油用三牙輪鉆頭數(shù)控銑齒設備機械切削性能的研究與改進

摘 要：油用三牙輪鋼齒鉆頭的牙輪銑齒加工工序，一直是鉆頭生產(chǎn)線上很關鍵的一道工序，至今該工序配備有兩臺設備，是80年代初期從美國進口的專用銑齒機床。自從08年以來，鉆頭市場不斷發(fā)生變化，鋼齒牙輪鉆頭需求量上升、小尺寸、個性化產(chǎn)品種類繁多，因此，銑齒工序出現(xiàn)瓶頸及銑齒設備的重要性也日漸凸顯出來。

關鍵詞：關鍵工序；瓶頸設備；國產(chǎn)化；鎖緊裝置；疲勞變形；訂單生產(chǎn)

該類型設備自引進投產(chǎn)至今，在油用牙輪生產(chǎn)線上已連續(xù)工作近三十年時間，累計運行近15萬個小時，尤其是近幾年，由于產(chǎn)能不斷上升，設備長期處于超負荷運行，致使設備性能急速下降，在實際加工中銑偏齒現(xiàn)象比較嚴重，同時機械故障較為頻繁。主要體現(xiàn)在，該機床在自然磨損加劇狀況下，其各項精度值與出廠標準值存在誤差逐漸增大，主要反映在隨機工裝、專用刀具結構、搖籃體數(shù)控轉臺A、B軸的定位鎖緊機構上。

鎖緊裝置總成出現(xiàn)疲勞發(fā)生整體變形，致使每個活塞行程、阻力大小不一致，松開、夾緊不同步，工件夾緊力不夠等一系列問題。另外，各類控制閥件的靈敏度下降、密封老化加劇，致使外漏、內泄現(xiàn)象較為嚴重，最終導致液壓系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

1 機械切削性能研究與改進的目的意義

提升老設備機械切削性能，延長設備的技術壽命主要目的，是快速緩解生產(chǎn)線的壓力，始終能把握訂單式生產(chǎn)節(jié)奏的主動權，解決鋼齒牙輪鉆頭銑齒工序瓶頸問題，設備機械切削性能提升迫在眉睫。有針對性的攻關研究，首先是要根據(jù)三四軸銑原有的結構特點、設備的實際技術狀態(tài)，確保設備原有加工精度、機械性能不喪失，同時又能穩(wěn)定提升銑削加工機械性能、延長設備技術壽命，這一關鍵技術難點進行研究和改進。著手對相關幾何精度、剛性進行調查，主要總成零部件國產(chǎn)化方案策劃擬定、設計測繪工作的技術準備。

2 刀具及夾持機構的國產(chǎn)化構思與設計

根據(jù)機床在實際加工過程中所暴露出的問題，分析證實它的機械切削性能，首先受到刀具刀柄結構上的影響，由于刀柄的夾持力不夠使刀具打轉，時常導致打刀、刀具脫落飛出，存在安全事故隱患。分析發(fā)現(xiàn)全部指型銑刀一直沿用美國休斯技術標準，刀具刀柄尾端留有一個半圓臺階面，長度占刀柄實際總長近1/3，而且刀具在使用中不斷磨損，要多次重復修磨，因此刀具總長度會逐漸變短，有效夾持部位軸向會不斷向前延伸，由于該臺階的存在，有效夾持面積遞進式的減少，從而降低了變徑套對刀柄的夾持力。

受原刀具刀柄影響，刀具夾頭體在刀具裝夾過程中的，每個操作人員力量的大小不一致，鎖緊力難以控制，實際裝夾過程中往往鎖緊力矩過大，螺紋很容易開裂損壞，導致刀具夾頭體、變徑套報廢。而該刀夾頭體屬進部件，目前國內無法加工，20多年來一直依賴國外進口，采購費用昂貴、每年耗費數(shù)十萬，且周期都在8-10個月以上，是困擾設備的主要因素之一。

