重點行業薄壁軸類零件的自動化加工

王 雷

通用技術沈陽機床股份有限公司 沈陽 110142

1 研究背景

對于企業而言,需要考慮如何降低生產成本,并且以低成本獲得高效益。對于某重點行業的薄壁軸類零件而言,不僅需要對結構設計以及工藝進行必要的變革,而且在工藝裝備方面也需要進行不斷地改進,對不利的因素進行改善,使其能適應行業的發展要求,提高生產效率,降低工人的勞動強度,最終實現產品的自動化加工。筆者以某重點行業的薄壁軸類零件為例,進行詳細介紹。

2 設備選用

根據用戶工藝要求,在薄壁軸類零件的工序加工中,需要加工其小端外圓及端面,鉆中心孔,整個零件車外圓,及對零件左端面進行切斷。由于該薄壁軸類零件相對較長較重,用戶要求加工過程中能實現一定程度的自動化加工,提高加工效率,降低工人的勞動強度。

根據該零件的外形及精度要求,筆者選用T4Sm數控車床。該車床是以德國本土設計為基礎,結合筆者所在單位多年臥式數控車床的設計經驗,順應市場發展及需求而設計、生產的一種全新產品。該車床主要性能指標具有世界當前同類產品的優勢,具有超高的精度和穩定性,高剛性結構和大功率大扭矩主軸,能夠滿足重切削的需求,使用戶得到高效率、低成本的回報。

該車床配備進口臥式12工位動力刀架,具有剛性好、鎖緊可靠、轉位速度快、重復定位精度高等特點,不僅可以完成車削功能,還能實現對工件的鉆、銑、攻絲等加工。完全滿足薄壁軸類零件的加工要求。整機采用封閉式全防護結構,符合人機工程學的原理,門玻璃為耐沖擊防爆玻璃板。該車床宜人性好,便于操作。該車床采用機、電、液一體化結構,整體布局緊湊合理,便于保養和維修。

因為所要加工的薄壁軸類零件長度較長,所以T4Sm數控車床配置了專用的調裝夾具,可以實現一次性裝夾加工,滿足用戶精度要求。另外,由于用戶提出一定程度的自動化加工要求,因此配置了專用的托料、送料機構,滿足了用戶提出的自動化加工的要求。

3 工藝方案制訂

針對用戶提出的加工要求,結合零件特點,制訂了專用的工藝方案,如圖1所示。該零件加工節拍見表1。圖1、表1可以準確反映該零件加工時的狀態,以及加工的工步、時間節拍,有效指導車間進行加工、驗收。

圖1 薄壁軸類零件工藝方案

表1 薄壁軸類零件加工節拍

4 專用工裝

加工薄壁軸類零件的雙脹式專用夾具裝配如圖2所示。

圖2 雙脹式專用夾具裝配

過渡盤安裝在車床主軸上,以主軸短錐形式定位,通過螺釘緊固在主軸上。夾具體安裝在過渡盤上,夾具體前端為支撐套及軸向定位桿。雙脹式專用夾具采用內孔定心、內端面軸向定位的形式,采用雙活塞油缸形式進行動力輸出。兩個錐套分別通過各自的拉桿連接至尾部油缸,脹塊通過錐面與錐套配合。外側的環槽采用彈簧鋼絲進行緊固,保證脹塊與錐套始終貼合。用戶也可以根據零件內孔不同更換不同脹塊,實現雙脹式專用夾具的快速互換。夾具體外形為漸變徑結構,既能避免與零件刮碰,又能保證夾具剛性。導向螺釘可以保證錐套不發生旋轉。用戶在進行日常保養時,可以通過油杯對夾具進行注油潤滑。

薄壁軸類零件的裝夾過程中,自動托料架將零件送入夾具體。軸向定位頂緊后,液壓油通過雙油缸分別推動兩個拉桿向右移動,錐套在拉桿的推動下,通過錐面使脹塊在徑向進行移動,直至脹緊零件內孔。反之,則松開零件。

薄壁軸類零件的加工過程為:零件夾緊后,分別粗車、精車小端面,動力刀架鉆中心孔,然后頂尖頂緊零件,粗車、精車外圓,最后車左端面,完成加工。

5 受力分析及夾緊力計算

脹塊在推力作用下的受力分析如圖3所示。按照斜楔式夾緊原理對脹塊所受的作用力進行分析,P為對脹塊所加的推力,Q為對零件產生的夾緊力,f為錐套與脹塊之間的摩擦力,N為錐套的反作用力。根據夾緊力分析,可得:

圖3 脹塊受力分析

Q=P/tan(α+φ)

(1)

式中:α為錐套圓錐角的1/2;φ為脹塊與錐套之間的摩擦角。

按要求液壓系統需提供1.5 MPa的液壓力,根據油缸樣本,計算可得P為20 kN。筆者設計的雙脹式專用夾具,在錐套圓錐角為25°時不會產生自鎖現象,因而α為12.5°。脹塊與錐套之間的摩擦因數為μ1,則有:

μ1=tanφ

(2)

μ1為0.2,可得φ為11.3°。代入式(1),可得夾緊力Q約為45 kN。

6 夾緊力校核

根據薄壁軸類零件不同的受力情況,以加工過程中對夾緊最不利的工況進行校核計算。根據靜力平衡的原理先計算出理論夾緊力,再將理論夾緊力乘以安全因數作為實際所需夾緊力,并將其作為夾緊力校核的依據。

