起重機小孔大背面結構自動化加工工藝

朱小偉

徐州重型機械有限公司 江蘇徐州 221004

1 序言

起重機小孔大背面結構件一般都要進行深孔鏜削和對背面進行加工。為了保證起重機作業過程的穩定性，背面的外徑要＞2倍孔徑。圖1所示為典型的小孔大背面轉臺結構，受結構形式的限制，只能從孔的一側加工。行業現有的成形反銑刀和單齒反銑刀，由于受到刀具軸徑比例限制而無法通過插補銑對小孔大背面結構件進行加工。常用的白鋼刀反刮方法不能保證背面的加工質量、效率和人員的安全性，且過程需要人工安裝白鋼刀，從而無法實現自動化加工。為了提升產品質量和加工的自動化水平，必須解決小孔大背面結構無法自動化加工的難題。

圖1 典型的小孔大背面轉臺結構

2 小孔大背面加工現狀

目前小孔大背面普遍使用刮面刀反刮加工。將白鋼條刃磨成具有切削角度的白鋼刀，安裝在反刮刀桿上對背面進行加工。小孔大背面結構加工刀具及安裝工藝如圖2所示。

圖2 小孔大背面結構加工刀具及安裝工藝

將反刮刀桿裝到機床主軸上，移動機床主軸，使反刮刀桿穿過需要加工背面的孔，人工將白鋼刀裝入反刮刀桿上。機床轉速20～50r/min，以軸向進給的方式刮削孔的背面，軸向進給量為0.1mm/r，加工至圖樣要求尺寸[1]。小孔大背面結構反刮加工流程如圖3所示。

通過圖3所示流程可知，加工工件大背面需將安裝在機床主軸的刀桿通過小孔到達加工面的位置，然后將白鋼刀裝入反刮刀桿上。由于刀桿安裝白鋼刀后，進退與小孔干涉，白鋼刀需要反復人工裝卸，使得工序繁瑣，無法實現加工自動化。

3 加工方案的提出及選擇

針對小孔大背面加工現狀，構想一種可以實現折疊的刀具，在通過孔徑時，刀具的切削部位可實現閉合（見圖4），在加工過程中切削部位進行展開，如圖5所示。刀具通過信號控制以慣性、氣壓等方式實現切削部位折疊，從而解決加工過程操作人員的干預，實現小孔大背面結構加工自動化。

圖4 刀具的切削部位閉合

圖5 刀具的切削部位展開

折疊刀具有氣動式、慣性式和外力接觸式3種類型，對其進行對比見表1。最終選定慣性式折疊刀具，進行小孔大背面結構的加工。

表1 3種折疊刀具對比

折疊刀具加工小孔大背面的過程是無人干預的自動化加工。刀具切削部位在閉合與展開的部位需要固定，否則會造成刀具與工件相撞或背面無法加工。刀具切削部位閉合與展開點位固定方式對比見表2，經分析，考慮到可實施性及實施效果，最終選擇新型鋼珠定位結構為折疊刀具點位固定方式。

表2 刀具切削部位閉合與展開點位固定方式對比

4 方案的實施

4.1 小孔大背面自動折疊刀具設計

根據大型結構件加工特征，設計制造了一種小孔大背面折疊刀具（見圖6）。該刀具以機床信號（主軸正反轉）控制刀具切削部位的展開與閉合，由刀柄、接頭、折疊頭、軸承和端蓋等部分組成，刀柄和刀頭采用標準刀具接口連接方式，通用性好，方便制造。折疊頭位于刀頭及端蓋之間，使用定位銷定位刀頭與蓋板，用螺栓緊固。折疊頭上下兩端均使用軸承，以減少折疊時的摩擦力。折疊頭可在刀頭上旋轉，呈折疊、展開姿態。刀具未工作時，折疊頭旋轉至刀頭內，縮小刀具直徑，便于刀具通過孔徑；刀具開始加工時，折疊頭順時針旋轉出刀頭，處于展開狀態，安裝成形刀片后進行背面加工。折疊頭折疊順暢，在展開和閉合點位使用固定裝置固定。

