■沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 （遼寧 110142） 郭秀英

創(chuàng)新性B軸刀架設(shè)計(jì)

■沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 （遼寧 110142） 郭秀英

摘要：車銑復(fù)合加工中心機(jī)床多功能的實(shí)現(xiàn)，主要是由B軸刀架完成，如何摒棄B軸刀架傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的弊端，強(qiáng)大B軸刀架功能，是機(jī)床制造業(yè)的難題。本文推出一款創(chuàng)新性B軸刀架，論述了其機(jī)構(gòu)的高剛性、高性能，旨在推廣和倡導(dǎo)機(jī)床制造業(yè)的創(chuàng)新性技術(shù)。

車銑復(fù)合加工中心機(jī)床通常具有車、銑、鉆、鏜、攻螺紋、深孔加工及車銑內(nèi)外螺紋等功能，這些功能主要依靠具有B軸功能的刀架裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此要求此類裝置既能安裝車削刀具又能安裝各類旋轉(zhuǎn)刀具。

目前，國(guó)內(nèi)外車銑復(fù)合加工中心的B軸刀架裝置均設(shè)有一個(gè)裝刀位，所有刀具都是通過(guò)此接口與動(dòng)力主軸聯(lián)接的。這種結(jié)構(gòu)形式存在兩方面的弊端：①由于車削刀具工作狀態(tài)不同于旋轉(zhuǎn)刀具，它在加工過(guò)程中不轉(zhuǎn)動(dòng)，就需要在旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力主軸的前端或后端設(shè)有一套齒盤(pán)鎖緊機(jī)構(gòu)或插銷機(jī)構(gòu)，或離合器機(jī)構(gòu)等；前端設(shè)置機(jī)構(gòu)加長(zhǎng)了動(dòng)力主軸軸承支撐至刀具刀尖的距離，致使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的剛性低，后端設(shè)置機(jī)構(gòu)易產(chǎn)生扭曲變形，刀具主軸的定位精度低、剛性低。②旋轉(zhuǎn)刀具需求高轉(zhuǎn)速，而大型回轉(zhuǎn)體零件的粗車加工毛坯余量大、表面硬度高，動(dòng)力主軸需承載高負(fù)荷，因此，旋轉(zhuǎn)刀具與車削刀具安裝在同一刀位時(shí)，如滿足旋轉(zhuǎn)刀具高轉(zhuǎn)速的需求，動(dòng)力主軸就顯得薄弱，既無(wú)法滿足車削時(shí)的剛性需求，又會(huì)損傷刀具主軸的精度?；谏鲜鲈?，設(shè)計(jì)了一款B軸刀架（見(jiàn)圖1）：旋轉(zhuǎn)刀具和車削

刀具各具備安裝位置，且車削刀具可實(shí)現(xiàn)180°轉(zhuǎn)位；每個(gè)刀位均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，配有刀具內(nèi)冷裝置。

1. B軸刀架布局

（1）創(chuàng)新性。圖1為本文介紹的B軸刀架外觀布局圖（主視圖和左視圖），在伺服動(dòng)力下可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z及B軸方向運(yùn)動(dòng)。圖2為圖1所示B軸刀架結(jié)構(gòu)剖視圖，旋轉(zhuǎn)刀具與車削刀具各具備安裝位置。圖3為國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)刀具與車削刀具安裝在同一刀位的B軸刀架結(jié)構(gòu)剖視圖，動(dòng)力主軸的前端設(shè)有一套鎖緊齒盤(pán)，國(guó)外也是類似結(jié)構(gòu)形式。

圖2所示布局形式國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)，它完全具備圖3所示B軸刀架功能且性能更佳。

（2）高剛性、高性能的動(dòng)力主軸。從圖2可見(jiàn)：沿Y軸方向另設(shè)置了車削刀具安裝工位。與圖3對(duì)比，動(dòng)力主軸前端不再設(shè)有鎖緊齒盤(pán)，旋轉(zhuǎn)刀具接口在軸向位置上更多含在動(dòng)力主軸軸承支撐內(nèi)，B軸刀架的動(dòng)態(tài)特性得以提高。主動(dòng)齒輪負(fù)責(zé)將動(dòng)力傳遞到動(dòng)力主軸上，圖2中刀架旋轉(zhuǎn)刀具加工曲軸如圖4所示。

圖2　創(chuàng)新性B軸刀架結(jié)構(gòu)圖

圖3　一個(gè)裝刀位B軸刀架結(jié)構(gòu)圖

圖4　刀架旋轉(zhuǎn)刀具加工曲軸

國(guó)外應(yīng)用類似B軸刀架發(fā)展卓著的是奧地利WFL公司，其B軸刀架如圖5所示，設(shè)有一個(gè)裝刀位，結(jié)構(gòu)類似圖3。

WFL的B軸刀架與本文介紹的B軸刀架，兩種結(jié)構(gòu)形式主要性能指標(biāo)對(duì)比如附表所示?？梢?jiàn)圖2所示刀架的刀具主軸性能既可滿足高轉(zhuǎn)速的需求，又可滿足大轉(zhuǎn)矩輸出加工，具有高剛性、高性能。

圖5　WFL的B軸刀架

附表

國(guó)內(nèi)的B軸刀架結(jié)構(gòu)是最具代表性的。加工船用曲軸時(shí)，此結(jié)構(gòu)主要用于曲軸主軸頸、連桿頸的半精、精加工，用于粗加工時(shí)，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)振動(dòng)明顯。圖1所示的B軸刀架極大地改善了動(dòng)力主軸剛性，既可承擔(dān)大型零件的半精、精加工，又可承擔(dān)粗加工，縮短了工藝路線，實(shí)現(xiàn)了粗、精加工一次裝卡完成，效率、精度均得以提高，是真正意義上的高剛性動(dòng)力主軸。

