李嵩松
(北京第一機(jī)床廠,北京 101300)
大型數(shù)控龍門鏜銑床,大型立式車銑復(fù)合加工中心及數(shù)控落地鏜銑床是目前制造型企業(yè)較為通用的3類大型金屬切削設(shè)備,主要用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械、船用柴油機(jī)、汽輪機(jī)等制造行業(yè)的大型基礎(chǔ)件的加工。然而重機(jī)廠在生產(chǎn)過程中大多數(shù)機(jī)床都需要配置附件銑頭來擴(kuò)展主銑頭的加工范圍。所以對龍門鏜銑床等大型金屬切削設(shè)備來說設(shè)計(jì)適合不同工況使用的附件銑頭是必要的。
根據(jù)常用3大類機(jī)床的切削特點(diǎn),附件銑頭的使用最具代表性的是龍門鏜銑床。據(jù)調(diào)查數(shù)控龍門鏜銑床使用各種附件銑頭加工的時(shí)間幾乎占機(jī)床總加工時(shí)間的80%以上。同樣當(dāng)應(yīng)用立式車銑中心、落地鏜銑床等機(jī)床進(jìn)行加工時(shí),附件銑頭也是經(jīng)常使用的關(guān)鍵部件。
附件銑頭作為機(jī)床使用單位的關(guān)鍵部件,設(shè)計(jì)時(shí)一般可以分為兩類:
(1)設(shè)計(jì)通用型附件銑頭
目前大型機(jī)床制造商所標(biāo)配的通用型附件銑頭一般為直角銑頭、伸長銑頭和萬能銑頭。
此類通用型附件銑頭一般是由機(jī)床生產(chǎn)廠家,根據(jù)本廠生產(chǎn)的機(jī)床類型及切削性能特點(diǎn),結(jié)合市場調(diào)研情況,綜合考慮確定出適合于本廠產(chǎn)品機(jī)床使用的標(biāo)配附件銑頭。
(2)設(shè)計(jì)定制專用型附件銑頭
此類定制專用型銑頭是機(jī)床生產(chǎn)商根據(jù)使用單位提供的典型工件的加工部位和加工要求等特殊加工需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。它們是專為用戶量身設(shè)計(jì)的多種不同種類附件銑頭,如窄直角銑頭、雙端面銑頭、偏位直角銑頭和反劃銑頭等。
盡管附件銑頭外形變化多樣,但無論是龍門鏜銑床、立式車銑復(fù)合中心還是落地鏜銑床,設(shè)計(jì)它們的附件銑頭時(shí)總體可以按照以下步驟進(jìn)行:附件銑頭外形尺寸和性能參數(shù)的確定;附件銑頭的傳動鏈、主軸設(shè)計(jì);液壓控制及潤滑冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì);附件銑頭的裝卸、運(yùn)送、定位及轉(zhuǎn)位系統(tǒng)設(shè)計(jì);附件銑頭與主銑頭連接方式設(shè)計(jì);附件銑頭識別系統(tǒng)設(shè)計(jì);附件銑頭基礎(chǔ)件工藝性設(shè)計(jì)等。
設(shè)計(jì)通用型附件銑頭時(shí),機(jī)床制造商需結(jié)合所生產(chǎn)該機(jī)床的使用性能加工特點(diǎn)來確定基本外形參數(shù)和性能參數(shù),用來保證機(jī)床的基本加工要求。
設(shè)計(jì)專用型附件銑頭時(shí),生產(chǎn)廠的設(shè)計(jì)師及工藝師與使用單位的人員要一起經(jīng)過研討,共同確定附件銑頭的外形參數(shù)和性能參數(shù)。同時(shí)在設(shè)計(jì)專用型附件銑頭時(shí),設(shè)計(jì)師應(yīng)全面考慮,力爭使專用型附件銑頭具有一定通用性和前瞻性。
對于附件銑頭設(shè)計(jì)而言,傳動鏈設(shè)計(jì)是非常重要的。傳動鏈設(shè)計(jì)包括主傳動鏈設(shè)計(jì)和進(jìn)給傳動鏈設(shè)計(jì)。附件銑頭的傳動鏈構(gòu)成主要由錐齒輪傳動、直齒輪傳動、蝸桿傳動、花鍵聯(lián)接和鍵聯(lián)接等幾類常用的機(jī)械傳動和聯(lián)接方式組成。
2.2.1附件銑頭主傳動鏈設(shè)計(jì)
任何一種附件銑頭設(shè)計(jì)時(shí)都需要根據(jù)外形參數(shù)、切削參數(shù)和主銑頭性能參數(shù)來設(shè)計(jì)主傳動鏈。例如通用型直角銑頭設(shè)計(jì)(如圖1),這類直角附件銑頭設(shè)計(jì)可以使用普通弧齒錐齒輪傳動方式進(jìn)行傳動。由于弧齒錐齒輪具備可以改變動力傳遞方向、傳動平穩(wěn)、傳遞扭矩大等機(jī)械特性,所以在主傳動鏈設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。