圖6 小孔大背面折疊刀具

4.2 刀具折疊與點位固定裝置

折疊刀具根據功能需求，折疊頭通過旋轉可以實現折疊，且在展開與閉合處能夠固定。為了減小旋轉過程中的摩擦力，在折疊頭的兩端安裝了高強度耐磨軸承，刀頭如圖7所示。折疊頭圓柱在兩處固定點位置加工小于1/3半球腔，在刀頭上加工一個可以使用彈簧推鋼珠運動的圓形腔[2]。折疊頭受旋轉慣性力不大時，彈簧推動鋼珠在折疊頭的半球腔固定折疊頭；受旋轉慣性力過大時，鋼珠縮回，折疊頭旋轉運動。彈簧鋼珠定位器如圖8所示。

圖7 刀頭

圖8 彈簧鋼珠定位器

4.3 刀具折疊機床信號確定

將折疊刀具安裝在雙面鏜銑加工中心的主軸上，通過主軸高速旋轉、停止來確定刀具的展開與閉合機床轉速信號，展開與閉合驗證如圖9所示。

圖9 展開與閉合驗證

選擇不同的轉速對折疊刀具進行展開與閉合驗證，試驗過程采用轉速100～500r/min。轉速采用100r/min然后準停，試驗10次刀具均不能實現折疊；轉速采用200～300r/min然后準停，試驗10次刀具不能全部實現折疊；轉速采用＞400r/min然后準停，試驗10次刀具折疊頭全部實現展開與閉合。考慮到折疊頭折疊受外部因素影響，刀具折疊頭展開與閉合機床旋轉信號定位≥500r/min。

4.4 切削參數確定

為了提升產品的加工效率和背面加工后的質量，根據經驗值并運用不同的轉速和進給量確定反刮加工刀具的最佳切削參數[3]，在刀具加工中從刀片使用壽命、切削力大小及表面粗糙度等方面考慮，采用不同的切削參數進行驗證，最終確定折疊刀具刮面試驗產品切削參數：轉速n＝35×[1＋（200－d）×0.16%]（r/min），進給量f＝0.1×[1＋（200－d）×0.16%]（mm/r）。其中d為背面外徑，50mm≤d≤240mm；數值200為試驗的背面外徑（mm）。

4.5 工作步驟

采用折疊刀具加工的流程如圖10所示。具體步驟為：①機床從主軸調用折疊反刮刀具，通過主軸正轉、停止確保刀具閉合。②刀具通過孔徑到達待加工面。③通過主軸反轉、停止實現刀具展開。④刀具根據加工參數對背面進行反刮加工。⑤刀具后退至安全距離，通過主軸正轉、停止實現刀具閉合。⑥刀具退出被加工孔。

圖10 采用折疊刀具加工的流程

5 實施效果

新型刀具解決了工件小孔大背面加工使用傳統白鋼刀反刮需要人工參與的問題。通過機床旋轉、停止實現刀具切削部位的展開與閉合，同時通過點位固定裝置滿足切削部位展開與閉合點的穩固，杜絕了人工操作過程對刀具的干預。方案實施前后加工方法對比如圖11所示。

圖11 方案實施前后加工方法對比

加工過程新型刀具通過編寫的程序控制，展開、閉合順暢，過程無需操作人員輔助。加工后的內端面平面度可達0.1mm，表面粗糙度值Ra＜6.3μm，符合圖樣要求。方案實施前后結構件加工質量對比如圖12所示。

圖12 方案實施前后結構件加工質量對比

新型折疊刀具應用了成形刀片以及最優的加工參數，已經批量應用的小孔大背面折疊刀具如圖13所示。該新型刀具的應用不僅提升了起重機轉臺、伸臂鉸點孔背面制造過程的一致性，同時實現了小孔大背面結構件的自動化加工，而且避免了復雜加工部位人員安裝拆卸刀具造成的安全事故的發生。

圖13 已經批量應用的小孔大背面折疊刀具

6 結束語

針對大型結構件設計制造了一種非標刀具，并在起重機典型結構件上試驗其可行性及使用效果。采用該刀具可有效解決小孔大背面結構件自動化加工難題，同時解決白鋼刀加工表面質量差、幾何公差無法保證以及刃磨困難等問題，提升產品質量和加工效率。