蔡池蘭,張艷雷,魏劍,何亞飛,朱弘峰,李寧

(上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)

電主軸前端零件的加工工藝研究

蔡池蘭,張艷雷,魏劍,何亞飛,朱弘峰,李寧

(上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)

以電主軸單元的刀柄定位部件主軸前端為研究對(duì)象,對(duì)主軸體前端的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)合主軸前端的力學(xué)性能要求和與其他零件的配合要求,制定了一套針對(duì)主軸前端高效實(shí)用的加工方案,包括主軸前端的加工步驟、熱處理技術(shù)、加工刀具的選擇和切削用量的計(jì)算,并設(shè)計(jì)了兩套專用打孔夾具以提升機(jī)械加工精度和生產(chǎn)效率。最后,加工出主軸前端,精度檢測(cè)結(jié)果表明該工藝設(shè)計(jì)合理。

主軸前端;切削參數(shù);加工工藝;熱處理

0 引言

高速電主軸為高速加工機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)功能部件,具有轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是高速數(shù)控銑床、加工中心等產(chǎn)品的常用配套件[1-3]。高速主軸結(jié)構(gòu)緊湊,單個(gè)零件加工難度較大[4-5]。根據(jù)電主軸各零部件使用情況數(shù)據(jù)分析可知,主軸體為主要磨損零件之一,其磨損部位為前端部,如圖1(a)所示,該部位通過(guò)其內(nèi)孔錐面與刀柄錐面緊密貼合實(shí)現(xiàn)刀具定位,當(dāng)電主軸裝夾刀柄時(shí),兩接觸面互相磨損。因此,本文研究的電主軸采用分離式主軸體結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示,將主軸前端與主軸體結(jié)構(gòu)分開(kāi),當(dāng)內(nèi)錐孔定位精度損失時(shí),只需更換前端零件,而無(wú)需更換整根主軸體,大大減少了維修費(fèi)用和維修時(shí)間。

通過(guò)對(duì)主軸前端零件圖的結(jié)構(gòu)分析,綜合考慮主軸前端的尺寸、位置精度要求和與其它零件的配合要求,對(duì)主軸前端的加工工藝進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套高效可行的加工方案及其相關(guān)夾具,并通過(guò)實(shí)際零件加工驗(yàn)證該方案的可行性。加工數(shù)量為6件,小批量生產(chǎn)。

1 主軸前端結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖1(b),主軸前端與主軸體之間通過(guò)螺栓

圖1 主軸體與主軸前端關(guān)系示意圖Fig.1 Relationof shaft and flange

連接;由主軸前端零件圖(見(jiàn)圖2)可知,基準(zhǔn)面B為裝配主軸體時(shí)的定位基準(zhǔn)面。零件內(nèi)部有1:10的莫氏錐孔,該錐孔與刀柄錐面配合。軸向尺寸為(22.4±0.0105)mm,保證主軸前端內(nèi)錐孔開(kāi)口面與基準(zhǔn)B面之間的軸向距離。對(duì)于內(nèi)孔其圓度和圓柱度公差為3μm,以錐面A為基準(zhǔn)的徑向跳動(dòng)為2μm,通過(guò)該尺寸公差和幾何公差,確保前端與主軸體?70 mm的內(nèi)孔配合的同軸度,從而保證刀具切削時(shí)的精度。在前端零件上均布8個(gè)通孔,該通孔為氣體流通的氣孔,直徑?1.3 mm,深度17 mm?？仔《?如何加工及提高加工效率是加工工藝的難點(diǎn)。此外,前端內(nèi)錐面與刀柄由于換刀需要,互相貼合和分離頻率較高,導(dǎo)致錐孔磨損,影響定位精度。因此,對(duì)主軸前端零件要求其具有較好的表面硬度、耐磨性和抗疲勞性能等優(yōu)良的力學(xué)性能。

圖2 主軸前端零件圖(mm)Fig.2 Part drawing of flange

2 加工工藝方案分析及加工方案制定

2.1 材料選擇與熱處理工藝

主軸前端零件總長(zhǎng)度為35 mm,最大外圓直徑為?97 mm,最小內(nèi)孔直徑為?46 mm。在考慮零件力學(xué)性能和加工經(jīng)濟(jì)性的要求下,采用材料38Cr-MoAl,毛坯采用自由鍛成形,細(xì)化晶粒,增加鍛件纖維組織,使材料結(jié)構(gòu)更為致密,提高毛坯組織的力學(xué)性能[6]。

