可以在軸向方向上前后進(jìn)給，多次調(diào)整擺臂的切削深度。進(jìn)給裝置前端配有立銑刀。立銑刀是機(jī)床上廣泛應(yīng)用的一種銑刀，其圓柱表面和端面都有切削刀，可以同時(shí)進(jìn)行切削，也可以單獨(dú)進(jìn)行切削。進(jìn)給裝置后端配有5.5 kW電機(jī)，為整個(gè)銑床提供強(qiáng)勁動力。在電機(jī)側(cè)邊裝有急停開關(guān)，在加工過程中遇到突發(fā)情況或者異常情況時(shí)，方便操作者及時(shí)停止機(jī)器工作。此外，刻度盤、絲杠裝置和進(jìn)給裝置都分別配有旋緊螺栓[4]。在銑床刀頭調(diào)整好垂直位置、切削角度和進(jìn)給距離后，將旋緊螺栓固定，可保證在整個(gè)機(jī)加工過程中刀頭處于穩(wěn)固狀態(tài)，提高擺臂表面加工質(zhì)量，避免因?yàn)檎駝右鸺庸っ娈a(chǎn)生振動波紋而導(dǎo)致表面粗糙。

整個(gè)銑床沒有配備電氣控制，所有的進(jìn)給調(diào)節(jié)、高度調(diào)節(jié)以及角度調(diào)節(jié)都是通過手搖轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)刀具的不同方位調(diào)整。在機(jī)加工的整個(gè)過程中，切削的深度尺寸一般控制在0.01～0.05 mm[5]。通過手動調(diào)節(jié)可以達(dá)到更好的預(yù)期，方便操作者調(diào)整切削尺寸，同時(shí)降低了整個(gè)銑床的成本和復(fù)雜性，便于后期的設(shè)備檢修和維護(hù)。

3 設(shè)備操作流程

在對特里科機(jī)器的鑄造擺臂進(jìn)行二次機(jī)加工前，先將擺臂的待機(jī)加工面按照圖紙基準(zhǔn)要求初步調(diào)整到大概位置并進(jìn)行固定。通過千分尺，以擺臂的旋轉(zhuǎn)軸為基準(zhǔn)，對擺臂進(jìn)行細(xì)微測量，前后誤差控制在0.02 mm左右，然后鎖緊固定擺臂。

將擺臂調(diào)整到所需位置后，在特里科機(jī)器前方擺放固定支架（機(jī)加工工裝），將支架與床身固定，保證在機(jī)加工過程中支架與床身不發(fā)生相對偏移。支架用來放置便攜式銑床及支撐梁。支架采用的數(shù)量主要參考機(jī)器的門幅。為了保證加工過程中銑床機(jī)支撐梁不變形，一般對于280寸的機(jī)器約用10根支架。

利用行車將便攜式銑床機(jī)放置在經(jīng)編機(jī)鑄造擺臂前方的支架上，采用螺栓連接將銑床的支撐梁與經(jīng)編機(jī)的床身剛性固定。加工過程中，保證支架、床身以及銑床都是相對固定，滿足加工質(zhì)量和精度要求。根據(jù)擺臂位置，利用手搖轉(zhuǎn)盤初調(diào)銑床刀具的高度和角度后，固定旋緊螺栓。轉(zhuǎn)動減速箱的手搖轉(zhuǎn)盤，目測刀具是否能加工到鑄造擺臂的被加工面，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整刀具進(jìn)給量。準(zhǔn)備好后啟動電機(jī)，對第一個(gè)擺臂進(jìn)行粗加工，緩慢轉(zhuǎn)動減速箱的手搖轉(zhuǎn)盤使調(diào)整好的刀頭開始走刀。加工完第一個(gè)鑄造擺臂后測量尺寸，再重新微調(diào)刀頭的位置。反復(fù)幾次調(diào)整后，正式對所有的鑄造擺臂的機(jī)加工面進(jìn)行切削加工，沿著支撐梁的導(dǎo)軌完成擺臂的整個(gè)機(jī)加工任務(wù)。

4 各個(gè)部件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

便攜式銑床機(jī)主要是為了解決經(jīng)編機(jī)在生產(chǎn)過程中遇到的鑄造擺臂二次加工問題。設(shè)計(jì)人員根據(jù)特定的加工要求和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)優(yōu)化創(chuàng)新，其中每個(gè)部件都具有不同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