直角附件銑頭傳動齒數(shù)比一般選為1∶1。確定傳動比后,可以根據(jù)設(shè)計(jì)手冊中提供的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行齒輪的設(shè)計(jì),在確定弧齒錐齒輪的齒數(shù)、模數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)以后,還要注意工藝性設(shè)計(jì),如:為每個(gè)弧齒錐齒輪設(shè)計(jì)軸向調(diào)整環(huán)節(jié),以保證裝配時(shí)調(diào)整齒輪的嚙合間隙。(計(jì)算部分可查看設(shè)計(jì)手冊在此不再贅述,此例僅供參考)。
2.2.2 進(jìn)給傳動鏈設(shè)計(jì)
附件銑頭進(jìn)給傳動鏈?zhǔn)前殡S著機(jī)械五軸附件銑頭的出現(xiàn)而出現(xiàn)的,一般采用蝸桿傳動和直齒輪傳動兩種形式,可以按照機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則結(jié)合實(shí)際條件進(jìn)行設(shè)計(jì),具體問題具體分析。
2.3.1 通用型附件銑頭主軸設(shè)計(jì)
通用型附件銑頭主軸部分空間尺寸一般給定時(shí)較為寬裕,所以主軸可以參照數(shù)控龍門鏜銑床常用的主軸形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意:(1)使主軸設(shè)計(jì)滿足切削功率要求;(2)主軸設(shè)計(jì)要便于裝配;(3)主軸軸向調(diào)整定位環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。
2.3.2 定制專用型附件銑頭主軸設(shè)計(jì)
用戶定制專用附件銑頭,大多數(shù)有條件要求,決定了它們主軸空間位置很可能受到限制,這對附件銑頭主軸設(shè)計(jì)提出了更高的要求。定制專用型附件銑頭主軸設(shè)計(jì)時(shí)一般可以按4步進(jìn)行設(shè)計(jì):
(1)粗選軸徑
根據(jù)專用附件銑頭使用時(shí)要求達(dá)到的切削功率數(shù)值,主軸軸端最大尺寸和主軸錐孔尺寸這3個(gè)參數(shù)粗選主軸基本外徑。
(2)安全校核
由于機(jī)床主軸要求剛度較高,因此在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對主軸軸頸尺寸安全系數(shù)要求較高。所以在附件銑頭主軸設(shè)計(jì)時(shí),要選擇較高的安全系數(shù)進(jìn)行校核。
(3)選擇軸承
在為專用附件銑頭選擇主軸軸承時(shí),因?yàn)檩S頸尺寸選擇的軸承一般已經(jīng)具備了較高的安全系數(shù),因此軸承的選擇主要取決于主軸的精度和剛度。
(4)綜合設(shè)計(jì)
在確定主軸最終結(jié)構(gòu)時(shí)還需要考慮主軸的加工工藝性,軸承的軸向調(diào)整環(huán)節(jié),主軸最高轉(zhuǎn)速及潤滑冷卻等問題。
隨著機(jī)床主銑頭轉(zhuǎn)速越來越高,附件銑頭的轉(zhuǎn)速也隨之提高,這對附件銑頭的潤滑冷卻提出了更高要求。
在設(shè)計(jì)時(shí),我們可以根據(jù)轉(zhuǎn)速劃分潤滑冷卻形式。對于大型數(shù)控機(jī)床而言轉(zhuǎn)速一般以2 000 r/min為分界線,當(dāng)附件銑頭輸出轉(zhuǎn)速≤2 000 r/min時(shí),齒輪和軸承的潤滑可以采用油脂潤滑,冷卻可以采用自然冷卻。當(dāng)用脂潤滑齒輪及傳動軸軸承時(shí)可以采用普通型潤滑脂,一般每3個(gè)月填充一次,若潤滑脂發(fā)黑變臟,應(yīng)用專用清洗劑清洗干凈后更換新的潤滑脂。主軸部分要采用長效高速潤滑脂,一般在機(jī)床大修周期內(nèi)不需要維護(hù)。同時(shí)要注意主軸軸承的密封設(shè)計(jì),一般可以按主軸軸承選型樣本中推薦的方式進(jìn)行主軸的密封設(shè)計(jì)。
大型機(jī)床設(shè)備所用的附件銑頭,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,而且一些功能要與主銑頭相配合使用。當(dāng)附件銑頭輸出轉(zhuǎn)速>2 000 r/min時(shí),這類附件銑頭輸出轉(zhuǎn)速較高,所以附件銑頭中所用的齒輪可以采用稀油潤滑冷卻,主軸軸承可以采用油脂潤滑,稀油循環(huán)冷卻。傳動軸可以采用空心軸在軸內(nèi)部進(jìn)行稀油循環(huán)冷卻。