選擇毛坯尺寸為?110×45mm圓柱料。鍛打后的材料,表面硬度高,內(nèi)部應(yīng)力大,不利于切削加工,需對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,消除內(nèi)部應(yīng)力,使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加有序排列,軟化材料,降低表面硬度[6]。在切削加工過(guò)程中,材料內(nèi)部產(chǎn)生切削應(yīng)力,所以在主軸前端的每步工序完成后,按實(shí)際需要選擇合理的熱處理工藝,此外還需對(duì)主軸前端進(jìn)行滲氮處理,提高主軸前端零件的強(qiáng)度和耐磨性。

2.2 主軸前端加工階段劃分

2.2.1 粗加工階段

粗加工階段去除主軸前端零件毛坯上的絕大部分多余金屬,為半精加工做好準(zhǔn)備,并提供定位基準(zhǔn)。此外還應(yīng)注意和提前發(fā)現(xiàn)主軸前端的毛坯缺陷,提早做出修補(bǔ)或予以報(bào)廢處理,避免不合格產(chǎn)品而導(dǎo)致工時(shí)浪費(fèi)。在主軸前端的粗加工階段,選用功率大、剛性好、精度稍低的機(jī)床加工,并選用大切削量,提高生產(chǎn)效率,降低此階段的工時(shí)。由于粗加工階段切削量大,故切削力和切削熱也大,使零件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和變形也增大,加工精度低,粗糙度值很大。粗加工階段主軸前端的公差等級(jí)為IT8～I(xiàn)T10,粗糙度為Ra12.5～6.3μm[7]。

2.2.2 主軸前端的半精加工階段

主軸前端的半精加工階段的主要任務(wù)是完成次要面的加工。首先,半精車(chē)上端面;然后,以上端面為軸向定位面,用三爪內(nèi)撐?46mm內(nèi)孔面,半精車(chē)其余內(nèi)外軸面與下端面;?46mm內(nèi)孔面在半精加工階段是圓柱面,以方便使用三爪內(nèi)撐,在精車(chē)階段該內(nèi)孔面將車(chē)出1:10錐度。最后,以下端面為軸向定位基準(zhǔn),加工上步工序的未加工面。此道工序應(yīng)為精加工階段保留足夠的余量,其中軸向尺寸余量1 mm,徑向尺寸雙邊余量1.5 mm。半精加工階段的公差等級(jí)為IT7～I(xiàn)T8,粗糙度為Ra6.3～3.2μm。

2.2.3 精加工階段

主軸前端的精加工階段主要是去除零件剩余的少量加工余量,加工出與刀柄配合的1:10錐度的莫氏錐孔,為精磨做準(zhǔn)備,主要加工步序與半精加工類似。為減小零件內(nèi)部的金屬切削應(yīng)力和獲得好的表面質(zhì)量,本階段采用刀尖半徑0.2 mm的精車(chē)刀,切削深度取0.2 mm。

2.2.4 磨削加工階段

由圖2可知,主軸前端對(duì)表面質(zhì)量以及形狀精度要求很高,因此,該零件經(jīng)過(guò)精加工后,還需要進(jìn)行精密磨削加工。

先用平面磨床磨削兩端面;然后,以端面為定位基準(zhǔn),磨削外圓;最后,以外圓為定位基準(zhǔn),磨削內(nèi)圓柱孔和1:10錐孔。在磨削內(nèi)錐孔時(shí),需使用如圖3(a)所示的標(biāo)準(zhǔn)刀柄與設(shè)計(jì)的專用檢具進(jìn)行測(cè)量,以保證工件尺寸精度。在測(cè)量過(guò)程中,對(duì)刀柄錐面進(jìn)行涂色,再塞入內(nèi)孔,旋轉(zhuǎn)1周,觀察內(nèi)孔錐面的著色率,測(cè)量示意圖如圖3(b),根據(jù)國(guó)家加工中心電主軸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),著色率不小于85%。

2.3 工藝方案制定

根據(jù)上述分析,充分考慮工序安排原則,制定出表1的最終工藝路線方案[8]。

圖3 主軸前端配合尺寸磨削Fig.3 Grinding fit dimension of flange

表1 主軸前端工藝路線、設(shè)備及工裝Tab.1 Processing,equipment and tools

3 專用夾具設(shè)計(jì)與切削參數(shù)計(jì)算

3.1 專用夾具設(shè)計(jì)