以船用曲軸9L32/40主軸頸的粗銑加工為例（見(jiàn)圖6），設(shè)備采用分別配置圖2或圖3所示B軸刀架的車銑復(fù)合加工中心，刀具選用SANDVIK的Capto C8立銑刀。曲軸繞主軸頸中心回轉(zhuǎn)，受曲臂回轉(zhuǎn)半徑大的影響，使得選用刀具長(zhǎng)度要在300mm以上。曲軸毛坯不均勻、硬度高，采用圖3所示

B軸刀架，每齒進(jìn)給量0.1mm/z、轉(zhuǎn)進(jìn)給0.4mm/r且切深4mm時(shí)就產(chǎn)生切削振動(dòng)，且刀具易破損。采用圖2所示B軸刀架后，上述其他切削參數(shù)不變情況下，切深可達(dá)到6～7mm，刀具壽命合理，效率顯著提高。

圖6　粗銑主軸頸

（3）可轉(zhuǎn)位的車削刀位。圖2所示B軸刀架車削刀具安裝工位采用SANDVIK的自動(dòng)夾緊單元，液壓驅(qū)動(dòng)拉桿的移動(dòng)，協(xié)助機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)刀具實(shí)現(xiàn)鎖緊及脫離。轉(zhuǎn)位油缸輸出軸通過(guò)鍵聯(lián)接帶動(dòng)自動(dòng)夾緊單元支撐體配油套筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具180°轉(zhuǎn)位，無(wú)需換刀即可對(duì)工件的另一側(cè)面進(jìn)行加工。轉(zhuǎn)位油缸到位開(kāi)關(guān)發(fā)出到位信號(hào)，在液壓的作用下，鎖緊齒盤(pán)將旋轉(zhuǎn)齒盤(pán)固定在定齒盤(pán)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊單元的定位鎖緊，圖2中B軸刀架車削刀具加工曲軸如圖7所示。

圖7　B軸刀架車削刀具加工曲軸

（4）每個(gè)刀位均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。圖8為圖2所示B軸刀架順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后的換刀姿態(tài)。設(shè)計(jì)時(shí)，兩裝刀位間距保證機(jī)械手換刀時(shí)互不干涉，在車削刀具換刀時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀具接口上安裝標(biāo)準(zhǔn)刀堵，以保證刀具接口清潔；車削刀具接口在X軸方向設(shè)計(jì)高于旋轉(zhuǎn)刀具接口上安裝刀堵后高度，以防旋轉(zhuǎn)刀具接口與換刀機(jī)械手之間干涉。

圖8　B軸刀架換刀姿態(tài)

（5）刀具內(nèi)冷、清潔。圖2所示車削刀具刀位通過(guò)配油套筒將水及氣配送到刀具接口，旋轉(zhuǎn)刀具刀位通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭將水及氣配送到刀具接口，實(shí)現(xiàn)每個(gè)刀位均可內(nèi)冷和氣體清潔刀具接口。

2. 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

以加工船用曲軸為例，曲軸材料為鑄鐵或鍛鋼, 外形為長(zhǎng)軸帶多處曲臂，由于曲臂的回轉(zhuǎn)軸即連桿頸和主軸頸不同心，曲臂繞主軸頸的回轉(zhuǎn)直徑大，致使加工主軸頸刀具長(zhǎng)。曲臂輪廓為多段不同心圓弧組成，曲軸的兩端面又有很深的油孔，曲臂上還有角度不規(guī)則的斜油孔等。曲軸從毛坯到磨削前加工，因其規(guī)格的不同，耗時(shí)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。

傳統(tǒng)的曲軸加工方案主要是采用多工序、多臺(tái)設(shè)備來(lái)完成的。近年隨著從國(guó)外將復(fù)合加工設(shè)備的引入，結(jié)合上文中介紹的曲軸特點(diǎn)，開(kāi)始采用配有類似圖3所示B軸刀架的車銑復(fù)合加工中心參與加工。半精加工、精加工在此類設(shè)備上完成，受其輸出轉(zhuǎn)矩及剛性的制約，粗加工仍需配備設(shè)備。

圖2所示B軸刀架研制成功后，應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)車銑復(fù)合加工中心上，可在一臺(tái)設(shè)備上完成曲軸從毛坯到磨削前的所有加工。縮短了工藝流程，減少了人力、物力。采用圖2所示B軸刀架的車銑復(fù)合加工中心，其售價(jià)是同規(guī)格進(jìn)口設(shè)備的2/3～3/4。一方面可為用戶節(jié)省外匯，同時(shí)也可促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

3. 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)隨著車銑復(fù)合加工中心高新技術(shù)的發(fā)展，參與開(kāi)發(fā)車銑復(fù)合加工中心機(jī)床的廠商也逐漸增多，競(jìng)爭(zhēng)加劇，其關(guān)鍵技術(shù)之一就在于B軸刀架的性能。如何能提高B軸刀架性能，使之一方面能促進(jìn)國(guó)內(nèi)同行業(yè)發(fā)展，起到引領(lǐng)作用，另一方面又可有效地抑制國(guó)外同類產(chǎn)品的進(jìn)口。圖2 所示的B軸刀架已經(jīng)應(yīng)用于大型銑復(fù)合加工中心上。在用戶現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了其高剛性、高性能，彰顯了更高的技術(shù)水平和更廣泛的適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李海國(guó). 曲軸加工技術(shù)走向高效復(fù)合化[J].現(xiàn)代零部件，2006 （2）：50-52.

收稿日期：（20150405）