套絲機軸芯套零件鉆攻裝備設計

摘" 要：針對套絲機軸芯套零件的端面和圓周上均布的螺紋孔在普通鉆孔攻絲時不能同一工序進行加工的問題，根據零件工藝特點和用戶的加工需求，設計出在同一道工序進行軸芯套零件的端面和圓周上均布螺紋孔的加工問題。解決在端面和圓周2種輪廓特征上實現一次性完成中心鉆孔、麻花鉆孔和攻絲加工技術的工序集中難題。通過改造裝備的實踐，實現加工方便、高效、誤差小和低改造成本，提高螺紋孔加工的生產效率。

關鍵詞：套絲機軸芯套；鉆攻技術；工序集中；螺紋孔；端面

中圖分類號：TG62" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0115-04

Abstract： Aiming at the problem that the thread holes uniformly distributed on the end face and circumference of the shaft core sleeves of the threading machine cannot be processed in the same process when drilling and tapping， according to the process characteristics of the parts and the processing requirements of users， the problem of machining uniformly distributed thread holes on the end face and circumference of shaft core sleeve parts in the same process is designed. This solves the problem of centralizing the process of one-time completion of central drilling， twist drilling and tapping on the two contour features of end face and circumference. Through the practice of reforming the equipment， the processing is convenient and efficient， with slight error and low transformation cost， so that the production efficiency of threaded hole processing is improved.

Keywords： shaft core sleeves of the threading machine; drilling technology; process concentration; threaded hole; end face

螺紋孔在機械零件中比較普遍，常以孔系的形式存在，主要用于聯接和傳動。一般聯接和傳動零件不只是在同一個面上有螺紋孔，而是多個面上都有螺紋孔。目前，臨界多個表面上螺紋孔的加工還是采用工序分散加工原則，每道工序只能加工一個面上的螺紋孔。加工效率普遍低下，并且加工精度不高。隨著產品精度的提高，對螺紋孔的加工要求也越來越高，傳統的加工工藝和加工技術已經不能滿足多表面螺紋孔的加工需求了。

現有的孔加工設備大致可以分為以下幾類。①使用數控加工中心和生產線機械手進行鉆孔和攻絲，通過三軸、四軸和五軸等加工中心可以實現難度較高的各種孔和螺紋的加工。這類孔加工設備投入成本大，維護費用高，但從設備的使用效率來講，性價比并不高。加工中心的出現，數字化的高速車、銑、鉆孔等的加工效率大幅度提高，而攻絲加工的方式和技術沒有突破，使得攻絲加工更加成為機械加工中的瓶頸[1]。②使用鉆床進行手工鉆孔和攻絲。這種方式人工投入成本大，操作誤差高，其攻絲質量難以達到較高的精度，這種方式零件頻繁更換對操作人員的體力要求也高[2]。③使用鉆攻中心。鉆攻中心是集銑削、鉆孔和攻絲為一體且加工效率快精度高的機床，與數控加工中心相似，但與數控加工中心相比更加傾向于加工孔和螺紋。這類機床與加工中心的功能與操作相似，其設備投入成本高、投入大[3]。

套絲機軸芯套零件是芯套與齒輪的聯接件，是套絲機中重要的零件之一。兩者是采用螺栓和螺紋孔聯接的，因此對套絲機軸芯套零件的端面和圓周面上加工均布的螺紋孔，就非常重要。傳統的加工方式是分開2道工序分別對圓周面和端面進行鉆孔和攻絲。每道工序都要完成鉆孔、倒角、攻絲工序，生產效率很難提高。為此，本文以套絲機軸芯套零件的端面和圓周上均布的螺紋孔為加工對象，在傳統數控機床上進行改進，開發出可以在同道工序中完成圓周面和端面上均布螺紋孔加工。可滿足套絲機軸芯套零件圓周面和端面螺紋孔的加工需求，減少占機率，提高加工效率。

1" 多表面螺紋孔鉆攻加工的難點

為了提升臨界多表面螺紋孔的加工精度和加工效率，降低勞動強度，節省工藝成本，研究了空間多面螺紋孔的多工位鉆攻工藝全自動加工技術，主要針對空間多表面螺紋孔的鉆攻加工工藝、多軸聯動自動控制技術、系統結構方案優化設計、鉆攻反饋系統配置、單軸轉動分度定位、空間多軸鉆攻數控編程和多軸鉆攻刀具的選用。

研究根據零件外形特點設計臨界多面螺紋孔鉆攻加工工藝。螺紋孔的加工切削工序由中心鉆頭鉆削中心孔、麻花鉆頭鉆削螺紋底孔和絲錐攻螺紋3方面組成，再結合不同表面的特點進行優化設計螺紋孔的加工工藝。項目根據企業需求，完成典型零件空間多面螺紋孔的加工方案設計及程序編制。