由于本電主軸前端蓋零件在使用過(guò)程中,需要承受循環(huán)應(yīng)力作用,為提高疲勞強(qiáng)度,零件表面要求光滑、具有高的表面質(zhì)量。因此,在孔加工工序中,加工中心鉆削8×?5.5mm沉頭螺紋聯(lián)結(jié)孔、8×?1.3mm通孔和8×?5mm深5.2 mm均布直孔時(shí),為防止夾持力過(guò)大損傷工件表面,需設(shè)計(jì)專用夾具來(lái)固定工件,避免直接夾持。

3.1.1 工件的定位基準(zhǔn)及元件的選擇

鉆削8×?5mm均布沉頭螺紋聯(lián)結(jié)孔與8×?1.3mm通孔,工件以?71mm上端外圓面和?70mm下端內(nèi)孔面為定位基準(zhǔn)。在?71mm上端面使用螺栓連接壓板進(jìn)行壓緊,防止工件跳動(dòng)與旋轉(zhuǎn),限制1個(gè)自由度,用?70mm內(nèi)孔面限制4個(gè)自由度。鉆削主軸前端反面8×?5mm深5.2 mm均布直孔,工件以?79.9mm下端外圓面和?46 mm上端內(nèi)孔面為定位基準(zhǔn)。

3.1.2 定位誤差的分析

定位誤差是指定位不準(zhǔn)引起的某一工序尺寸或位置精度要求的加工誤差。對(duì)于夾具設(shè)計(jì)中的定位方案,一般將定位誤差控制在公差的1/3～1/5范圍中,對(duì)于鉆削8×?5mm均布沉頭螺紋聯(lián)結(jié)孔與8×?1.3mm通孔的工序中,定位誤差主要取決于內(nèi)圓面的圓度和下端面的平面度,均布直孔的公差等級(jí)達(dá)到IT7-8級(jí),只需經(jīng)過(guò)鉆削加工,所以基準(zhǔn)位置誤差可以忽略。

3.1.3 夾緊裝置及夾具體的設(shè)計(jì)

夾緊裝置采用壓板、螺栓與支撐座組合而成。由于電主軸前端為小批量生產(chǎn),且零件對(duì)表面粗糙度的要求很高,故夾緊力不宜過(guò)高。因此,采用間接夾緊方式,夾緊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且?jiàn)A緊可靠性好。工件主要受力在于受壓力的端面,由于端面面積較大,故受力較為均勻且較小。這種夾緊方式對(duì)零件變形的影響也較小,保證了加工精度,拆裝方便[9]。

夾緊裝置采用兩面壓緊與導(dǎo)向環(huán)面進(jìn)行工件自由度限定,同時(shí)使用6個(gè)螺栓進(jìn)行固定。導(dǎo)向環(huán)面與工件圓柱面之間采取間隙配合,且此時(shí)工件為半精車(chē)后工件,尚未進(jìn)行磨削,因此,在設(shè)計(jì)工裝夾具時(shí)要合理考慮上一步驟的加工余量。圖4所示為夾具裝配三維示意圖。

圖4 夾具裝配使用示意圖(mm)Fig.4 Fixture drawing

在裝夾過(guò)程中,工件與夾具之間采用直接面接觸,兩作用面之間就會(huì)產(chǎn)生微小的相對(duì)滑移,損傷表面。為了保證工件的表面質(zhì)量,夾具表面硬度應(yīng)不大于工件硬度。從加工經(jīng)濟(jì)性考慮,本項(xiàng)目專用打孔夾具只進(jìn)行一次回火,提高耐磨性。本夾具在設(shè)計(jì)過(guò)程中,考慮重復(fù)定位功能,設(shè)計(jì)有校正直線度的直線邊。

3.2 切削參數(shù)計(jì)算

制定工藝計(jì)劃的重要因素是:計(jì)算并確定機(jī)床設(shè)定值(查表值或?qū)嶋H經(jīng)驗(yàn)數(shù)值),選擇刀具、所需夾具以及采用的輔助材料[10]。以下對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