2.1 國產(chǎn)化改進的關鍵技術點及具體思路

提升它的機械性能：

a、在不改變刀頭結構的基礎上，根據(jù)實際需要，對刀具刀柄結構重新改進設計，在國產(chǎn)化過程中去掉原有半圓臺階面，形成一個整體圓柱表面，確保夾持力持續(xù)有效。

b、將夾頭體一次性使用的單一設計結構，改進設計成重復循環(huán)使用結構，在原有基礎上，保留原平面盤形弧形傘齒盤。

c、主要針對刀具夾持力不夠，導致安全隱患為改善著眼點，來提高刀具切削性能。

d、統(tǒng)一鎖緊螺紋的規(guī)格，采用矩形螺紋結構，達到增強軸向鎖緊力矩目的，做好易損件材料選型，確定完全互換的技術要求。

2.2 國產(chǎn)化改進的具體技術要求

a、刀具夾頭體在國產(chǎn)化改進加工過程中，嚴格按圖紙要求，確保形狀與位置公差。

b、采用過盈配合冷裝配。

c、利用自行設計專用輔助工裝夾具，進行精磨加工達到0.005mm。

d、發(fā)黑處理入庫。

e、刀具刀柄與切削韌口的同軸度控制在0.015mm以內，每個切削韌的徑向跳動控制在0.025mm以內，表面粗糙度Ra0.8。

2.3 國產(chǎn)化改進后的實際效果驗證

通過在實際使用過程中驗證，其結果好于預期，實現(xiàn)多次重復使用，精度和使用壽命與原裝件技術指標基本接近，國產(chǎn)化后結構特點好于原裝件，易損件可以進行備件互換，徹底擺脫進口件的制約。切削性能得到有效提升，不安全因素徹底排除。

a、刀具夾頭體的使用壽命由4500小時增加至11500小時。

b、單件制造費用由原裝進口件2.8萬元減少至0.3萬元。

c、每年工裝損壞維修費用下降5多萬元。

d、維修、操作人員勞動強度、故障率基本降至為零。

3 數(shù)控轉臺的B軸鎖緊及傳動機構的改進設計

由于該設備運轉時間長達三十多年，搖籃體數(shù)控轉臺B軸的定位鎖緊機構已成疲勞極限狀態(tài)，彈性變形轉向塑性變形，各項精度值與出廠標準值存在的偏差逐漸增大，而且銑削加工牙輪齒寬不一致，主要原因是工件裝夾的所在工位上各軸（B1/B2/B3/B4軸）等高出現(xiàn)不一致，另外，原鎖緊裝置的油缸由于受力較大，端蓋固定螺釘常常發(fā)生斷裂故障，后來采用焊接方式修復后產(chǎn)生變形，致使每個受力點發(fā)生變化，活塞在缸體中運行阻力大小不一致、夾緊松開時出現(xiàn)不同步，導致傘齒輪及傳動1/2軸損壞頻繁。而因為傘齒輪裝配特點是90°點接觸傳動方式，裝配間隙調整困難，需要反復數(shù)次磨調整墊，調整好后需要重新配鉆定位銷孔，一根軸只能重復使用2-3次。

