普通數控車床改裝新型旋風切削復合機床設計與應用

■寧波海天塑機集團有限公司 （浙江 315821） 陳永明 潘曉敏 張洪斌

普通數控車床改裝新型旋風切削復合機床設計與應用

■寧波海天塑機集團有限公司 （浙江 315821） 陳永明 潘曉敏 張洪斌

摘要：注塑機拉桿的環形槽是整個抱合結構的關鍵，環形槽的加工是拉桿生產過程中至關重要的一環。設計新型旋風切削復合機床和專用刀具并應用到拉桿環形槽進行加工，能有效地解決原先環形槽加工排屑差、生產效率低及安全生產得不到保證的問題。

目前二板式注塑機由于其運動及動力特性合理、調模方便、合模剛性和精度好、結構緊湊簡潔及占地較少等優點，越來越成為市場的主流。二板機的調模動作由抱合結構來完成，抱合螺母取代調模螺母。其中拉桿是整個注塑機的關鍵件，將三板式注塑機調模螺紋改進為抱合環形槽，而環形槽的加工在整個拉桿生產工藝中相對關鍵。

拉桿環形槽加工普遍都采用數控車床單刀切削，這樣的加工工藝存在排屑差、效率低等諸多問題，在當前工業領域高速發展情況下，高效率、高質量和低勞動力的生產方法已是必然方向，基于這個趨勢，本文將普通數控車床整體重新設計，改裝為新型旋風切削復合機床并設計專用刀具，通過在拉桿環形槽加工中的應用，將問題有效地解決。

1. 環形槽加工問題現狀

拉桿需要在柱體外圓面上加工等距排列的環形槽，如圖1所示。

單刀切削即將工件裝夾至普通數控車床，采用普通槽刀在數控車床上進行數控插補進給切削。在實際生產過程中，徑向粗車時導致無法斷屑，一次進給，整個過程形成連續不斷的長條鐵屑。為防止鐵屑纏繞工件、纏繞損壞刀具以及亂甩傷人，需配輔助人員持長鐵鉤進行拉絲，為安全生產埋下了隱患；刀桿壓刀片長時間在槽刀排屑槽產生的連續鐵屑作用下，厚度變薄強度下降，導致刀桿壽命大幅度降低；槽刀產生的鐵屑遮蓋于槽刀上方，造成冷卻液無法充分進入到切削點，切削溫度高導致刀具磨損加快，同時使加工精度降低，已加工表面產生殘余應力。

圖1　拉桿外圓加工環形槽

2. 整體設備改裝設計要點

對環形槽加工問題現狀進行分析，設計新的加工方式替換原來的單刀切削。通過資料比對，選擇旋風銑銑削環形槽有下列優點：

高速切削加工時，形成安全性好的C形短切屑，帶走大量的切削熱量，保證刀具壽命，減少傳給工件的熱量有助于降低零件熱變形。隨著切削速度提高，切削加工時間和切削力減少，有利于對剛性差零件的切槽加工，同時降低加工成本。從數控加工工藝上看，外旋風銑削數控編程簡單，并且切削的精度也相對較高。解決了多刀切削和高速切削的問題后，結合徑向重載切削和一次裝夾復合切削是需要攻克的難點。

由于精車外圓需要，原有車床刀架必須保留。國內沒有標準的徑向重載切削專用旋風切削復合設備設備，但國外進口成套設

備價格昂貴，后期使用、維護費用高。基于以上分析，最終方案采用現有普通數控車床改裝成新型旋風切削復合機床。

3. 新型旋風切削復合機床結構特點

設計新型旋風銑專用銑削頭以及刀盤刀具，并與原有設備CKW61125配套改裝使用來解決當前環形槽加工問題。

（1）確定機床整體的加工原理。圖2所示為新型旋風切削復合機床。工作過程為刀盤轉動帶動合金涂層成型刀片，采用高速切削；車床主軸帶動工件慢速旋轉作為進給運動；旋風銑削頭安裝在車床拖板上，并在車床中拖板帶動下進行徑向運動作為徑向進給運動。

（2）專用銑削頭結構如圖3所示。根據加工拉桿環形槽的實際情況，進刀方向基本為機床的X軸，主要依靠徑向切削，所以專用銑削頭的主軸所承受的徑向切削力遠遠大于軸向力，因此，對主軸徑向剛性載荷要求相對較高，合理設計拉桿環形槽專用旋風銑主軸支承相關零件的結構形式，對實現精密銑削加工起著關鍵的作用。

