四工位雙軸數控高速鉆削組合機床設計

潘家珍

(上海電氣機床成套工程有限公司，上海 200041)

0 引言

目前，國內汽車零部件制造業的門鉸鏈車身件的加工，均是采用加工中心+單孔加工專機形式。該種生產方式不僅設備需要多，占地面積大，而且生產效率低。隨著汽車零部件制造業競爭的白熱化，如何提高生產效率，降低設備成本和勞動力成本，實現進口設備國產化，成為汽車零部件制造商關注的焦點。隨著汽車行業迅猛發展和產能的大幅提升，不少汽車零部件制造商為低成本擴充產能，滿足市場需求，對部分汽車零部件制造的自動化呼聲越來越強，希望能開發設計滿足門鉸鏈車身件專用生產設備。

本項目開發的目的是為了降低勞動強度、提高生產效率和質量，提供一臺為汽車model 系列門鉸鏈車身件，加工螺紋底孔及倒角、銷軸孔和背孔螺紋底孔的四工位雙軸數控高速鉆削組合機床。

被加工工件示意圖如圖1 所示。

圖1 被加工工件圖

1 總體布局和工作原理

1.1 總體說明

機床采用四等分數控轉臺交換夾具、精密內冷高速旋轉主軸和伺服驅動進給，從三個不同方向同時對門鉸鏈進行螺紋底孔及倒角加工、銷軸孔加工和背孔螺紋底孔及倒角加工。通過對夾具的快速更換，可以加工不同型號的門鉸鏈車身件零件。左右件一次裝夾同時加工。加工節拍為12s/兩件。除人工上下料外，實現全自動加工過程。

機床的主要規格如表1 所示。

表1 機床的主要規格

機床電氣控制系統由SIMENES S7-300 PLC、SINAMIC S120 伺服驅動器與1FK7 同步伺服電機由PROFIBUS 總線連接，實現進給控制。并可以通過OP屏按照不同加工要求，進行各工位進給位置、速度、主軸轉速等參數編程。由自動加工程序控制機床自動加工循環。

機床自動加工循環描述:

手動上、下料—雙手啟動按鈕—防錯識別與輔助定位—工件夾緊—回轉工作臺旋轉90°—內外冷卻液打開—主軸啟動—各工位快進給—工進—快退—主軸停止—內外冷卻液關閉。

在自動循環加工同時，操作人員在一工位進行上下料操作并由雙手啟動按鈕確認。在自動循環結束后，機床將自動進入下一循環。

本設備由床身、回轉工作臺、專用夾具、伺服驅動滑臺、主軸箱、動力頭、液壓、氣動系統、冷卻系統、電氣控制系統、防護罩等組成。見機床的總圖2。

本設計的特點是高速數控加工，高速數控加工的性能主要取決于它的高速主軸單元、高速進給驅動系統、高速刀具系統、以及高速加工測試技術等，以下就各關鍵技術進行論述。

(1)高速主軸單元

高速主軸單元是高速切削機床最重要的部件，也是實現高速的最關鍵技術之一。要求其動平衡性高、剛性好、回轉精度高、有良好的熱穩定性、能傳遞足夠的力矩和功率、和高效的冷卻裝置。本設計采用皮帶主軸，即交流伺服電機通過一對皮帶輪直接驅動高速主軸的結構，其特點是精度及剛性高，振動小、噪聲低、結構緊湊，最高轉速可達8000rpm 。

(2)高速加工進給系統

快速進給是高速數控機床的最重要技術之一。3個工位的進給系統均采用直線導軌高速滾珠絲杠副傳動系統，進給速度達到18m/min。

(3)高速刀具系統

刀具采用涂層硬質合金內冷鉆頭，刀柄結構采用德國的HSK 刀柄，具有很高的幾何精度和裝夾重復精度、裝夾剛度，以達到高速切削時的可靠性。

(4)高速加工監測技術

高速加工監測技術主要指在高速加工過程中通過傳感、分析、信號處理等，對高速機床及系統的狀態進行實時的主動在線監測和控制，識別可能引起事故的工況，避免機床、刀具、工件及有關設施的損傷。監測技術的成功應用可大大延長刀具壽命、保證產品質量、提高效率、保證設備及人員安全。

設備具有防錯裝和加工檢測功能。在上下料工位(如圖3 所示):在工件上方裝有激光位移傳感器對工件進行防錯判別。因為左右工件除了臺階尺寸差2mm 外，其余尺寸都相同，極易放錯。如放錯工件或工件沒放到位，激光傳感器接受不到正確信號就會報警提醒操作者。

圖2 機床總圖

圖3 上下料工位檢測示意圖

在加工工位:一方面，伺服電機控制中設定一個過載扭矩，一旦達到這一扭矩就停機，進行修磨或更換刀具，避免強行切削造成鉆頭斷裂，大大延長刀具壽命、保證產品質量。另一方面，在鉆頭的斜上方裝有超強力光型光電傳感器判斷鉆頭是否異常，它具有大功率的光束，能抵抗碎屑與強力冷卻水的干擾。一旦發生異常傳感器就報警，停機檢查，避免了設備的損傷。

工件輸送采用φ800 臥式四等分液壓回轉工作臺。通過放松、旋轉、夾緊來實現分度和工件輸送。

夾具采用面銷定位方式，由油缸夾緊。不同工件可以更換夾具基準墊片實現。

1.2 氣動系統

本機的氣缸和氣動控制元件均采用德國FESTO產品，氣動系統主要控制一工位的定位夾緊氣缸、二工位的主軸打刀缸、三工位的主軸打刀缸和氣液平衡缸、四工位的主軸打刀缸等，氣動控制原理如圖4 所示。

圖4 氣動原理圖

1.3 液壓系統

機床液壓系統主要為液壓回轉工作臺、工件夾緊、主軸松刀等提供動力與控制。

主要液壓元件采用YUKEN、REXROTH 元件。液壓控制原理如圖5 所示。

圖5 液壓原理圖

1.4 電氣控制

機床電氣控制系統由SIMENES S7-300 PLC、SINAMIC S120 伺服驅動器與1FK7 同步伺服電機由PROFIBUS 總線連接，實現進給控制。并可以通過OP屏按照不同加工要求，進行各工位進給位置、速度、主軸轉速等參數編程。由自動加工程序控制機床自動加工循環。具有手動調整、各工位單循環和自動循環三種方式控制，操作簡單、便捷、易學。

本機的控制流程圖如圖6 所示。

圖6 控制流程圖

1.5 高低壓冷卻與排屑系統

冷卻系統由內冷、外冷、循環、過濾等部分組成。帶有流量、液位、壓力控制。為切削時提供充分內外冷卻功能，同時提供沖屑功能。排屑系統采用磁性排屑裝置。如圖7 所示。

圖7 冷卻與排屑系統示意圖

1.6 機床防護與安全裝置

機床采用全防護外罩，各工位均設有換刀和檢修防護門，在上料工位裝有安全光柵，防護門均有安全聯鎖。

2 結束語

本項目的成功開發，大大提高model 系列汽車門鉸鏈車身件的加工產能和質量，降低勞動強度與制造成本。通過驗證表明設備高效可靠，達到國內領先水平。

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