在設(shè)計(jì)稀油潤滑冷卻的附件銑頭時(shí)要根據(jù)不同的使用方式和使用效果選擇不同類型的潤滑油。例如選擇齒輪的潤滑冷卻油時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)采用粘度較低的潤滑油。附件銑頭主軸循環(huán)冷卻可以和主銑頭主軸循環(huán)冷卻使用相同牌號的潤滑油。潤滑油的循環(huán)流量等方面都可以與主銑頭主軸保持一致。
由于附件銑頭所用齒輪密閉在箱體內(nèi)部,不利于散熱,為保證潤滑冷卻的效果,需要設(shè)計(jì)供油回油系統(tǒng)。此系統(tǒng)需要單獨(dú)冷卻、單獨(dú)過濾,從而更好地保證附件銑頭齒輪的潤滑冷卻效果。如果主銑頭行程較長時(shí),這種情況對潤滑冷卻系統(tǒng)的回油要求就更高。我們可以增加“接力回油系統(tǒng)”的設(shè)計(jì),可以在主銑頭頂端設(shè)計(jì)二級回油泵,加強(qiáng)吸油能力,以便將潤滑冷卻油及時(shí)吸回液壓箱。
2.5.1 數(shù)控龍門鏜銑床中主銑頭對附件銑頭夾持方式
當(dāng)機(jī)床需要使用附件銑頭進(jìn)行加工時(shí),要將附件銑頭連接到主銑頭端面。所以附件銑頭設(shè)計(jì)時(shí),主銑頭對附件銑頭的夾持方式也是較為重要的環(huán)節(jié)。主要有以下幾種方式:
(1)螺釘緊固夾持
此類夾持結(jié)構(gòu)簡單,但基本為手動夾持,主要應(yīng)用于簡易數(shù)控龍門鏜銑床。
(2)應(yīng)用旋轉(zhuǎn)油缸夾持系統(tǒng)
此類夾持系統(tǒng),夾持效果穩(wěn)定,但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,維修不便。
(3)應(yīng)用數(shù)控刀具夾持系統(tǒng)
目前應(yīng)用較為普遍的是將數(shù)控刀具夾持系統(tǒng)應(yīng)用于主銑頭對附件銑頭夾持的方法。這種刀具夾持系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于夾緊力較大,附件銑頭受力情況較好。夾持系統(tǒng)所用零件具備通用性和互換性,方便使用。
2.5.2 主銑頭對附件銑頭夾持方式在其他機(jī)床中應(yīng)用
由于立式車銑復(fù)合中心所使用的附件銑頭與主車銑頭聯(lián)接的受力情況與龍門鏜銑床相似,所以也可以應(yīng)用數(shù)控刀具夾持系統(tǒng)作為夾持方式。而對于落地鏜銑床而言,由于主鏜銑頭為水平放置,附件銑頭夾持系統(tǒng)需要承受一定的剪切力,所以可以采用螺釘緊固聯(lián)接。當(dāng)前數(shù)控落地鏜銑床應(yīng)用較為普遍的夾持方式是借鑒HSK/CAPTO等短刀柄刀具夾持系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的,此類夾具可承受一定的剪切力確保附件銑頭被拉緊,而且結(jié)構(gòu)簡單便于裝配。
大型數(shù)控機(jī)床選擇什么樣的夾持方式,應(yīng)由附件銑頭生產(chǎn)廠家和夾持系統(tǒng)生產(chǎn)廠家針對機(jī)床特點(diǎn)進(jìn)行溝通選擇,以保證夾持的效果,進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)床穩(wěn)定性和可靠性。
目前隨著加工業(yè)的全面自動化,當(dāng)使用單位要求實(shí)現(xiàn)五面加工時(shí),就需要使附件銑頭與主銑頭間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位功能。當(dāng)機(jī)床加工工件的不同部位時(shí),就需要使用不同的附件銑頭,這時(shí)機(jī)床就要進(jìn)行附件銑頭的更換。設(shè)計(jì)附件銑頭傳動軸定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)附件銑頭的自動轉(zhuǎn)位和自動交換功能。
附件銑頭轉(zhuǎn)位常用的4種形式如下:
(1)手動轉(zhuǎn)位
附件銑頭與主銑頭完全脫開,放在附件銑頭支撐架或運(yùn)輸小車上進(jìn)行轉(zhuǎn)位,轉(zhuǎn)位后再與主銑頭聯(lián)接。這種方法屬于附件銑頭人工轉(zhuǎn)位,主要在簡易龍門鏜銑床等上用。
