淺析走心機產品傳動軸的加工與制造

段 祥

（蘇州微創關節醫療科技有限公司，江蘇蘇州 215000）

1 工藝方案

1.1 產品介紹

傳動軸作為醫療器械電動工具中的主要配件，起傳動與支撐作用。醫療器械電動工具屬于高精密產品，對啟動、高速旋轉、剎車時傳動軸的穩定性與晃動要求較高，所以傳動軸的尺寸與形位公差較嚴（圖1）。傳動軸零件圖紙尺寸標注完整，表面由圓柱、順圓弧、逆圓弧、槽、孔、螺紋等特征組成，零件材料為17-4PH 不銹鋼，最大直徑14 mm、最大長度85.9 mm，內孔為貫通孔，多處關聯尺寸有形位公差要求，前后有2 處螺紋，產品有熱處理和硬度要求，后端材料去除較多需要考慮變形影響。

圖1 電動工具傳動軸零件

1.2 確定加工方法

加工方法的選擇原則是保證加工表面的加工精度和表面粗糙度的前提下，盡可能提高加工效率。考慮到本零件為大批量生產，尺寸精度要求高，因而在實際選擇時，要結合零件的形狀、尺寸和形位公差等要求全面考慮。

（1）常規加工工藝路線：①鋸床（工時2 min）—②深孔鉆（工時3 min）—③車床（2 次裝夾，工時12 min）—④加工中心（工時15 min）。在鋸床下料后，先進行深孔加工，然后通過車床修整同心度與相關形位公差尺寸，加工時需要考慮到產品的變形因素，加工中心加工時工裝夾具需要保證產品分度與相位要求。

（2）走心機加工工藝路線：走心機（工時25 min）。變形與加工時間是影響此工件是否可以在走心機一步加工到位的關鍵因素，將該工件相關特征分主軸與副軸同時加工，時間上可以節約8 min 左右，所以從加工效率和經濟性考慮，最理想的加工方式為走心機一步加工，關鍵尺寸使用刀塔刀具分粗、精加工，可消除變形影響。選用西鐵城M32 走心機，該設備具備主、副軸分度功能，有可轉位刀塔，刀具數量可安裝30 把以上，配備自動送料機，可實現零件自動化生產。

1.3 確定加工方案

該零件坯料選擇Φ15 mm×2997 mm 棒料，機床配備自動送料機，外接高壓油泵。高壓油可實現排屑、降溫功能，為減少油煙，將壓力控制在8 MPa，在加工時對內冷鉆頭、外圓大切深切削提供幫助。

1.4 產品加工順序

（1）主軸加工工藝路線：①車端面—②內孔中心鉆—③內孔鉆加工—④外圓粗加工—⑤外圓平面銑削—⑥外圓刀排與刀塔并列車削加工—⑦外螺紋加工—⑧二次外圓刀排與刀塔并列車削加工—⑨精修外圓（保證0.15 mm 尺寸穩定性）—⑩背軸接料—主軸切斷。

（2）背軸加工工藝路線：①車端面—②內孔倒角—③粗加工外圓—④銑削外鍵槽—⑤銑削內鍵槽—⑥銑削T 形槽—⑦精加工外圓—⑧加工外螺紋—⑨機械手接料。

2 加工準備

2.1 原材料要求

根據產品圖紙要求選擇17-4Ph 不銹鋼，參照圖紙要求加工精度，選擇直徑Φ（15±0.013）mm 的精光棒料，直線度為1 m≤0.3 mm，長度為（2997.2±1.0）mm，兩端倒角表面光滑無劃痕。

2.2 走心機夾頭的選擇

在走心機零件的加工準備中，首先確定主軸、導套、背軸及送料機夾頭的型號規格。主軸夾頭一般與棒料直徑尺寸一致，導套與材料配合間隙不超過0.02 mm，選定導套時需要考慮到棒料的直徑公差是上公差還是下公差。公制棒料一般采用的是下公差，而英制材料多采用上公差。背軸夾頭可分為普通夾頭與加長夾頭，槽形有三瓣式、四瓣式、S 槽等。根據加工零件的特點，考慮到背軸加工銑削特征時避免刀具干涉，選擇加長背軸夾頭，用于增加零件的加工剛性。送料機夾頭與主軸夾頭、導套都選用直徑Φ15 mm 規格，背軸夾頭為直徑Φ8.4 mm、加長15 mm，夾緊力設定為0.6～0.8 MPa，導套間隙調整為0.005～0.01 mm。

