膠囊生產線齒輪軸支架的數控加工

申賓德，陳佰旺

(武威職業學院，甘肅 武威 733000)

0 引言

支架在機械設備中有著廣泛的應用，文中的支架是一種膠囊生產線套合自動機主機頭齒輪軸支架。整個齒輪軸支架以及其他支架和附件，都安裝在膠囊套合自動機主機頭托板上。主機頭托板在垂直方向做上下往復運動，齒輪軸支架上安裝著控制膠囊長度的頂桿，齒輪軸支架和頂桿在水平方向做左右快速往復運動。整個機構負責膠囊的切割及套合。支架的精度及質量直接決定著膠囊的套合質量和設備的運行性能。

1 原始支架的材料更換

在此之前齒輪軸支架用鑄鋼通過鑄造形成毛坯，在數控加工中心上，用高精度平口鉗多次裝夾，完成整個支架的精加工。

1.1 鑄件材料分析

鑄件的力學性能較差，切削性能低，易變形，生產周期長，整個材料的利用率低，增加了生產成本，并且多次裝夾很難保證工件的形位公差及支架的整體精度。客戶反饋膠囊套合自動機在運行的過程中噪聲大，對上下傳動的齒條磨損嚴重，提供動力源的伺服電機容易過載。通過對設備的多次拆裝分析后發現，是由于支架質量過大所致。為了解決這一問題，決定更換支架的材料以及加工方法。

1.2 材料的更換

經過多次試驗分析，最終采用7075鋁合金作為替換材料。7075鋁合金在切削性能上比鑄鋼好，易于加工，并且相同時間內7075鋁合金對刀具的磨損遠遠小于鑄鋼，細小晶粒結構使它具有更好的鉆孔性能，7075鋁合金還具有良好的力學性能及陽極反應，同時7075鋁合金的抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性都高于鑄鋼，并且在150℃以下有高強度等特點，完全滿足設備的運行要求[1]。

2 改進后的加工工藝與方法

異形支架傳統的加工方法是用鑄造的半成品進行精加工，在沒有專用夾具的情況下要多次裝夾，不但給數控加工者帶來了一定的難度，而且加工效率低。本文以伺服膠囊自動機齒輪軸支架為例(圖1)，結合批量生產需要，介紹一種“裁剪法”的數控加工工藝與編程。

圖1 齒輪軸支架

2.1 改進后的加工工藝與方法

根據齒輪軸支架的特點，選用650mm×200mm×45mm的7075鋁合金板做毛坯。將鋁板毛坯按照圖樣要求銑到35mm。對銑面采用大板材銑削法，大板材類零件的表面加工采用新型特制夾具組合精密定位裝夾方法(圖2)進行加工，必須要用面銑刀分層，反復翻面進行，最后要留精加工余量，對上下表面分別實現精銑加工。精加工余量可根據零件的變形量和形位公差要求確定。需要注意的是，對鋁板毛坯進行面銑精加工時，由于銑削量不大，工件受到的銑削力很小，因此楔斜擠塊的夾緊力不宜太大，以免工件受擠壓力而變形，影響加工精度。

圖2 新型特制組合夾具

2.2 支架的工藝安排

7075鋁合金硬度相對較低，容易粘刀和產生積屑瘤。根據上述特點，加工刀具應選用耐熱性高的刀具，一般選用YN10合金三刃銑鋁專用刀。在相同條件下，一般鋁合金的切削速度比普通碳素鋼切削速度高40%～50%。主軸轉速應在3 200r/min～5 000r/min之間，避免刀具溫度過高；進給速度F≤4 500mm/min，避免應力釋放不均而發生形變。切削液要求有良好的潤滑性和冷卻性，可用極壓添加劑切削液或乳化液切削液。