3.1 數(shù)控轉臺的技術改進思路及關鍵技術點

3.1.1 改進思路

a、針對鎖緊機構結構、工作原理，重新構思設計方案。

b、解體B1/B2/B3/B4軸，對零部件全部進行損耗檢測、相關原因分析。

c、針對零部件磨損狀況進行技術測量鑒定。

d、著手新的結構自行設計、零部件圖紙繪制，裝配技術要求制定。通過自行設計輔助工具、檢具對機床幾何精度進行檢測調整，同時將各軸高度使其保持一致。

e、確定傘齒輪、傳動軸國產(chǎn)化改進方案。

f、審定確立方案，相關轉換件圖紙設計繪制、主要部件總成選型與計劃購置工作。

3.1.2技術要點

a、根據(jù)所需2500psi油壓值，將英制4英寸（約102mm）直徑液壓油缸改換成國產(chǎn)直徑125mm油缸。

b、設計新加工的液壓拉桿，將螺紋方形退刀槽改成過渡圓弧，減少受力后的應力集中。

c、要求將原油缸分油器內的O型橡膠圈密封，改為間隙液體密封，降低壓力內泄損耗。

d、將傘齒輪的模數(shù)由美制轉成公制，進行配對加工。

e、按26×30mm標準漲緊環(huán)尺寸，重新設計傳動軸1/軸2，全部采用公制標準。

f、外協(xié)資源國產(chǎn)化加工關鍵細節(jié)把控。

3.2 數(shù)控轉臺的技術改進具體技術要求

3.2.1 B軸鎖緊機構

a、國產(chǎn)化改進加工過程中，嚴格按圖紙要求，保正形狀與置公差及加工精度。

b、裝配過程中零部件的互換性較好。

c、利用自行設計專用輔助工裝夾具，進行裝配精度檢測。

d、液壓壓力要求降到800psi以內。

e、環(huán)形鎖緊力較原來提高3-5倍以上。

f、夾緊松開同步時間由原來8-10秒降至現(xiàn)在的2-4秒。

3.2.2 工件夾緊油缸

a、將英制4英寸（約102mm）直徑液壓油缸改換成國產(chǎn)直徑125mm油缸。

b、設計新加工的液壓拉桿，將螺紋方形退刀槽改成過渡圓弧，減少受力后的應力集中。

c、要求將原油缸分油器內的O型橡膠圈密封，改為間隙液體密封，降低壓力內泄損耗。

3.2.3 傳動螺旋傘齒輪

a、將傘齒輪的模數(shù)由美制轉成公制，進行配對加工。

b、按26×30mm標準錐形漲緊套，重新設計傳動軸1/軸2，全部采用公制標準。

c、通過外協(xié)資源國產(chǎn)化加工完成。

3.3 國產(chǎn)化改進的實際效果驗證

通過上百次調試驗證和一年多時間實際加工運行性能考驗，設計目標、技術要求全部得以實現(xiàn)，部分設計應用效果好于預期，國產(chǎn)化改進工作取得圓滿成功。實際上通過淘汰上世紀80年代初期的密封技術，改進后的零部件使用效果較原隨機備件提升數(shù)倍，主要是提高工件的夾緊力，解決內泄問題。

另外，降低系統(tǒng)油溫，提高液壓系統(tǒng)工作地穩(wěn)定性。B軸傘齒輪及傳動部件進行國產(chǎn)化后，穩(wěn)定運行近15000（兩年半）小時無故障，各項技術指標全部達到設計預期，完全可以終生替代使用，再次徹底擺脫對進口件的依賴與束縛。

國產(chǎn)化工作完成后，有形與無形價值雙雙體現(xiàn)，機械切削性能穩(wěn)定提升，徹底解決A軸翻轉平衡力不均、銑齒加工尺寸不穩(wěn)的質量、安全隱患的問題。整個設備技術壽命得到有效延長。降低維修勞動強度、修理成本數(shù)十倍，故障率基本為零。

4 Y軸滾柱絲杠及組合軸承國產(chǎn)化改進

該機床的Y/Z軸絲杠兩端支撐軸承采用的是滾針式雙向推力圓柱滾子組合軸承，由于受重載切削，導軌副之間摩擦阻力很大，因目前潤滑方式為脂潤滑，在摩擦阻力過大的情況下潤滑脂潤滑性能下降，絲杠轉動形成軸向負載較大導致組合軸承磨損現(xiàn)象嚴重，致使機床精度喪失、機械加工性能降低。

