硬質合金刀片數控開齒機設計

鄭振華

硬質合金刀片數控開齒機設計

鄭振華

（深圳市衛國教育有限公司，廣東深圳518000）

針對硬質合金刀片齒形加工中齒形角很難保證的問題，開發研制了一款硬質合金刀片專用的數控開齒機，機床采用PLC專用控制系統實現對產品的數字化加工，不僅保證了齒形的加工精度，同時大大提高了生產率，提供生產使用效果較好。

硬質合金刀片；數控；開齒機

硬質合金是以高硬度難熔金屬的碳化物（WC、TiC）微米級粉末為主要成分，以鈷（Co）或鎳（Ni）、鉬（Mo）為粘結劑，在真空爐或氫氣還原爐中燒結而成的合金制品（俗稱鎢鋼材料）。用硬質合金為材料制成的銑刀稱為硬質合金圓片銑刀（如圖1），其具有硬度高、耐磨性好的特點，可以用來加工工業生產中難以用普通刀具加工的材料，如淬火鋼、復合材料等。近些年被廣泛應用于電子制造、紡織、軍事工業等加工制造環節。由于硬質合金制作材料的特殊性，硬質合金圓片銑刀用通用銑削、滾齒等加工工藝難以制作，而必須用磨削加工工藝且大都是采用傳統通用磨削裝備結合夾治具人工手動操作來完成。這樣生產過程中不僅制品加工精度完全依賴于操作員工積累的加工經驗和熟練程度，而且針對不同種類的產品要設計一套專用的夾治具造成生產成本高且生產效率低下。

（續下圖）

（續上圖）

圖1 硬質合金園銑刀圖例

為了解決這些問題，專門研究了數控開齒機。數控開齒機是硬質合金圓片銑刀成品刀具自動化生產專用關鍵數控裝備。它主要針對硬質合金圓片銑刀加工中產品種類的變化而帶來的齒形齒數、外徑尺寸、齒部前角、齒部齒寬等參數的頻繁變化、實現對產品加工自動化、智能化而設計的[1]。

1 設計要求

數控開齒機采用砂輪磨削工藝對硬質合金圓銑刀齒部進行磨削加工，設計要求實現①根據產品齒數自動分度加工；②根據產品外徑變化自動調整砂輪高度；③根據產品齒數和外徑及前角大小自動實現砂輪對工件軸線的前后距離的調整；④根據齒部深度自動實現多次進刀磨削的進刀量；⑤砂輪磨削工進速度的數字化控制；⑥加工過程自動化，操作人員僅完成上下料和首件的參數調整，實現一人多機操作。

2 設計思路

開齒加工由于精度要求高，產品齒形、前角、外徑變化大，給采用通用機床人工加工的方式帶來技術難題：產品一致性差、齒型容易碰缺、夾治具設計周期長加工成本高、人工操作一人一機、安全性不能保障，生產效率低，一直是整個加工工藝中亟待解決的重點和難點。

針對硬質合金加工工藝難的特點，采用專用PLC精密控制、伺服驅動、及符合國家安規標準的安全防護的電氣電路系統，設計開發了一套穩定、高速的硬質合金刀片專用數控開齒磨床，并投入產業化生產，從而解決目前我國硬質合金刀片質量不穩定、磨制效率低下以及產量低下的問題。

3 新設備結構簡圖及優點

開齒加工由于精度要求高，產品齒形及角度變化大，給采用通用機床人工加工的方式帶來技術難題。產品一致性差，齒型容易碰缺，人工操作安全性低，生產效率低的問題，一直是整個加工工藝中亟待解決的重點和難點。

針對硬質合金加工工藝難的特點，采用專用PLC精密控制、伺服驅動、及符合國家安規標準的安全防護的電氣電路系統，設計開發了一套穩定、高速的硬質合金刀片專用數控開齒磨床系統，并投入產業化生產，從而解決目前我國硬質合金刀片質量不穩定、磨制效率低下和產量低下的問題[2]。設計的開齒機如圖2所示。