“裁剪法”加工是在一次裝夾中完成工件的所有輪廓加工。圖3是全自動伺服膠囊機齒輪軸支架的正、反兩面實體圖。將已加工完厚度的毛坯鋁板壓在軟工作臺上，圖4所示為毛坯壓制方法和工件排版。一次加工一對，更有利于膠囊套合自動機的膠囊套合精度。壓板位置要合理選擇，可以在鋁板上用記號筆畫出零件外輪廓草圖，確保壓板與刀具無干涉。用銅棒輕輕敲擊毛坯，讓毛坯與軟工作臺完全貼合并找正，把壓板壓緊。然后進行編程加工，這樣相對于傳統的加工方法不但節省了加工成本，而且提高了工件的形位精度，同時也提高了加工效率。

圖3 支架實體圖

圖4 毛坯壓制方法和工件排版

2.3 編程與加工

本文選用MasterCAM2018進行編程，機床為FANUC-MD系統數控加工中心。x軸、y軸的編程原點確定在毛坯中心，z軸的零點以工作臺表面為基準，其刀具參數選擇如表1所示[2]。

表1 刀具參數表

按照加工工藝學先面后孔的原則，先加工支架裝配面。為了提高加工效率，選用MasterCAM動態銑削粗加工[3]，此過程中應注意刀具的冷卻，最好采用壓縮空氣冷卻，因為液體冷卻會使切屑在工件腔體內堆積，造成工件表面粗糙、發生粘刀等問題。在動態銑削編程時，壁邊精加工余量和底部精加工余量應>0.8mm，為了防止動態銑削時刀具發生過切，采用圖5所示支架動態銑削部分加工參數(圖5(a))和刀具路徑(圖5(b))。動態銑削深度為17.5mm。

圖5 支架動態銑削部分加工參數和刀具路徑

孔加工首先用φ14mm的麻花鉆鉆底孔，再用φ10mm的三刃銑鋁合金刀粗加工，進給速度F=1 500 mm/min，主軸轉速n=2 800r/min，預留精加工余量0.1mm；精銑孔時用五刃立銑刀，進給速度F=1 000mm/min，主軸轉速n=3 500r/min。粗精銑孔進給速度按照孔徑的大小來決定，孔徑越小進給速度應越低，銑削方式為螺旋銑削，深度為35.0mm。

螺紋底孔按照常規方法鉆削，加工完工件配合面及孔之后，再銑削工件外形。外形銑削用“裁剪法”加工，在整塊板材上直接銑削零件外形，此加工階段是整個支架加工過程中的重要環節。為了確保工件外形尺寸公差，分別采用粗、精加工[4]。粗加工時，壁邊可按照常規加工，留0.1mm～0.3mm預留量，但是底部預留量應在0.5mm～1.0mm之間，保證工件能夠和毛坯牢固地相連，否則會在精加工時工件發生輕微移動或上翹，導致工件外形尺寸無法保證或過切，外形粗加工預留量參數如圖6所示；在精加工時，吃刀量不易太大,并且底部也要留有0.1mm～0.2mm的預留量，避免在最后一刀走完時，工件直接脫離毛坯而發生撞刀，外形精加工預留量參數如圖7所示。

圖6 裁剪銑削粗加工預留量

圖7 裁剪銑削精加工預留量

所有程序編制完成后進行仿真。圖8為仿真效果圖[5]。仿真無誤后方可進行加工，待加工完成時，拆下工件和剩余毛坯，在毛坯背面輕輕敲下工件去掉毛刺，形成成品工件，如圖9所示。

圖8 仿真效果圖

圖9 成品工件

3 測量與檢驗

用三坐標對工件進行測量，所有尺寸都合格。把改進后的支架裝配在設備上調試，明顯地減小了設備運行時的噪聲，伺服電機負載明顯降低。通過膠囊生產廠家實際情況反饋，整體設備性能明顯提高，膠囊套合合格率達到90%。

4 結語

文中論述了全自動伺服膠囊機齒輪軸支架的數控加工及工藝改進，并針對此類支架特點，提出合理的加工方案，并已經在實際生產中批量使用，尤其是采用了板料“裁剪法”的加工方法，只需要一次裝夾，避免了異形支架加工時多次裝夾和重復找正帶來的誤差，縮短了加工周期，提高了加工效率，降低了企業生產成本。文中思路和方法對同類異形支架零件的數控加工具有通用性和可借鑒性。