軸承屬特殊易損件，有效壽命在18000～20000小時內，如果超出它極限使用范圍，壽命就會縮短，造成銑削加工尺寸不穩(wěn)定，同時會導致伺服驅動、伺服電機負載過大損壞。由于絲杠工作超過疲勞極限，開始出現(xiàn)磨損反向間隙增大、表面冷作硬化脫落使?jié)L珠槽研傷報廢。然而專機英制規(guī)格的滾珠絲杠需要定制，費用高、周期很長，由于上述不利因素存在，所以絲杠、軸承需要充分利用國內成熟技術進行國產(chǎn)化改進，杜絕因備件制約導致對維修的困擾。

4.1 Y軸滾柱絲杠及組合軸承國產(chǎn)化相關工作思路

針對上述現(xiàn)象以及傳動原理、結構特點，對組合軸承、滾珠絲杠進行國產(chǎn)化探討，根據(jù)自行測繪條件，國產(chǎn)化前進行公英制的轉換測繪計算。組合軸承作為絲杠的支承部件，設計時要充分考慮的滿足承載能力、機械性能及精度要求，同時須能承受雙向軸向載荷和徑向載荷，要具備較高的傳動精度和剛性，在保證關鍵參數(shù)的前提下，對其他影響裝配精度的參數(shù)進行必要改動。注重公英制轉換、技術測量與測繪細節(jié)、形位公差把握，機械性能指標確定。

4.2 Y軸滾柱絲杠及組合軸承國產(chǎn)化具體技術要求

a、軸承內圈端面對滾道的跳動：≤2μm；

b、軸向載荷25KN作用下，軸承的啟動摩擦力矩：≤65 N·mm；

c、軸承極限轉速300r/min，對應滾珠絲杠副快速移動線速度≥8～15m/min。

d、組合軸承具備軸向和徑向雙向承載性能，接近或達到進口同類型產(chǎn)品技術要求。

e、組合軸承軸向與徑向跳動公差應控制在0.002mm以內，承載運行時重復定位精度準確可靠。

f、絲杠軸端與軸承裝配間隙采用過度配合。

4.3 Y軸滾柱絲杠及組合軸承國產(chǎn)化實際效果驗證

根據(jù)改進思路及技術要求，在絲杠、軸承國產(chǎn)化實際改進過程中，在不影響裝配調整的情況下，注重對軸承的法蘭上注油孔進行改進設計，便于維護時潤滑油脂及時注入。通過改進設計后的組合軸承、滾珠絲杠，在實際安裝使用后至今約7000小時，軸承的平均使用壽命、潤滑性能較原來提高2倍，機床的機械切削性能得到前所未有提升，加工精度穩(wěn)定、效率得到有效提高。各項技術指標、整體性能達到原國外進口同類產(chǎn)品的技術水平，而且采購周期縮短3倍，費用降低60%，同時維修工作強度降低了一倍，同樣不再受進口件制約。此次銑齒設備機械切削性能攻關研究取得較好效果，基本解決了加工范圍窄，工序瓶頸問題。

5 結論

上述文章主要是圍繞鋼齒牙輪銑齒加工工序瓶頸，針對老設備機械切削性能下降、故障率高、受進口備件制約為攻關著眼點，借助國產(chǎn)化改進措施，利用自己的技術優(yōu)勢，對上述關鍵技術難點進行逐項著手攻關研究。針對設備結構特點擬定改進方案，關鍵進口零部件、在解體維修過程中進行測繪，按照技術路線進行可行性實施。

參考文獻：

[1] 組合機床與自動化加工技術.2009年第9期.

[2] 閻志碩.提高設備利用率的對策.設備管理與維修，2002年第六期.

[3] 實用軸承手冊.遼寧科技出版社.2001年10月.

[4] 譚尹耕主編.液壓試驗設備與測試技術.北京理工大學出版社.

作者簡介：

沈仕奇（1983-），男，漢族，湖北孝感人，2014級長江大學機械工程學院機械工程類在職研究生，研究方向：機械制造與自動化。