薄壁長軸套類零件雙面加工專用機床設計

張占義

（新鄉航空工業（集團）新平機械有限公司，河南 新鄉453000）

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工藝與工裝

薄壁長軸套類零件雙面加工專用機床設計

張占義

（新鄉航空工業（集團）新平機械有限公司，河南 新鄉453000）

摘要：針對薄壁長軸套類零件一般加工完一端后再調頭加工另一端，生產效率低、且多次裝夾不能有效保證兩加工端同軸度和位置精度的特點，對原數控車床進行改進設計：保留機床原有的傳動系統，床身尾端增加一套銑削動力頭，設計專用夾具夾持工件，采用數控系統控制伺服電機驅動，實現工件的自動進給，研制專用組合刀具實現零件兩端多工位的同時加工，使其成為一臺適用于薄壁長軸套類零件兩端銑削、鏜孔、鉆孔、內外倒角等加工工藝可同時加工的專用機床，具有提高加工精度、提高生產率、降低成本，且投資小、見效快、改裝工作量少的效果。

關鍵詞：薄壁長軸套類零件；專用機床；雙面加工；組合夾具

薄壁長軸套類零件屬于回轉體零件，是機械行業的典型零件之一，在機械加工，尤其是在汽車設備中廣泛應用，這類零件形狀簡單，但加工工步較多且有較高的加工精度要求。目前，薄壁長軸套類零件的加工一般是在普通機床上完成的，通常使用三爪卡盤或彈簧夾頭夾持工件，加工一端后再調頭加工另一端，生產效率低，加工周期長，并且多次裝夾不能有效保證兩加工端的同軸度和位置精度，產品質量達不到要求［1-3］。

針對這一情況，新平機械有限公司結合薄壁長軸套類零件的特點，提供設計方案及設計要求，與柳州市數控機床研究所共同研制了適用于薄壁長軸套類零件雙面加工的專用機床，其在滿足零件加工精度的前提下，大大提高了這類零件的生產效率，實現了此類零件的大批量生產。

1　薄壁長軸套類零件的特點

圖1所示，為我公司加工產品中典型的薄壁長軸套類零件圖，屬于壁厚較薄的典型弱剛性零件，薄壁長軸套類零件通常為外徑、壁厚之比D/t=50～150，壁厚較薄的典型弱剛性零件。零件主要材料為冷拔管，對切削力、夾緊力及振動等十分敏感，切削加工比較困難，具體表現在以下幾個方面［4］：

圖1　薄壁長軸套類零件圖

（1）容易在徑向切削力的作用下產生振動，從而影響零件的精度和表面質量。

（2）零件壁薄，易在夾緊力的作用下產生變形，影響零件的表面粗糙度等加工精度。

（3）零件較長且剛性較差，加工過程中易在切削力作用下產生彎曲變形，從而影響零件的直線度等加工精度。

2　方案設計及分析

薄壁長軸套類零件雙面加工專用機床的設計應結合薄壁長軸套類零件的特點，在滿足零件加工精度的同時，實現零件的高效率加工，因此，設計方案應從保證加工精度和提高加工效率兩點入手。

2.1保證加工精度

零件加工過程中的切削力及零件本身的剛性不足是引起零件振動的主要因素，利用“雙面復合加工”的工藝方法可對切削力引起的振動進行有效的控制。

圖2為“雙面復合加工”工藝的受力圖（倒角切削量較小，故切削力忽略不計）。通過受力分析可知：對零件同時進行外圓切削與鏜孔切削時，兩工序的徑向力Fr、軸向力Fa及主切削力Fc方向相反（兩工序切削量相同時，力的大小相等），可實現相互抵消，從而抑制振動源，達到減小振動之目的［5］。

圖2　“雙面復合加工”工藝受力圖

薄壁長軸套零件軸向尺寸大、懸臂長，剛性弱。普通車床加工只是一端加緊，另一端懸空的裝夾形式，簡化為力學結構為懸臂梁結構。為提高工件剛度，機床研制中設計了一套液壓專用夾具，即在工件兩端靠近加工的位置，設置兩個V型定位支撐塊，使工件裝夾形式變為雙支承，將裝夾形式轉化為了簡支梁形式，有效提高了零件的剛性；零件采用雙轉角缸進行夾緊，使零件局部夾緊力減小為原來的1/2，也同時避免了零件局部夾緊力過大而產生的零件變形；且一次裝夾就可完成兩端的同時加工，避免了由于多次裝夾而產生的形位誤差，精度要求容易保證，液壓專用夾具結構簡圖如圖3所示。

圖3　液壓專用夾具結構簡圖

2.2提高加工效率

本設計中研制了兩把專用組合刀具，利用專用夾具對零件進行裝夾，實現零件兩端的多工位同時復合加工。這種加工工藝將原來需要在若干個工步中去除的加工余量集中在一個復合工步中去除，使多個工步的加工時間全部或部分重合，且只對零件進行一次裝夾就可對零件兩端同時裝夾，從而大大減少了零件裝夾等加工輔助時間，提高了工作效率。