螺紋孔分布在零件多個表面，受鉆攻設備主軸不宜傾斜的局限性，無法對螺紋孔軸線與刀軸不同向的其他螺紋孔進行加工。項目合作企業所提供的齒輪軸零件螺紋孔的加工就需要使得端面和圓周面上的螺紋孔在同一工序中進行加工，齒輪軸由齒輪盤和空心筒過渡配合而成。

為了使這2個表面上的螺紋孔在同一道工序中進行加工，可將工件不動刀具的主軸傾斜達到或超過90°來鉆攻螺紋孔，或者刀具主軸不動工件可以傾斜達到或超過90°來加工。當前，由于受到設備主軸結構的限制，在一次裝夾中完成這樣的空間多面螺紋孔的加工成為加工中的技術難點。

2" 設計方案

全自動多工位鉆攻工藝裝備的設計主要以現有機床床身結構為基礎，零件螺紋孔分布在零件的端面和圓周面上，端面上均布6-M8螺紋孔，圓周面上均布3-M6螺紋孔，如圖1所示。受鉆攻設備加工的局限性，無法在同一道工序加工這2個面上的螺紋孔。齒輪軸由齒輪盤和空心筒過渡配合而成，圓周上的3-M6螺紋孔加工完成后，進行端面上的8-M8螺紋孔的加工。

根據工件外形多面螺紋孔分布情況特點，設計端面鉆攻和圓周鉆攻技術等多道工序一體加工的方式，優化多軸加工工藝、多軸鉆攻程序編制和裝夾方案設計。提升空間多表面螺紋孔的加工效率，提高螺紋孔鉆孔和攻絲切削過程的穩定性，提高加工效率和經濟效益。

針對工件加工特征的要求，研究端面螺紋孔和外徑圓周螺紋孔的多面螺紋孔加工工序專用液壓夾具設計，設計優化定位方式和夾緊方式。采用液壓系統使用液壓方式設計工件的松開和夾緊，使得工件拆裝方便，減少了人工操作的成本。研究通過一次裝夾實現空間多面螺紋孔加工工序，為用戶提供簡便、迅捷及穩固的技術方案。

齒輪軸零件建模，坐標系設計，鉆頭、絲攻刀具選用，切削用量優化，加工工藝設計和鉆攻程序編制。零件鉆攻加工工藝方案如圖2所示。

全自動多工位鉆攻工藝技術，主要包括機床床身設計、機械機構設計、夾具設計和自動控制設計。涵蓋了鉆攻動力系統設計、核心系統硬件設計、觸摸屏軟件界面開發和多工位氣動夾具設計。

優化設備機床床身結構方案設計，采用可編程控制器（PLC）、伺服電機系統、變頻調速系統與觸摸屏相結合的控制方案。根據工件外形特點設計端面鉆攻和圓周鉆攻系統等多道工序一體加工的方式。以加工模式來配置機床。機床床身主要包括工作臺、立柱、進給機構、動力頭組件和觸摸屏等結構，采用伺服和PLC控制器進行控制。

3" 多表面鉆攻裝置的結構解析

工作過程：上位機向機床發送操作指令，工作臺先松開夾緊裝置，啟動交流伺服電動機，按指令確定工作臺的回轉方向、速度及角度等參數，上料機構上料，啟動夾具夾緊工件，夾緊動作通過電磁閥驅動液壓缸實現。鉆孔動力頭進行鉆孔和攻絲，動力頭的Z向運動由電動機驅動絲杠結構實現，鉆頭的運動（速度和轉向）由動力頭電機驅動，精確控制刀頭的進給量。該工序結束后，自動控制電機驅動回轉工作臺旋轉到下個工位進行下一道工序的加工。

3.1" 針對工件所加工特征的要求設計多工位夾具

針對工件所加工特征的要求，設計端面孔螺紋和圓周孔螺紋的多工位一體夾具，設計優化定位方式和夾緊方式。采用氣缸氣動方式設計工件的松開和夾緊。研究通過一次集成裝夾工裝實現多道工序加工的工作，創新設計簡便、迅捷和穩固的夾緊方案。