Q2=KQ1

(3)

式中:Q2為實際所需的夾緊力;Q1為在一定條件下由計算得出的理論夾緊力;K為安全因數,通常粗加工時取2.5～3,精加工時取1.5～2。

為便于計算,將該零件等效為外壁直徑為125 mm,內壁直徑為100 mm的圓柱筒料,料長為525 mm,質量為18 kg。根據相關企業提供的信息,可知主軸從0加速至500 r/min所需要的時間為1 s。

J=m(R2-r2)/2

(4)

式中:J為轉動慣量;m為薄壁軸類零件質量;R為等效圓柱筒料外徑半徑;r為圓柱筒料內徑半徑。

可得轉動慣量J為0.013 kg·m2。

角加速度α為:

α=ω/t

(5)

ω=2πn

(6)

式中:ω為角速度;t為時間;n為轉速。

計算可得角加速度α為52.3 r/s2。

離心力扭矩M1為:

M1=Jα

(7)

計算可得離心力扭矩M1為0.68 N·m。

脹塊夾緊力所產生的摩擦力F為:

F=μ2Q

(8)

式中:μ2為脹塊與薄壁軸類零件之間的摩擦因數,取0.2。

計算可得脹塊夾緊力所產生的摩擦力F為9 kN。

摩擦力產生的扭矩M2為:

M2=FL

(9)

式中:L為等效圓柱筒料內徑半徑。

計算可得零件被夾緊時摩擦力產生的扭矩M2為450 N·m。由此可見,該扭矩遠大于轉動時離心力產生的扭矩,因此主軸在500 r/min的轉速下旋轉,零件不會產生滑移。

車削時,若要保證該零件不發生轉動或者移動,則要求車削力產生的扭矩需小于該零件夾緊時所產生的摩擦力的扭矩。由于車削力的計算比較復雜,筆者根據實際切削參數,通過切削力計算軟件進行計算,界面如圖4所示。得出切削時的安全車削力為4 492 N,該值遠小于夾緊時產生的摩擦力9 kN。摩擦力產生的扭矩為450 N·m,切削力產生的扭矩為280 N·m,切削力產生的扭矩小于摩擦力產生的扭矩,因此夾具的夾緊力安全,車削時不會引起薄壁軸類零件滑移或轉動。

圖4 切削力計算軟件界面

7 夾具體有限元分析

應用Solidworks Simulation有限元靜態分析軟件對夾具體進行靜態分析,選項如圖5所示。夾具體在受力狀態下的位移云圖如圖6所示。由圖6可見,夾具體的最大變形量為0.3 mm,能夠滿足加工要求。

圖5 有限元靜態分析選項

圖6 夾具體受力狀態下位移云圖

8 自動托料架

自動托料架三維圖如圖7所示,二維圖如圖8所示。自動托料架共由三部分組成。最下方為底座,安裝在機床床身上,配有鑲條,底部通過上下兩側壓板支撐,可以在油缸的作用下實現軸向移動。中間為箱體部件,內部安裝有垂直移動的油缸、到位檢測開關、導向套等。上部為運動托板,安裝有V形塊、導向桿、拉鉤等,其中V形塊、拉鉤均為可調式設計,可根據該零件直徑進行調整。

圖7 自動托料架三維圖

圖8 自動托料架二維圖

自動托料架的上、下料均通過液壓控制實現,再配合機械手實現自動上、下料。自動托料架上料順序如下:箱體中的油缸上升,使運動托板上升到位;接近開關發出到位信號,將零件放在自動托料架的V形塊上;底座上的油缸向左拖動自動托料架,直至零件內端面接觸夾具體的軸向定位,實現Z軸方向的上料;此時雙脹式夾具夾緊零件,箱體中的油缸下降;到位后,開始加工零件。自動托料架下料順序如下:零件加工完成后,箱體中的油缸上升托住零件;夾具松開,液壓尾臺撤回;底座上的油缸向右推動自動托料架,實現Z軸方向的下料,取走零件。運行過程中,只需要在機床上執行相應的M代碼,就可以自動完成整個加工過程,不需要人為進行調整。如果配合使用機械手,就可以實現真正意義上的全自動加工。

9 現場驗收

加工薄壁軸類零件采用雙脹式專用夾具,調整完成后,安裝檢測環檢測精度如圖9所示,夾具安裝軸向定位如圖10所示。自動托料架現場照片如圖11所示。

圖9 檢測精度

圖10 軸向定位

圖11 自動托料架現場照片

薄壁軸類零件加工現場驗收如圖12所示。通過對該零件的加工分析、加工方案制訂、雙脹式專用夾具及自動托料架的設計,以及用戶的最終驗收,積累了一定的經驗,可以為今后的設計過程提供參考。

圖12 薄壁軸類零件加工現場驗收

筆者設計的雙脹式專用夾具及自動托料架均采用液壓控制,運轉平穩,安全可靠,滿足了客戶的需求,同時在加工節拍、加工精度等方面也都達到了客戶的要求,得到了客戶的認可。

10 結束語

筆者通過分析薄壁軸類零件的加工工藝及自動化要求,選取了適合的加工設備,設計了專用夾具及自動托料架,在實際生產中驗證了方案的可行性,以及專用夾具的可靠性。