(2)自動4×90°轉(zhuǎn)位
這種轉(zhuǎn)位形式其工作原理較為復(fù)雜,由主銑頭松拉刀機(jī)構(gòu)和附件頭傳動軸定向機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)4×90°轉(zhuǎn)位。
(3)自動1 ×360°或0.5 ×720°轉(zhuǎn)位
目前較為常用的形式主要有以下兩種:
①在主銑頭上增加C軸功能,使得附件銑頭隨主銑頭進(jìn)行轉(zhuǎn)位。這種結(jié)構(gòu)可靠性高,性能穩(wěn)定,切削功率高,扭矩大。但這種轉(zhuǎn)位形式對主銑頭的要求較高,目前國內(nèi)只有少數(shù)大型機(jī)床制造商掌握此項(xiàng)技術(shù)。
②在附件銑頭上增加C軸功能。此類形式設(shè)計(jì)出的附件銑頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,這種設(shè)計(jì)一般會影響附件銑頭的剛度,可靠性也隨之降低不適合大功率切削,可能會增加用戶后期維護(hù)成本。
(4)自動n×360°連續(xù)轉(zhuǎn)位
主要應(yīng)用于五軸加工機(jī)床,包含有電動機(jī)直驅(qū)式五軸附件銑頭和機(jī)械式五軸附件銑頭。直驅(qū)式五軸附件銑頭主要用于輕型機(jī)床;機(jī)械式五軸附件銑頭一般為分體式設(shè)計(jì),主要應(yīng)用于重型機(jī)床。國內(nèi)關(guān)于五軸附件銑頭的研究日趨增多,五軸附件銑頭是重型裝備制造業(yè)的重點(diǎn)需求產(chǎn)品,目前完全自主掌握此項(xiàng)技術(shù)的國內(nèi)機(jī)床制造商并不多。
為保證附件銑頭和主銑頭聯(lián)接時(shí)各個(gè)接口位置精確對正,一般需在主銑頭和附件銑頭上安裝定位裝置。由于主銑頭箱體和附件銑頭箱體的基礎(chǔ)件是分別進(jìn)行加工的,所以要保證附件銑頭定位裝置的定位精度是非常困難的。現(xiàn)以龍門鏜銑床為例,按其精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),其中直角附件銑頭主軸軸線對主銑頭主軸軸線的偏置要求為0.02 mm,要保證這個(gè)較高的精度,除對主銑頭端面和附件銑頭端面進(jìn)行刮研外,還要對聯(lián)接定位裝置進(jìn)行調(diào)整。可在滑枕端面裝配鍵槽塊,在附件銑頭端面裝配定位鍵塊,以保證聯(lián)接定位的準(zhǔn)確性。這種方式也可在落地鏜銑床上應(yīng)用,對于立式車銑中心,由于機(jī)床以車削為主,切削特性區(qū)別于以銑削為主的機(jī)床,所以需要使用工藝手段進(jìn)行保證。
設(shè)計(jì)附件銑頭時(shí),識別系統(tǒng)也是非常重要的環(huán)節(jié)。當(dāng)機(jī)床配有多個(gè)附件銑頭時(shí),對附件銑頭識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也在提高。目前較為常用的識別方式有4種基本形式:
(1)在附件銑頭運(yùn)輸小車上安裝識別碼
附件銑頭一般放置在附件銑頭運(yùn)輸小車上,利用運(yùn)輸小車將附件銑頭運(yùn)送到機(jī)床換頭處。在換頭處一般裝有4位或2位識別器,它的功能是識別器識別附件銑頭運(yùn)輸小車是否到位,是否可以執(zhí)行換銑頭程序,同時(shí)可以識別附件銑頭種類。但是這種方式識別種類較少,當(dāng)附件銑頭個(gè)數(shù)較多時(shí)受到限制。
(2)利用感應(yīng)開關(guān)識別
在主銑頭端面裝配多點(diǎn)式感應(yīng)開關(guān),同時(shí)在附件銑頭端面加工出相應(yīng)的感應(yīng)點(diǎn)。這種識別方法應(yīng)用了數(shù)字式感應(yīng)技術(shù),感應(yīng)開關(guān)只能感應(yīng)金屬和非金屬2個(gè)狀態(tài)。
(3)利用芯片讀取器識別
在主銑頭端面裝配芯片讀取器。在附件銑頭端面安裝芯片,在芯片中寫入附件銑頭的全部信息,例如切削功率、有無刀具冷卻、有無中心冷卻以及有無自動松拉刀等。在使用附件銑頭時(shí)由芯片讀取器讀取。這種識別方式不受附件銑頭數(shù)量限制簡單易行,適用于配置多種附件銑頭的機(jī)床。
(4)設(shè)計(jì)制造附件銑頭庫,實(shí)現(xiàn)附件銑頭全自動運(yùn)輸和更換