加工工件選擇回轉工作臺，回轉工作臺繞Z軸旋轉，通過交流伺服電動機帶動蝸輪蝸桿和齒輪機構連接分度盤進行回轉和分度運動。

3.2" 設計動力頭鉆孔和攻絲一體切削技術

采用動力頭刀具，將鉆頭和絲錐裝夾于2個不同的鉆夾頭。通過主軸旋轉定位和刀架移動來定位鉆攻螺紋孔的位置和切削深度。采用伺服電動機+滾珠絲杠+滾珠絲杠螺母+動力頭的運動方案，控制鉆夾頭刀具來加工內孔和螺紋。

動力頭刀具裝夾頭裝夾中心鉆、麻花鉆和絲攻切削刀具，分上中下工位。通過電機驅動刀架達到3個工位切換，實現中心孔鉆削工序、螺紋底孔鉆削工序和螺紋孔攻絲工序。

4" 多表面鉆攻螺紋孔組合裝備的實現

多表面鉆攻螺紋孔組合裝備在套絲機齒輪軸套零件螺紋孔加工中進行，主要把圓周面上的3-M6螺紋孔，端面上均布6-M8螺紋孔，如圖3所示。零件裝夾采用液壓三爪卡盤，選用主軸定位實現轉動到相應角度定位，實現均布定位加工，保證零件表面螺紋孔的分布角度。主軸定位實現工件夾緊、轉動定位角度、鎖緊、切削加工（三工位切換）、松開、轉動定位角度、鎖緊，依次完成其余螺紋孔加工。

在零件裝夾中增加刀架，支撐零件提高切削剛性，提升鉆攻加工中的穩定性。刀架上配置6個動力頭，分開2個方向，X軸方向是加工圓周面上的螺紋孔，Z軸方向是加工端面上的螺紋孔。刀架電機實現鉆中心孔、麻花鉆孔和絲錐攻絲3個工位切換。

切削情況表明，鉆攻切削工況平穩，每個螺紋孔鉆攻加工完成后，刀具離開工件才能轉動工件，避免工件誤轉而造成損壞工件。達到了工件一次裝夾實現圓周面和端面上的螺紋孔加工，加工效果好。

設備的床身、滑鞍、工作臺和主軸箱采用高抗震性能優質灰口鑄鐵，具有良好的熱穩定性和高抗震性。高精度的主軸組件，精密性和平衡性好，具備高剛度配對結構。滾珠絲杠均進行預拉伸，從而使傳動軸的傳動剛性強，精度穩定可靠，傳動更加平穩。配備液壓系統為液壓卡盤提供夾緊力，配有自動集中潤滑裝置，潤滑充足。

4.1" 圓周表面螺紋孔加工

主軸電機轉動定位到0°，完成首個鉆攻螺紋孔動作。指令控制刀架移動到圓周螺紋孔鉆孔位置，刀架電機轉動控制刀架換刀到上工位，中心鉆孔位置，指令控制刀架沿著X軸方向進刀鉆削中心孔，完成后退刀至安全位置；刀架電機轉動控制刀架換刀至中工位，麻花鉆孔位置，指令控制刀架沿著X軸方向進行啄鉆式鉆螺紋孔底孔，完成后退刀至安全位置；刀架電機轉動控制刀架換刀至下工位，絲錐位置，指令控制刀架沿著X軸方向進刀進行攻絲，完成后退刀至安全位置。主軸電機轉動定位到120°，依次完成鉆攻螺紋孔動作。主軸電機轉動定位到240°，完成鉆攻螺紋孔之后，主軸定位到初始0°。

4.2" 端面螺紋孔加工

主軸電機轉動定位到30°，完成端面鉆攻螺紋孔動作。通過移動刀架指令控制刀架至端面鉆孔起始位置。刀架電機轉動控制刀架換刀到上工位中心鉆位置，沿Z軸鉆端面中心孔，完成后退刀至安全位置，換刀到中工位麻花鉆啄鉆螺紋孔底孔。退刀至安全位置，換刀到絲錐位置，沿Z軸攻絲，完成后退刀至安全位置。主軸依次定位到90°、150°、210°、270°、330°，完成螺紋孔鉆攻動作。

5" 結束語

本文針對圓周均布螺紋孔和端面均布螺紋孔的工序集中加工問題，結合套絲機齒輪軸零件的螺紋孔實際加工案例，設計了中心孔鉆削工序、螺紋底孔鉆削工序和螺紋孔攻絲工序3個工位切換，設計專用夾具和鉆攻多工位刀架相結合的多工位鉆攻螺紋孔技術方案。該方案有效解決了圓周均布螺紋孔和端面均布螺紋孔一體自動加工技術問題，提升了多面多工位螺紋孔的加工效率，節省了勞動力，是其他鉆攻加工的2～3倍，達到了高質量、高效率和自動化鉆攻多表面螺紋孔的研發設計目標。

參考文獻：

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