3　機床的設計

3.1機床的設計方案

如圖4所示，薄壁長軸套類零件雙面加工專用機床結構主要由以下部分組成：機床主體1及設置于機床主體1上的主軸箱2、組合夾具3、組合刀具4、銑削動力頭5、滑臺6、中托板7、大托板8.在原有數控機床的基礎上，去掉三爪卡盤，利用主軸前端莫氏錐孔連接組合刀具4，實現刀具的旋轉，加工一端面；去掉后尾座，在床尾增加一套銑削動力頭5，裝有組合刀具4加工零件另一端面；去掉刀架，對機床中托板7進行改造，在其上安裝專用組合夾具3夾持工件。

圖4　機床結構圖

銑削動力頭5安裝在滑臺6上，滑臺6可沿機床導軌面移動，通過調整其與機床主軸距離來加工不同長度規格的零件。中拖板7上設有T型槽，方便組合夾具4的拆裝。根據機床行程，可一次裝夾4件工件，工件由90°V型塊定位，可通過調整裝置調整V型塊高度，以解決不同直徑工件中心高度不同的問題。組合夾具3采用用轉角缸進行夾緊，加緊動作快速可靠［6］。

3.2機床的工作原理

工件裝好后，啟動液壓控制系統控制按鈕，轉角缸工作，壓臂旋轉90°到工件上方，再垂直向下運動將工件壓緊；發信號給數控系統，利用可編程序控制器控制兩臺伺服電機使大、中拖板X、Z向運動，精確控制工件進給量，保證其進給距離，實現工件的雙工位進給運動，即工作臺快速向里進給，當工件即將接觸組合刀具4時，組合刀具4轉動，工作臺由快進轉為工進，開始銑削工件兩端端面；當四件工件的端面全部被銑削完后，工作臺快速退回；工作臺停止快速退回動作，并向左工進，一次性加工完零件左端面的銑削、倒角及鏜孔工序；工作臺快速向右退回，由快進轉為工進，一次性加工完零件右端面的銑削、倒角及鏜孔工序；工作臺快速向左退回，退回到中間位置，快速向外退回。重復以上動作，加工第二件工件左右端面，直至加工完所有零件，工作臺退出，刀具停止轉動，啟動液壓控制系統控制按鈕，釋放工件，通過換向伐控制，壓臂自動按壓緊的路線返回到原來的位置讓開工件，操作者就可以順利方便的卸下工件［7-8］。以上是機床加工時的具體步驟，動作循環如圖5所示。

圖5　動作循環圖

4　結束語

通過對原有數控機床的改進設計，提供了一種可對薄壁長軸套類零件兩端面銑削、鏜孔、內外倒角等加工工藝同時進行的專用機床，進一步完善和提高了薄壁長軸套類零件加工的自動化程度、工件兩加工端的同軸度和位置精度，提高了工作效率，而且改裝少，將來不加工此類零件時可較容易恢復機床原有的工作性能，現已投入到生產實踐中，基本滿足了薄壁長軸套類零件大品量生產的要求，希望得到進一步的推廣和應用。

參考文獻：

［1］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化工工業出版社，2008.

［2］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］北京:機械工業出版社，2004.

［3］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［4］陳明.機械制造工藝學［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［5］關強，于思遠，薄壁長筒件加工新工藝［J］.機械工藝師，2000，（1）：12-13.

［6］路甬祥.液壓氣動技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［7］肖繼德，陳寧平.機床夾具設計［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［8］吳 拓.現代機床夾具設計［M］.北京：化工工業出版社，2009.

Design of Special Machine for Shaft Sleeve Parts Double Processing

ZHANG Zhan-yi
（Xinxiang Aviation Industry（Group）Xin Ping Machinery Co，.Ltd.Xinxiang Henan 453000，China）

Abstract：In view of the shaft sleeve parts general processing end after processing head back on the other side，the production efficiency is low，and multiple setups can not be effectively guaranteed the two processing sides concentricity characteristics and location accuracy，improved design of the original CNC lathe:keep the original drive system，bed end increase a milling power head，design special fixture to clamp the workpiece，，the CNC system control servo motor drive，to realize the automatic feed，making it a general sleevethe process class parts at both ends of milling，boring，drilling，both inside and outside chamfer can be processed at the same time a dedicated machine.With the improvement of the machining accuracy，increase productivity，reduce cost，and small investment，quick effect，and the effect of the modification work less.

Key words：shaft sleeve parts；special machine tool；sided machining；modular fixture

中圖分類號：TH69

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0066-03

收稿日期：2015-12-06

作者簡介：張占義（1965-），男，河南平頂山郟縣人，本科，主任，設計師，研究方向：養護機械、空氣壓縮機械及航空工業精密機械等。