優化設計的專用銑削頭主軸結構如圖4所示。優化后主軸前端采用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承3182114C，后端采用圓錐滾子軸承30309一對組合支承。其中圓錐滾子軸承組合主要用于承受以徑向載荷為主的徑向與軸向聯合載荷，使主軸軸向定位，并調整軸向間隙，那么限制軸在殼體的軸向位移，大大地提高了主軸結構整體徑向載荷。與角接觸球軸承相比，承載能力更大，進一步保證了主軸結構的剛性。所以經過優化設計的主軸結構配置更加緊湊，在加工拉桿環形槽時具有更好的剛性和精度，可滿足于切削環形槽銑削加工的要求。

而主軸動力由電動機輸出，傳統動力傳遞都采用摩擦型帶傳動的V形帶，由于切削時受交變載荷作用，皮帶會伸長及縮短而使刀盤產生周向振動，導致加工過程中工件和刀具的損壞并降低工件表面精度。新設計的同步帶應用形式是靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動的，傳動更為平穩，加工后環形槽的表面粗糙度值較低。

圖2　新型旋風切削復合機床模型

圖3　新型旋風銑專用銑削頭模型

圖4　專用銑削頭主軸結構

（3）刀盤及刀具。本文設計的旋風銑削刀具是根據拉桿環形槽專門針對性仿形設計的，利用NX系統進行刀具的精確三維實體造型，并對旋風銑削刀具進行性能分析。考慮到每把銑削刀片都是斷續切削，接觸工件瞬間有沖擊力，如果整把刀片仿形成整個槽體形狀，造成接觸面過大，過大的載荷以分布力的形式加在相應的切削刃上，產生大量切削熱致使刀具磨損加快及刀盤振動。如何減少切削載荷，是設計刀具工作中關鍵的環節。首先從減少接觸面入手，將整把刀片從縱向一分為二，刀片1和刀片2在刀盤兩側圓周上分別交錯排布，使每把刀片所承受的載荷減少，有效地提高了整組刀具的使用壽命，并大大提高了進給速度，使高速

切削更加可靠合理。根據以上設計要求，選擇《旋風銑削刀具的設計與有限元結構分析》文獻推薦的參數選取刀片的前角為0°、頂刃后角為8°、側刃后角為4°和刀片厚度為4mm，刀具材料為金屬碳化物硬質合金WC，彈性模量為7.06e11Pa，抗彎強度為1.7GPa。表面附有硬質涂層材料。

設計刀盤結構排布更多數量的刀片以降低切削載荷，同時刀片下部的支承部分又要保證足夠的強度，那么兩者兼顧分析，最終設計為均勻排布18把刀片，刀盤外徑200mm，依托導向加平鍵與主軸相聯接，設計轉速0～2 000r/min，依靠交流電動機（見圖3）變頻調速來實現無級變速，轉速數值顯示于控制面板，采用觸摸熒光屏人機對話，操控精確且簡便。

4. 生產應用前景

本次根據拉桿環形槽所設計出的新型旋風切削復合機床，在CKW61125中拖板上（見圖2）加裝旋風銑專用銑削頭，在車床原有結構不改動的前提下，做到退可銑、進可車的復合加工，銑削和車削共用同一塊拖板及同一個系統，將銑刀位作為T1，原刀架上的車刀位作為T2/T3/T4，操作簡便，在工件一次裝夾的情況下，外圓（包括其他車削尺寸）和環形槽可同時保持精度。主軸結構承載更多徑向載荷，切削系統足夠的剛性使工件精度可靠。同步帶輪組傳動有效化解了斷續切削中常有的周向振動問題。合理的刀具結構，不僅避免了加工振刀，而且減少了切削熱量，增加了刀具的使用壽命，提高了進給速度，降低了表面粗糙度值。

本文設計的機床和刀具能在實際生產中滿足拉桿環形槽的加工要求，相對于傳統的普通數控車床單刀切削，具有高效率、經濟、環保、降低勞動強度和安全生產等優勢。從目前二板機上升的市場份額來看，合理的環形槽加工方式應用會更加廣泛。

參考文獻：

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[3] 譚加才，譚立新，傅彩明. 旋風銑削刀具的設計與有限元結構分析[J]. 刀具技術，2007 （3）：37-38.

收稿日期：（20141125）