(1)進(jìn)給量f

式中:f為刀具進(jìn)給量,mm;Rz為表面理論粗糙度值,mm;rε為車(chē)刀刀尖半徑,mm。

(2)切削深度ap

式中,切削比參考表2進(jìn)行選取。

表2 切削材料專用切削比Tab.2 Cutting ratio of cutting materials

(3)轉(zhuǎn)速n

式中,vc為切削材料組合值。

3.2.1 橫向端面車(chē)削

工件毛坯直徑?110 mm,要求端面表面粗糙度Ra16μm,工件材料38CrMoAl,車(chē)刀刀尖半徑rε=0.8mm(硬質(zhì)合金刀片)。Ra16μm≈Rz63μm,

由式(1)和式(2)分別得:

查表得vc=200m/min,代入式(3)得:

3.2.2 縱向外圓車(chē)削

工件初始直徑?100mm(粗車(chē)),要求外圓?79.9mm的表面粗糙度Ra6.3μm,材料38CrMoAl,車(chē)刀刀尖半徑rε=0.8mm(硬質(zhì)合金刀片),Ra6.3μm≈Rz40μm,由式(1)和式(2)分別得:

查表得vc=250m/min,代入式(3)得:

3.2.3 內(nèi)孔鉆削

鉆內(nèi)孔?30mm,完全貫穿,工件材料38Cr-MoAl,鉆頭直徑?30 mm。查詢手冊(cè)[9-10]可得:vc=70m/min,f=0.32～0.5 mm,

3.2.4 內(nèi)孔鏜削

孔徑?30mm,要求內(nèi)徑?46mm的表面粗糙度Ra3.2μm,工件材料38CrMoAl,車(chē)刀刀尖半徑rε= 0.4mm(硬質(zhì)合金刀片)。Ra3.2μm≈Rz1.25μm,由式(1)和式(2)分別得:

查表得vc=280m/min,代入式(3)得:

3.2.5 加工中心孔加工鉆削?1.3mm通氣孔

鉆通氣孔?1.3mm,完全貫穿,工件材料38CrMoAl,鉆頭直徑?1.3mm。查詢手冊(cè)可得:vc=20m/min,f=0.01mm,

4 實(shí)際零件的加工

在前述工作的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了實(shí)際零件的加工,圖5為加工出來(lái)的實(shí)際主軸前端零件實(shí)物。

圖5 主軸前端零件加工完成實(shí)物Fig.5 Finished part of flange

5 結(jié)論

本文是以電主軸的核心部件——主軸前端的加工工藝為研究對(duì)象,分析了主軸前端的機(jī)械結(jié)構(gòu),探索了主軸前端從原材料經(jīng)過(guò)車(chē)削、磨削、銑削和熱處理到最終成品的加工工藝,總結(jié)出了一套針對(duì)主軸前端零部件高效可行的加工方案,進(jìn)行切削參數(shù)計(jì)算,并針對(duì)前端的孔特征設(shè)計(jì)了兩套相對(duì)應(yīng)的打孔專用夾具,節(jié)省打孔工時(shí),提高效率,并以實(shí)際零件加工驗(yàn)證了方案的可行性。該方案實(shí)踐性較強(qiáng),成本低,經(jīng)濟(jì)性較好,且易于操作,對(duì)同類型的軸套法蘭類零件加工具有指導(dǎo)意義。

[1]CAI C L,HEY F,LIN,et al.High-speed motorized spindle decoupling optimization control[J].Advanced Materials Research,2014,1039:368-375.

[2]陳燕林,段志善,熊萬(wàn)里.高速電主軸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2004,17(4):10-11.

[3]JIANGS Y,ZHENGS F.Dynamic design of a high-speed motorized spindle-bearing system[J].Journal of Mechanical Design,2010,132(3):034501-034505.

[4]李彥.數(shù)控機(jī)床高速電主軸技術(shù)及應(yīng)用[J].精密制造與自動(dòng)化,2011(4):24-26.

[5]許朝山.高速主軸的一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].機(jī)床與液壓, 2012,40(16):120-121.

[6]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè):典型零件熱處理(第2卷)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[7]劉品,張也晗.機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2013.

[8]王先逵.機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[9]朱耀祥,浦林祥.現(xiàn)代夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[10]奧利菲·博爾克納等.機(jī)械切削加工技術(shù)[M].楊祖群,譯.長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2014.

