摘要：本文設(shè)計(jì)的機(jī)床和刀具能在實(shí)際生產(chǎn)中滿足拉桿環(huán)形槽的加工要求，相對(duì)于傳統(tǒng)的普通數(shù)控車床單刀切削，具有高效率、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和安全生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。從目前二板機(jī)上升的市場(chǎng)份額來(lái)看，合理的環(huán)形槽加工方式應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

注塑機(jī)拉桿的環(huán)形槽是整個(gè)抱合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，環(huán)形槽的加工是拉桿生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要的一環(huán)。設(shè)計(jì)新型旋風(fēng)切削復(fù)合機(jī)床和專用刀具并應(yīng)用到拉桿環(huán)形槽進(jìn)行加工，能有效地解決原先環(huán)形槽加工排屑差、生產(chǎn)效率低及安全生產(chǎn)得不到保證的問(wèn)題。

目前二板式注塑機(jī)由于其運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性合理、調(diào)模方便、合模剛性和精度好、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)潔及占地較少等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越成為市場(chǎng)的主流。二板機(jī)的調(diào)模動(dòng)作由抱合結(jié)構(gòu)來(lái)完成，抱合螺母取代調(diào)模螺母。其中拉桿是整個(gè)注塑機(jī)的關(guān)鍵件，將三板式注塑機(jī)調(diào)模螺紋改進(jìn)為抱合環(huán)形槽，而環(huán)形槽的加工在整個(gè)拉桿生產(chǎn)工藝中相對(duì)關(guān)鍵。

拉桿環(huán)形槽加工普遍都采用數(shù)控車床單刀切削，這樣的加工工藝存在排屑差、效率低等諸多問(wèn)題，在當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域高速發(fā)展情況下，高效率、高質(zhì)量和低勞動(dòng)力的生產(chǎn)方法已是必然方向，基于這個(gè)趨勢(shì)，本文將普通數(shù)控車床整體重新設(shè)計(jì)，改裝為新型旋風(fēng)切削復(fù)合機(jī)床并設(shè)計(jì)專用刀具，通過(guò)在拉桿環(huán)形槽加工中的應(yīng)用，將問(wèn)題有效地解決。

1.環(huán)形槽加工問(wèn)題現(xiàn)狀

拉桿需要在柱體外圓面上加工等距排列的環(huán)形槽，如圖1所示。

圖1拉桿外圓加工環(huán)形槽

單刀切削即將工件裝夾至普通數(shù)控車床，采用普通槽刀在數(shù)控車床上進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)進(jìn)給切削。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，徑向粗車時(shí)導(dǎo)致無(wú)法斷屑，一次進(jìn)給，整個(gè)過(guò)程形成連續(xù)不斷的長(zhǎng)條鐵屑。為防止鐵屑纏繞工件、纏繞損壞刀具以及亂甩傷人，需配輔助人員持長(zhǎng)鐵鉤進(jìn)行拉絲，為安全生產(chǎn)埋下了隱患;刀桿壓刀片長(zhǎng)時(shí)間在槽刀排屑槽產(chǎn)生的連續(xù)鐵屑作用下，厚度變薄強(qiáng)度下降，導(dǎo)致刀桿壽命大幅度降低;槽刀產(chǎn)生的鐵屑遮蓋于槽刀上方，造成冷卻液無(wú)法充分進(jìn)入到切削點(diǎn)，切削溫度高導(dǎo)致刀具磨損加快，同時(shí)使加工精度降低，已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

2.整體設(shè)備改裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)環(huán)形槽加工問(wèn)題現(xiàn)狀進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)新的加工方式替換原來(lái)的單刀切削。通過(guò)資料比對(duì)，選擇旋風(fēng)銑銑削環(huán)形槽有下列優(yōu)點(diǎn)：

高速切削加工時(shí)，形成安全性好的C形短切屑，帶走大量的切削熱量，保證刀具壽命，減少傳給工件的熱量有助于降低零件熱變形。隨著切削速度提高，切削加工時(shí)間和切削力減少，有利于對(duì)剛性差零件的切槽加工，同時(shí)降低加工成本。從數(shù)控加工工藝上看，外旋風(fēng)銑削數(shù)控編程簡(jiǎn)單，并且切削的精度也相對(duì)較高。解決了多刀切削和高速切削的問(wèn)題后，結(jié)合徑向重載切削和一次裝夾復(fù)合切削是需要攻克的難點(diǎn)。