2.3 機床加工參數設定

數控機床在加工之前需設定機床參數，走心機機床也需要對材料外徑、退刀與換刀安全點、切斷時轉速與切斷刀位、加工長度等進行設定。此機床切斷加工是在操作界面獨立操作，不同于津上機床使用M 代碼在程序開頭進行切料頭加工。

由于該零件為大批量生產，需要較短的換刀時間以提升加工效率。換刀安全點設置為5 mm，切斷刀號為固定刀位1#刀位，刀寬3 mm，刀桿為16 mm×16 mm，因為材料為不銹鋼材料，所以切斷刀的R 角為0.2 mm，可提升刀具使用壽命。固定刀位是產品快速換型中的關鍵環節，當換型頻繁時固定刀位可節約換型時間。由于切斷時機床為恒定轉速，材料直徑為Φ15 mm，將切斷轉速設定為2000 r/min，進給為每轉0.03 mm。從背軸夾頭的選擇中，已知夾持長度為加長15 mm、零件長度為85.9 mm，所以背軸夾持后伸出長度設定為60 mm。

2.4 工件坐標系

西鐵城M32 是雙主軸加工，需要設定2 個坐標系，分別為主軸坐標系與背軸坐標系，主軸坐標系可以通過試切法來建立。走心機材料處于自動送料狀態，切斷刀處于第1 刀位，用以頂住材料，當運行程序自動加工時，在程序開始首先要運行建立工件坐標系指令。一般通過2 種坐標差來進行設定，區別在于左切斷刀具還是右切斷刀具。當使用3 mm 切斷刀片時，代碼“G50 Z0.”表示右切斷刀具，代碼“G50 Z13.”表示左切斷刀具。對于此產品而言，兩種切斷刀具都能滿足加工要求，為了保持產品加工剛性，此款產品選擇右切斷刀具。背軸坐標系設定相對簡單，以背軸夾頭伸出長度來定義Z 向0 點。

2.5 刀具對刀

數控機床上，目前常用的對刀方法為手動試切對刀。當在機器上安裝刀具時，需要將刀具的刀尖位置（切削點）與被設定的基準點保持一致進行安裝。如果刀具的刀尖位置與基準點不同，加工后的產品尺寸將會與在程序中所指令的尺寸有所不同。另外在運轉過程中，材料或產品和刀具可能發生干涉，需要調整刀具徑X 軸方向、芯Y 軸方向和縱向Z 軸方向的安裝。

雖然芯調整不會對產品尺寸產生直接影響，但會給產品的表面精度和刀具的使用壽命帶來一定的影響，因此需要正確進行芯的調整。當通過程序選擇進行程序變更或加工數據的刀架被變更時，需根據刀具調整數據（徑、芯和縱向）的需要，對數值進行變更。

2.6 裝夾方式

M32 走心機機床的裝夾方式為送料機導向并傳輸棒料，機床主軸與棒料同規格直徑夾頭夾緊后穿過導套，導套的配合方式為過渡配合，導套不配備電機，旋轉方式為皮帶傳動，與主軸轉數同步。

3 刀具、切削用量及編程

3.1 選擇數控刀具的原則

刀具壽命與切削用量有密切關系。在制定切削用量時，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據優化的目標而定。一般分最高生產率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據單件工時最少的目標確定，后者根據工序成本最低的目標確定。

3.2 確定切削用量

數控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫入程序中。切削用量包括主軸轉速、背吃刀量及進給速度等。對于不同的加工方法，需要選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是：保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發揮機床的性能，最大限度提高生產率、降低成本。

3.3 零件編程加工

西鐵城M32 走心機機床使用的編程系統為三菱系統，所用模式為三系統加工編程模式，由G600 自由加工模式、G610 刀排與刀塔交替加工模式、G620 刀排與刀塔并列加工模式、G630 刀排與背軸并列加工模式等，以及G640 主軸、刀塔、背軸三軸同步加工模式、G650 同步接料加工模式組成。主軸刀排粗加工外圓刀與刀塔精加工外圓刀使用G620 并列加工模式加工時，使用等待指令，使粗加工刀具給精加工刀具留有Z 向3～5 mm 余量，同轉速切削原材料由Φ15 mm 加工到Φ7 mm，只需一次走刀。

4 總結

采用走心機加工精密軸類零件，能夠提高產品加工效率，減少加工工序。走心機屬于精密加工設備，單側軸能夠實現三軸聯動、四軸聯動，配置B 軸走心機設備可進行五軸聯動復合加工，可單工序完成車削、銑削、鉆削、鏜削、攻絲、沖加工、滾壓與雕刻加工等復合加工，同時配備自動送料機實現原材料自動上下料的批量生產加工。