支撐梁是便攜式銑床的“底盤”，所裝配的導(dǎo)軌最大長度為3 m，可以滿足長距離加工要求，保證經(jīng)編機(jī)的鑄造擺臂可以一次性加工成型，避免二次裝夾造成的加工誤差，實(shí)現(xiàn)銑床的長行程加工[6]。

機(jī)架是便攜式銑床的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，為立柱狀結(jié)構(gòu)。它上連接絲杠裝置、進(jìn)給裝置、刻度盤、銑刀頭等，中間連接著手搖轉(zhuǎn)盤，下與導(dǎo)軌相連，放置在支撐梁上。機(jī)架主要采用焊接結(jié)構(gòu)，對關(guān)鍵安裝面進(jìn)行機(jī)加工處理，結(jié)構(gòu)簡單且精度高，配有高剛性進(jìn)給裝置。主軸電機(jī)采用高性能和高功率的電動機(jī)，提高了工作效率，體現(xiàn)了銑床的高性能。

刀具進(jìn)給與刀具旋轉(zhuǎn)同步進(jìn)行，因此很薄或很軟的材料也能被有效加工，可以適應(yīng)不同材質(zhì)的切削任務(wù)和不同的粗糙度及表面加工等要求。在高度方向上，它可以調(diào)整刀具的高度，增大了整體加工范圍，減少了因?yàn)楦鼡Q刀具或設(shè)備帶來的二次加工誤差。各種不同型號的特里科機(jī)器均可以使用該銑床進(jìn)行二次機(jī)加工，提高了該設(shè)備的使用率[7]。

設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中考慮在對銑床的高度方向、旋轉(zhuǎn)角度及進(jìn)給方向調(diào)節(jié)時(shí)會導(dǎo)致立銑刀切削作業(yè)時(shí)刀頭振動劇烈會影響加工精度，因此在這3個(gè)方面增加了旋緊螺栓，保證了刀頭工作時(shí)的穩(wěn)定性，提升了銑床的防抖動性能。

通過刻度盤和進(jìn)給裝置，手搖轉(zhuǎn)盤可以很方便地調(diào)整立銑刀的加工角度和加工深度。該銑床機(jī)采用升降+線性導(dǎo)軌的方式，在保證良好加工穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了升降功能，可以適應(yīng)不同門幅經(jīng)編機(jī)鑄造擺臂的加工工作。在不停止切削工作的情況下，它能隨時(shí)調(diào)整刀頭的角度和進(jìn)給量，大大擴(kuò)大了適用范圍，保證了加工精度。

在整個(gè)切削過程中，由于鐵屑的飛濺會導(dǎo)致人員傷害和設(shè)備損壞，特別是當(dāng)鐵屑進(jìn)入支撐梁和機(jī)架中間時(shí)，會加速磨損支撐梁表面，導(dǎo)致支撐梁磨損影響機(jī)器精度和性能。在機(jī)架和支撐梁中間，通過法蘭將防護(hù)罩安裝在機(jī)架的兩端，可有效避免鐵屑進(jìn)入。為了能更好地除屑和冷卻刀具，將主驅(qū)電機(jī)排除的氣體直接導(dǎo)入銑刀頭處，可以將風(fēng)直接作用在刀具上，一方面降低刀具的溫度，另一方面可以迅速吹走鐵屑，減少對表面的劃傷。

5 結(jié)語

大型設(shè)備的制造和機(jī)加工特別是涉及二次機(jī)加工的機(jī)械設(shè)備，往往完全依靠人工技能或者加工設(shè)備的本身精度。這種加工方法費(fèi)時(shí)，且很難保證特里科機(jī)器的裝配基準(zhǔn)，費(fèi)用也往往很高，返工率高。為了節(jié)省時(shí)間、降低成本，迫切需要將機(jī)床搬到設(shè)備上進(jìn)行精準(zhǔn)加工，而便攜式銑床就是根據(jù)這種需求設(shè)計(jì)的。介紹的便攜式銑床機(jī)是針對生產(chǎn)實(shí)際需求自主開發(fā)研制的新型銑床機(jī)，安裝調(diào)試后運(yùn)轉(zhuǎn)正常，加工質(zhì)量高，效率快，使用便捷，有效降低了人工成本，可以很好地滿足生產(chǎn)工藝需求。設(shè)備的研制成功極大地提高了后期經(jīng)編機(jī)裝配生產(chǎn)速度，解決了鑄造擺臂二次機(jī)加工的難題，保證了經(jīng)編機(jī)的裝配質(zhì)量，延長了產(chǎn)品的使用壽命，可為其他大型零件加工或其他設(shè)備的二次機(jī)加工提供借鑒。