上海第二工業(yè)大學(xué)召開(kāi)2016科技與產(chǎn)業(yè)工作會(huì)議

為大力推進(jìn)科技創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)學(xué)?？萍?、產(chǎn)業(yè)工作持續(xù)快速發(fā)展,2016年11月22日上海第二工業(yè)大學(xué)在圖文信息中心四百人報(bào)告廳召開(kāi)了2016科技與產(chǎn)業(yè)工作會(huì)議。宋寶儒、俞濤、鄒龍飛、吳沛東、徐余法、謝華清、徐玉芳等校領(lǐng)導(dǎo)出席,學(xué)校全體中層干部、學(xué)科骨干、師生代表等參加了會(huì)議。

俞濤校長(zhǎng)作了題為“科教深度融合,推進(jìn)多科性應(yīng)用技術(shù)大學(xué)建設(shè)”的工作報(bào)告,全面總結(jié)了學(xué)校2015～2016學(xué)年科技與產(chǎn)業(yè)工作。報(bào)告認(rèn)為,一年來(lái)學(xué)?？萍寂c產(chǎn)業(yè)工作取得了一定成績(jī):制定了學(xué)校“十三五”學(xué)科建設(shè)和產(chǎn)學(xué)研工作規(guī)劃;打造了學(xué)科“三合一”教師團(tuán)隊(duì);科研工作持續(xù)推進(jìn),科研經(jīng)費(fèi)、成果顯著增長(zhǎng);出臺(tái)了產(chǎn)業(yè)工作系列政策。但也存在著科研成果質(zhì)量還不夠高,數(shù)量還不夠多的問(wèn)題,主要原因是認(rèn)識(shí)不深、能力不足、政策還不到位。

華東理工大學(xué)原國(guó)家技術(shù)轉(zhuǎn)移中心主任張武平教授作了“技術(shù)轉(zhuǎn)移體系與平臺(tái)構(gòu)建的探索、實(shí)踐與思考”的主題報(bào)告。人事處處長(zhǎng)蔣川群、學(xué)?？蒲刑幐碧庨L(zhǎng)陸虹、技術(shù)轉(zhuǎn)移中心主任周志萍,教師代表王孝聰、解麗麗、高德榮、于偉、陳誠(chéng)先后圍繞上海市科技新政、技術(shù)轉(zhuǎn)移中心工作、校企合作、科研教學(xué)融合等方面做了匯報(bào)和交流。

在工作會(huì)議上,宋寶儒書(shū)記總結(jié)并指出,要切實(shí)提升學(xué)?？萍寂c產(chǎn)業(yè)工作整體水平,通過(guò)學(xué)?？蒲?、教學(xué)的深度融合,不斷提升我校人才培養(yǎng)質(zhì)量和師生服務(wù)社會(huì)的能力。首先,要抓住機(jī)遇,利用政策,擴(kuò)大科技工作覆蓋面;第二,要圍繞我校工科見(jiàn)長(zhǎng)、管經(jīng)文理藝多學(xué)科發(fā)展的辦學(xué)目標(biāo),大力開(kāi)展應(yīng)用性科研,鼓勵(lì)教師開(kāi)展校企合作;第三,要加強(qiáng)科技與教學(xué)融合,促進(jìn)人才的培養(yǎng),開(kāi)展以團(tuán)隊(duì)形式的科研,注重產(chǎn)教融合,繼續(xù)完善科技、人才政策;第四,加強(qiáng)科技與產(chǎn)業(yè)工作法制化建設(shè)和廉政建設(shè)。

Research on the Manufacturing Processes of the Flange of the Motorized Spindle

CAI Chilan,ZHANG Yanlei,WEI Jian,HE Yafei,ZHU Hongfeng,LI Ning
(School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering,Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

The flange of motorized spindle was focused on.The flange was used to locate the cutting tool holders.Firstly,the mechanical structure of the flange was analyzed.Secondly,according to the mechanical performance requirements and fit requirements of the flange with other parts,a set of efficient and practical manufacturing processes for the flange was developed,including processing steps,heat treatment technology,cutting tool selection and calculation of cutting parameter.What’s more,two special drilling fixtureswere designed to improve productivity and machining accuracy.Finally,frontend were manufactured and the measurement results of the dimensional precision demonstrated the effectiveness of the manufacturing processes.

frontend;cutting parameter;manufacturing processes;heat treatment

TH162

A

1001-4543(2016)04-0295-08

2016-05-03

蔡池蘭(1976–),女,湖北枝江人,副教授,博士,主要研究方向?yàn)楦咚偾邢麝P(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

電子郵箱clcai@sspu.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.51305251)、上海第二工業(yè)大學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科(No.XXKZD1601)資助