根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)制造附件銑頭庫結(jié)構(gòu),要考慮到機(jī)床類型上的區(qū)別,附件銑頭個(gè)數(shù)不同等因素。例如:①工作臺移動式龍門鏜銑床,附件銑頭個(gè)數(shù)不多的情況下,一般可以采用火車式附件銑頭庫;②龍門移動式鏜銑床,當(dāng)龍門框架行程較長時(shí)可以采用自動運(yùn)輸車式附件銑頭庫。這種以刀庫理念設(shè)計(jì)附件銑頭庫的方式,不受附件銑頭個(gè)數(shù)限制,但由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,同時(shí)對電氣調(diào)試要求較高,目前國內(nèi)制造商應(yīng)用并不多。
另外對立式車銑復(fù)合加工中心而言,由于此類機(jī)床以車削為主,而且主滑枕端面較龍門鏜銑床主銑頭端面較小,所以附件銑頭體積相對較小、重量較輕。目前常用的存儲識別方式是將附件銑頭與刀具全部設(shè)計(jì)到刀庫中,由電氣系統(tǒng)進(jìn)行識別,這種結(jié)構(gòu)國內(nèi)外機(jī)床制造商應(yīng)用較多。
落地鏜銑床與龍門鏜銑床切削功能相類似,所以對于附件銑頭的運(yùn)輸,識別系統(tǒng)可以借鑒龍門鏜銑床較為成熟的結(jié)構(gòu)。
綜上,在設(shè)計(jì)附件銑頭運(yùn)輸識別系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)師要根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況和使用單位的要求,進(jìn)行優(yōu)化組合這些識別系統(tǒng),達(dá)到方便用戶使用的目的。
附件銑頭的基礎(chǔ)件加工的難點(diǎn)有:超長箱體加工,附件銑頭箱體孔的加工等。
對于一些特殊附件銑頭的設(shè)計(jì),要將基礎(chǔ)件工藝性設(shè)計(jì)與附件銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合。例如,設(shè)計(jì)用于加工大型船用發(fā)動機(jī)機(jī)座導(dǎo)軌板的專用雙端面附件銑頭時(shí),銑頭總長度達(dá)到2 250 mm。這個(gè)附件銑頭基礎(chǔ)件(箱體)的加工和裝配都是比較困難的,所以要在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮,可以采取分體式設(shè)計(jì)。如圖2所示,上部可以采用延伸銑頭設(shè)計(jì)理念,力求結(jié)構(gòu)簡單;下部按定制附件銑頭設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì),這樣可以上下部分分別加工裝配,保證了工藝要求,節(jié)省成本,縮短生產(chǎn)周期,達(dá)到檢驗(yàn)精度最終滿足用戶要求。
在附件銑頭的設(shè)計(jì)中,主要零件的工藝性也是設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié),特別是基礎(chǔ)件(如附件銑頭箱體)更是重中之重。附件銑頭要實(shí)現(xiàn)各種液壓潤滑冷卻等功能,就需要在箱體上加工交叉孔,孔徑多為6 mm或8 mm。但由于目前國內(nèi)鑄造工藝水平所限,在鑄鐵件中經(jīng)常出現(xiàn)砂眼、疏松等現(xiàn)象,交叉孔經(jīng)常出現(xiàn)互相串通的現(xiàn)象,所以在箱體加工時(shí)特別要注意。
附件銑頭作為大型金屬切削機(jī)床拓展功能的重要組成部分,它的研發(fā)生產(chǎn)是一個(gè)綜合過程。附件銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其中重要的環(huán)節(jié),但要生產(chǎn)出高品質(zhì)的附件銑頭,加工工藝和裝配工藝都是不可或缺的重要保障。國內(nèi)的機(jī)床制造商要全面提高附件銑頭的生產(chǎn)制造水平,這樣才能做到根據(jù)用戶需要合理配置高品質(zhì)的附件銑頭,使機(jī)床更具經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性,為用戶創(chuàng)造更多的價(jià)值。
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