由于精車外圓需要，原有車床刀架必須保留。國(guó)內(nèi)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的徑向重載切削專用旋風(fēng)切削復(fù)合設(shè)備設(shè)備，但國(guó)外進(jìn)口成套設(shè)備價(jià)格昂貴，后期使用、維護(hù)費(fèi)用高。基于以上分析，最終方案采用現(xiàn)有普通數(shù)控車床改裝成新型旋風(fēng)切削復(fù)合機(jī)床。

3.新型旋風(fēng)切削復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)新型旋風(fēng)銑專用銑削頭以及刀盤刀具，并與原有設(shè)備CKW61125配套改裝使用來(lái)解決當(dāng)前環(huán)形槽加工問(wèn)題。(1)確定機(jī)床整體的加工原理。圖2所示為新型旋風(fēng)切削復(fù)合機(jī)床。工作過(guò)程為刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)合金涂層成型刀片，采用高速切削;車床主軸帶動(dòng)工件慢速旋轉(zhuǎn)作為進(jìn)給運(yùn)動(dòng);旋風(fēng)銑削頭安裝在車床拖板上，并在車床中拖板帶動(dòng)下進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)作為徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖2新型旋風(fēng)切削復(fù)合機(jī)床模型

1.機(jī)床卡盤2.機(jī)床中心架

3.新型旋風(fēng)銑專用銑削頭4.拉桿

5.機(jī)床尾座頂尖6.機(jī)床床身

7.機(jī)床中拖板8.機(jī)床原刀架

(2)專用銑削頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)加工拉桿環(huán)形槽的實(shí)際情況，進(jìn)刀方向基本為機(jī)床的X軸，主要依靠徑向切削，所以專用銑削頭的主軸所承受的徑向切削力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向力，因此，對(duì)主軸徑向剛性載荷要求相對(duì)較高，合理設(shè)計(jì)拉桿環(huán)形槽專用旋風(fēng)銑主軸支承相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)現(xiàn)精密銑削加工起著關(guān)鍵的作用。

圖3新型旋風(fēng)銑專用銑削頭模型

1.中心墊塊2.刀盤3.交流電動(dòng)機(jī)(變頻調(diào)速)

4.電動(dòng)機(jī)帶輪5.殼體6.主軸帶輪

7.潤(rùn)滑密封件8.主軸軸承9.主軸

10.專用銑削頭(主要部件有底座)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的專用銑削頭主軸結(jié)構(gòu)如圖4所示。優(yōu)化后主軸前端采用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承3182114C，后端采用圓錐滾子軸承30309一對(duì)組合支承。其中圓錐滾子軸承組合主要用于承受以徑向載荷為主的徑向與軸向聯(lián)合載荷，使主軸軸向定位，并調(diào)整軸向間隙，那么限制軸在殼體的軸向位移，大大地提高了主軸結(jié)構(gòu)整體徑向載荷。與角接觸球軸承相比，承載能力更大，進(jìn)一步保證了主軸結(jié)構(gòu)的剛性。所以經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主軸結(jié)構(gòu)配置更加緊湊，在加工拉桿環(huán)形槽時(shí)具有更好的剛性和精度，可滿足于切削環(huán)形槽銑削加工的要求。

圖4專用銑削頭主軸結(jié)構(gòu)

1.刀盤2、7.骨架密封圈

3.圓錐孔雙列圓柱滾子軸承3182系列

4.主軸5.圓錐滾子公制30000系列

6.O形圈

而主軸動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)輸出，傳統(tǒng)動(dòng)力傳遞都采用摩擦型帶傳動(dòng)的V形帶，由于切削時(shí)受交變載荷作用，皮帶會(huì)伸長(zhǎng)及縮短而使刀盤產(chǎn)生周向振動(dòng)，導(dǎo)致加工過(guò)程中工件和刀具的損壞并降低工件表面精度。新設(shè)計(jì)的同步帶應(yīng)用形式是靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動(dòng)的，傳動(dòng)更為平穩(wěn)，加工后環(huán)形槽的表面粗糙度值較低。

