數控機床刀柄中心孔磨床的研制

王長生 田東厚

(哈爾濱量具刃具集團有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150040)

自哈量集團生產SK和HSK數控機床刀柄系列產品以來,SK刀柄在修磨中心孔這一道工序時,一直選用我國傳統的中心孔研磨機,其合格率最多能達到60%～70%。而HSK刀柄中心孔的修磨也一直沒有較好的工藝手段,只能使用普通中心孔磨床或安裝圓錐形砂輪的普通立式鉆床,其合格率始終在20%～30%之間徘徊,致使該系列產品的生產無法正常進行。可見,刀柄中心孔的修磨問題已經成為其生產的瓶頸,必須盡快解決。為此,急需研制一臺數控刀柄中心孔磨床,以徹底解決影響刀柄生產的瓶頸問題。

1 設計思想及工作原理

經過對大量的廢品進行數據分析后發現,產生廢品的主要原因是選用的中心孔修磨機床不能滿足數控刀柄系列產品對中心孔質量的要求。例如,中心孔研磨機是通過合金頂尖與刀柄中心孔對研的方法來修磨中心孔的,因為合金頂尖自身精度不高且不能修整,所以SK刀柄廢品率較高;而普通中心孔磨床無法實現與HSK刀柄中心孔對磨,只能以一端中心孔定位,通過對刀柄外圓柱面或圓錐面增加輔助支承后進行另一端中心孔的磨削,特別是磨削端面帶有傳動鍵槽的刀柄時,因為磨削砂輪的進給系統是剛性的,所以中心孔的修磨精度很難保證。另一方面,采用金剛筆修整砂輪時,由于砂輪尖部線速度較低,因此尖部的修整質量往往較差,甚至經常脫落,無法保證中心孔的修磨質量;至于安裝圓錐形砂輪的普通立式鉆床,因為兼具上述兩款機床的缺點,所以更無法滿足修磨中心孔的工藝要求。

針對現有機床的缺點,為了提高刀柄中心孔的修磨合格率,我們新研制的數控刀柄中心孔磨床的設計思想必須要重點解決好以下幾個問題:首先是磨削砂輪與刀柄中心孔的對磨問題,其次是磨削砂輪的修整問題,再次是磨削砂輪的剛性進給問題。

如圖1所示,該機床的工作原理較簡單,運動由電動機經三角皮帶和卸荷帶輪傳至主軸,主軸帶動磨削砂輪2旋轉。當修磨刀柄中心孔時,手持刀柄以其中一端中心孔定位,并將該端放入下頂尖1上,轉動進給手柄5使磨削砂輪2與刀柄上端中心孔進行對磨。重復以上過程進行刀柄另一端的對磨,從而實現刀柄的修磨工作。當磨削砂輪2需要修整時,啟動修整砂輪3后,通過扳動修整手柄4實現磨削砂輪2的修整工作。

2 主要結構設計

該機床主要參考傳統中心孔研磨機和中心孔磨床的成熟立式結構,整體仍采用立式結構,如圖1所示。

2.1 主軸

主軸是機床的核心部件,其精度直接影響刀柄中心孔的修磨質量,因此,其主要結構和精度指標尤為重要。如圖2所示,本文所設計的主軸部件采用典型的套筒式磨頭結構,其中主軸1的前后支承均采用雙排高精度滾動軸承支承,這樣既能滿足精度要求,同時又能提高磨頭主軸的整體剛度。考慮到套筒2內孔加工的工藝性,我們將其設計為等徑的直孔,這樣更易于保證內孔的高精度。整個磨頭通過齒輪齒條在2個滑動軸承3的內孔中上下運動實現進給。而磨頭主軸的轉動則是由電動機通過三角皮帶經卸荷帶輪4實現的,其轉速通過變頻器可在0～3000 r/min范圍內實現無級調速,從而更好地滿足了中心孔修磨對轉速的要求。

2.2 進給系統

傳統中心孔研磨機和中心孔磨床的進給系統均為剛性進給系統,無法實現柔性進給,這就給修磨端面帶傳動鍵槽的HSK刀柄中心孔帶來一定的困難,直接影響中心孔修磨質量。為了徹底解決這一制約生產的瓶頸問題,本文對砂輪主軸的進給系統進行了創新設計,在傳統齒輪齒條剛性進給系統的基礎上引進柔性進給系統,很好地解決了這一問題。

如圖3所示,該柔性進給系統中的平面渦卷彈簧4通過彈性元件彎曲變形而產生扭力。其中彈簧的外端固定在蝸輪3上,而內端固定在與齒輪軸一起轉動的內套2上,其扭力大小通過轉動蝸桿5來調整。另外,調整B－B剖面圖中的調整螺釘7可以改變彈簧6壓力的大小,從而使手柄1進給時的進給力發生變化,最終實現進給系統的柔性進給。

2.3 修整器

修整器是砂輪修整不可缺少的部件,傳統的磨床砂輪修整器均為金剛筆,通過金剛筆的直線運動或曲線運動實現砂輪的修整,以滿足工件對砂輪修整的要求。普通中心孔磨床亦采用金剛筆來完成錐形砂輪的修整工作,但由于錐形砂輪越接近尖部其線速度越低,直至為零,且金剛筆不能旋轉而沒有線速度,因此砂輪尖部總是因金剛筆與砂輪之間的線速度差太小而脫落,進而影響中心孔的修磨質量甚至無法修磨。

為了徹底解決這一難題,我們從確保修整器與砂輪之間的線速度差入手,經過反復研究和認真思考,大膽借鑒國外的先進做法,突破傳統的慣性思維,提出用旋轉砂輪代替金剛筆的修整器設計方案。其結構圖如圖4所示,修整磨削砂輪5時,首先啟動修整電動機,這時電動機直接驅動修整砂輪1旋轉,修整進給運動由手柄4完成,修整走刀運動由手柄3完成。鎖緊塊2的材料為紫銅,防止鎖緊時損傷修整磨頭的套筒外表面,當調整好修整磨頭的位置后,將其鎖緊,此時方可進行修整工作。修整工作完成后需通過手柄4將修整磨頭退出修磨區,然后即可進行刀柄中心孔的修磨工作。

3 實際應用

該機床于2007年8月份在哈量集團研制成功,從試生產到正式投入使用至今,SK刀柄的合格率達到了100%,而 HSK刀柄的合格率也一直穩定在98.5%以上,至此徹底解決了刀柄中心孔修磨的瓶頸問題。圖5為生產現場機床圖片。

4 結語

在傳統中心孔研磨機和中心孔磨床的基礎上,我們研制了數控機床刀柄中心孔磨床,解決了數控機床刀柄中心孔修磨合格率低的問題,其中完成的主要工作如下:

(1)采用卸荷帶輪,消除了皮帶張力對砂輪主軸精度的影響;

(2)引入柔性進給系統,有效解決了修磨端面帶傳動鍵槽刀柄中心孔的質量問題;

(3)采用旋轉砂輪修整器,從此磨削砂輪修整后其尖部不再脫落,修磨質量大大提高;

(4)利用變頻器使主軸轉速實現一定范圍內的無級調速。

盡管該機床徹底解決了刀柄生產的瓶頸問題,使刀柄修磨合格率得到了很大提高。但是在實際使用過程中還是發現有一些亟待解決的問題需要進一步完善。例如:修整砂輪的國產化問題,刀柄較重或較長手持較困難時需考慮輔助支撐的問題等等。

[1]徐灝.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2001.