（續下圖）

（續上圖）

圖2 開齒機加工原理及實物圖

數控開齒機由床身、床鞍、工作臺、立柱、磨頭部件、尾座部件、數控分度部件等幾部分組成；床鞍與工作臺在床身上裝配實現水平X、Y向的直線運動；磨頭部件沿立柱實現Z向直線運動；工作臺上安裝有數控分度部件。通過控制系統對運動軸的伺服電機數字化驅動實現各運動件的自動運行。電氣箱安裝于床身上，為工作安全及環境需要工作臺上設計有封閉鈑金。

數控分度部件是實現整體硬質合金園銑刀齒部齒形加工最為關鍵的核心精密部件，由數控分度頭、尾座頂尖以及底板三部分組成并固定在工作臺上；成型砂輪安裝于可以上下運動的磨頭上。

（1）數控開齒機采用封閉式鈑金結構，操作空間大，便于員工安全操作；

（2）齒數分度部件進行了機械結構優化設計，采用成對向心推力球軸承安裝結構，增加分度的可靠性；

（3）采用精確分度算法和操作界面，員工操作方便、安全可靠。

4 加工原理及系統操作界面設計

工件毛坯安裝于磨削芯軸上，一端以錐度定心方試安裝于數控分度頭的定心錐孔內，另一端用頂尖定位夾緊。工作臺由伺服電機驅動實現左右往返運動；驅動工作臺左右運動實現高速運轉的樹脂金剛石砂輪對整體硬質合金圓銑刀齒部的磨削加工（見圖3、圖4、圖5）。產品齒形角度γ由樹脂金剛石成型砂輪的角度保證；工件的刃口前角a通過改變成型砂輪端面與工件中心線的距離L來實現。

圖3 工件齒形角Y及前角a

圖4 前角形成示意圖

圖5 結構示意圖

分度頭由伺服電機、減速器、分度箱體、軸承座、錐度套筒、彈性聯軸器等組成，通過伺服驅動實現對錐度套筒的回轉分度運動。分度的精度是保證產品齒部精度的前提條件。分度頭的優化設計與分度算法最為關鍵（見圖6）。

圖6 數控開齒機的操作界面圖

5 設備開發意義

數控開齒機采用精密分度算法，增加了分度的準確性，錐度芯軸定位安裝方式，一次加工可裝夾多片，使刀片受力均勻，不但解決了整體硬質合金圓銑刀質量不穩定的問題，而且極大地提高了生產效率[3]。如圖7所示。

圖7 數控開齒機加工硬質合金園銑刀的效果圖

6 結論

數控開齒機的研發并生產使用，不僅解決了硬質合金園銑刀齒部加工難的難題，而且開齒加工后的工件齒形及齒部的精度高，且使加工生產率大大地得到提高，實現一人多機操作，降低人工成本，具有較大的經濟價值和持續發展的意義。

[1]王建宏.齒輪先進制造技術專題[J].金屬加工（熱加工），2011（17）：15-16.

[2]張鳳林，李洪，于慶哲，曹汝金.數控開齒機研制[J].制造技術與機床，1993（07）：22-23.

[3]連喜軍，曹金紅..汽車開關鑰匙在數控開齒機上的加工[J].客車技術，2005（04）：32-3.

Design of CNC Cutting Machine for Cemented Carbide Inserts

ZHENG Zhen-hua
（Shenzhen City Patriotic Education Limited，Shenzhen Guangdong 518000，China）

For processing hard alloy blade tooth profile tooth angle is very difficult to guarantee the problem，developed a special carbide blade NC gulleting machine tool with the special control system，programmable controller PLC to realize digital processing based on products，not only to ensure the machining accuracy of tooth profile，and greatly improve productivity provide production，better use effect.

cemented carbide blade；numerical control；gear shaper

TG659

A

1672-545X（2017）02-0055-03

2016-11-11

鄭振華（1970-），男，河南湯陰縣人，本科，工程師，主要從事機床設計及新產品開發。