(3)刀盤及刀具。本文設(shè)計(jì)的旋風(fēng)銑削刀具是根據(jù)拉桿環(huán)形槽專門針對(duì)性仿形設(shè)計(jì)的，利用NX系統(tǒng)進(jìn)行刀具的精確三維實(shí)體造型，并對(duì)旋風(fēng)銑削刀具進(jìn)行性能分析?？紤]到每把銑削刀片都是斷續(xù)切削，接觸工件瞬間有沖擊力，如果整把刀片仿形成整個(gè)槽體形狀，造成接觸面過(guò)大，過(guò)大的載荷以分布力的形式加在相應(yīng)的切削刃上，產(chǎn)生大量切削熱致使刀具磨損加快及刀盤振動(dòng)。

如何減少切削載荷，是設(shè)計(jì)刀具工作中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。首先從減少接觸面入手，將整把刀片從縱向一分為二，刀片1和刀片2在刀盤兩側(cè)圓周上分別交錯(cuò)排布，使每把刀片所承受的載荷減少，有效地提高了整組刀具的使用壽命，并大大提高了進(jìn)給速度，使高速切削更加可靠合理。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，選擇《旋風(fēng)銑削刀具的設(shè)計(jì)與有限元結(jié)構(gòu)分析》文獻(xiàn)推薦的參數(shù)選取刀片的前角為0°、頂刃后角為8°、側(cè)刃后角為4°和刀片厚度為4mm，刀具材料為金屬碳化物硬質(zhì)合金WC，彈性模量為7.06e11Pa，抗彎強(qiáng)度為1.7GPa。表面附有硬質(zhì)涂層材料。

設(shè)計(jì)刀盤結(jié)構(gòu)排布更多數(shù)量的刀片以降低切削載荷，同時(shí)刀片下部的支承部分又要保證足夠的強(qiáng)度，那么兩者兼顧分析，最終設(shè)計(jì)為均勻排布18把刀片，刀盤外徑200mm，依托導(dǎo)向加平鍵與主軸相聯(lián)接，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速0～2000r/min，依靠交流電動(dòng)機(jī)(見(jiàn)圖3)變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，轉(zhuǎn)速數(shù)值顯示于控制面板，采用觸摸熒光屏人機(jī)對(duì)話，操控精確且簡(jiǎn)便。

4.生產(chǎn)應(yīng)用前景

本次根據(jù)拉桿環(huán)形槽所設(shè)計(jì)出的新型旋風(fēng)切削復(fù)合機(jī)床，在CKW61125中拖板上(見(jiàn)圖2)加裝旋風(fēng)銑專用銑削頭，在車床原有結(jié)構(gòu)不改動(dòng)的前提下，做到退可銑、進(jìn)可車的復(fù)合加工，銑削和車削共用同一塊拖板及同一個(gè)系統(tǒng)，將銑刀位作為T1，原刀架上的車刀位作為T2/T3/T4，操作簡(jiǎn)便，在工件一次裝夾的情況下，外圓(包括其他車削尺寸)和環(huán)形槽可同時(shí)保持精度。主軸結(jié)構(gòu)承載更多徑向載荷，切削系統(tǒng)足夠的剛性使工件精度可靠。

同步帶輪組傳動(dòng)有效化解了斷續(xù)切削中常有的周向振動(dòng)問(wèn)題。合理的刀具結(jié)構(gòu)，不僅避免了加工振刀，而且減少了切削熱量，增加了刀具的使用壽命，提高了進(jìn)給速度，降低了表面粗糙度值。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)床和刀具能在實(shí)際生產(chǎn)中滿足拉桿環(huán)形槽的加工要求，相對(duì)于傳統(tǒng)的普通數(shù)控車床單刀切削，具有高效率、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和安全生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。從目前二板機(jī)上升的市場(chǎng)份額來(lái)看，合理的環(huán)形槽加工方式應(yīng)用會(huì)更加廣泛。