雙軸精鏜孔機床的設計制造

    摩托車、微型車活塞銷孔的加工要求圓柱度≤3µm，粗糙度Ra≤0.4µm。如此高的要求，需要高精度的加工設備保證。20世紀8 年代末，在國內定制適用的專用設備價格昂貴。在投資不大的前提下，我公司技術人員自行研制了精密液壓主軸，利用C616車床床身組裝精鏜孔機床專機，基本解決了摩托車、微型車活塞銷孔加工的難題，但仍存在以下不足:(1)自制液壓鏜頭主軸轉速≤2000r/min，切削速度較低、加工效率無法提高。(2) 加工表面粗糙度難于達到要求，精鏜加工后需對銷孔滾壓。(3)液壓系統維護工作量較大。為進一步改善以上狀況，我公司組織了課題組進行攻關。
   
1.主軸電動機 2.鏜桿 3.壓緊油缸 4.鏜桿 5.銷孔定位桿 6.銷孔定位油缸 7.縱向伺服電動機 8.床身 9.支撐桿 10.減振墊 11.后主軸 12.前主軸
圖1    聚晶金剛石刀具加工鋁合金切削參數推薦表    刀具供應廠家    切削速度
v(m/min)    進給速度
f(mm/r)    切削深度
ap(mm)    日本住友    ～3000    ～0.2    ～3    日本東芝    1000～2500    ～0.2    0.05～1.0    日本三菱    ～3000    ～0.2    ～1

1 雙軸精鏜孔機床的設計

1. 機械部分設計(圖1)
   1. 金剛石刀具適合用于高速加工有色金屬及其合金。精鏜銷孔工序我們采用聚晶金剛石刀具，部分刀具供應商推薦的聚晶金剛石刀具加工鋁合金的切削參數如右表。
      摩托車、微型車活塞的銷孔較小，以Ø16mm 直徑的銷孔為例，在主軸轉速2000r/min 時，其切削速度僅為 v=npd=100.48m/min
      此切削速度與上表所推薦的相比明顯偏低。
      切削加工時，已加工表面的粗糙度主要決定于殘留面積高度的幾何因素和切削過程的不穩定因素。在使用聚晶金剛石刀具加工鋁合金時不產生積屑瘤，由于切削速度的提高，影響粗糙度的切削過程的不穩定因素主要是切削力的增大和鏜桿的振動。在一定的轉速范圍內，通過采用硬質合金鏜桿、提高鏜桿的剛性：嚴格控制鏜桿的加工質量，減小鏜桿的不平衡和調整刀具角度等措施，可以使這些不利因素的影響減至很小。    Ra∝H≈    f2        8r式中：H——切削殘留面積高度，mm
      f——進給速度，mm/r
      r——刀尖圓弧半徑，mm
      根據以上公式，在保持進給速度、切削深度、刀尖圓弧半徑不變的前提下，提高切削速度不會使粗糙度變差。相反由于切削速度的提高，達到最佳切削速度，同時適當調整進給速度f，反而會使加工表面粗糙度值減小。(主軸低速旋轉時，進給速度太低容易引起導軌爬行。)提高切削速度是提高加工效率的有效手段之一。
      為保證機床的性能，我們進口了轉速高達8000r/min的精密主軸。
   2. 使用雙主軸同時加工兩只活塞，使機床加工效率提高一倍。
   3. 取消原來的手動壓緊裝置，使用油缸壓緊，減少輔助時間、減少人為因素的影響，使壓緊力保持一致從而提高銷孔圓度的一致性。
   4. 原有C616車床床身較高而且窄，振動較大。重新設計制作寬體高剛性床身，降低機床重心，減小機床振動。
   5. 采用貼塑導軌，減小滑動導軌副的摩擦。
   6. 縱向采用THK 高精度滾珠絲杠傳動，提高運動平穩性。
   7. 采用自動間歇潤滑裝置，保證各部位充分潤滑。
2. 電氣部分設計
   1. 主軸由變頻電動機驅動，變頻器無級調速，使切削參數的調整更方便，實現主軸的軟啟動。
   2. FANUC 數控系統替代原簡易數控，提高控制精度和可靠性，減少故障停機。
   3. 縱向采用伺服電動機驅動替代原有反應式步進電動機，使運動更平穩。
         
      1.壓緊油缸1 2、4、6.調速閥 3.壓緊油缸2 5.銷孔定位油缸 7、8、9.電磁換向閥 10.單向閥 11.壓力表 12.電動機 13.油泵 14.溢流閥
      圖2
   4. 控制主軸準停，避免退刀時對已加工面劃傷。
3. 液壓部分設計(圖2)
   液壓系統主要用于控制活塞定位桿的伸縮和工件壓緊。為方便調整，用兩個油缸分別壓緊兩個工件，實現獨立控制。

2 加工水平

自制的雙軸鏜床投入生產后，通過考核，主要加工水平如下:

1. 正常加工主軸轉速在6000r/min 左右(通過工裝調整、選擇合適的刀具和加工參數，轉速可以進一步提高)：
2. 加工銷孔圓度≤1.5µm，母線直線度≤1.5µm：
3. 性能穩定，按工藝圖考核Cp>1.33：
4. 加工表面粗糙度明顯改善:Ra≤0.4µm：
5. 加工效率明顯提高，1臺雙軸鏜床可替代3臺舊的液壓鏜床。
6. 機床主要性能指標達到同類進口機床水平。

3 經濟效果

1. 原一條生產線需配備3臺液壓鏜床，現在只需1臺雙軸鏜床，同時可免去滾壓工序，每條生產線可減少操作人員3名。
2. 產品質量穩定性明顯提高，減少了加工廢品損失。
3. 近兩年來，我們成功地組織自制了10余臺雙軸鏜床，使原有液壓鏜床基本被替換，使產品質量上了一個新臺階，節約資金一千多萬元人民幣，取得了很好的經濟和社會效益。

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