張愛(ài)明

（梅州農(nóng)業(yè)學(xué)校模具數(shù)控教研室，廣東梅州514011）

數(shù)控車削定位裝置創(chuàng)新

張愛(ài)明

（梅州農(nóng)業(yè)學(xué)校模具數(shù)控教研室，廣東梅州514011）

挖掘機(jī)“斗軸”是一種典型的長(zhǎng)軸類零件，利用數(shù)控車床進(jìn)行加工時(shí)，長(zhǎng)度方向的定位相當(dāng)困難，制約了數(shù)控車床的生產(chǎn)效率.筆者在生產(chǎn)實(shí)踐中設(shè)計(jì)制作出方便實(shí)用的“組合式可調(diào)定位裝置”，成功解決了長(zhǎng)軸類零件的定位問(wèn)題.

數(shù)控車削；生產(chǎn)工藝；斗軸；定位裝置

1 背景

筆者所在學(xué)校與工程機(jī)械挖斗生產(chǎn)企業(yè)建立合作關(guān)系，承接企業(yè)的斗軸生產(chǎn)訂單.企業(yè)訂單通常是小批量、多規(guī)格、工期緊，因此必須制定合理的工藝方案，充分利用數(shù)控機(jī)床自動(dòng)高效的性能，才能創(chuàng)造良好的效益.本文以斗軸的加工為例對(duì)數(shù)控車床的定位問(wèn)題進(jìn)行深入分析，并詳細(xì)介紹定位裝置的結(jié)構(gòu)原理、制作方法及使用方法.

2 斗軸的生產(chǎn)工藝

斗軸的使用場(chǎng)合對(duì)強(qiáng)度要求較高，毛坯材料為調(diào)質(zhì)40C r.

圖1

如圖1所示是斗軸的典型結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)過(guò)程一般包括以下幾個(gè)工序：

定位問(wèn)題分析：數(shù)控機(jī)床必須通過(guò)對(duì)刀建立工件坐標(biāo)及刀補(bǔ)才能進(jìn)行自動(dòng)加工，批量生產(chǎn)時(shí)為避免重復(fù)對(duì)刀，提高效率，往往需要定位裝置輔助裝夾.若無(wú)方便實(shí)用的工裝，批量化生產(chǎn)則無(wú)從談起，數(shù)控機(jī)床自動(dòng)高效的性能也無(wú)法得到充分的發(fā)揮.斗軸粗加工主要在數(shù)控車床上進(jìn)行，因此，斗軸在數(shù)控車上的定位問(wèn)題最為突出.

定位裝置必須在機(jī)床上安裝可靠，不松動(dòng)不位移才能實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的可靠定位.在車床上加工斗軸外圓時(shí)，采用“一夾一頂”的裝夾方式，定位裝置可利用主軸前端錐孔或卡盤端面進(jìn)行安裝，對(duì)此有許多現(xiàn)成可用或可借鑒的解決方案，其定位裝置也容易制作.在斗軸的整個(gè)生產(chǎn)流程中，最難定位的是“車端面”.因?yàn)檐嚩嗣鏁r(shí)工件不可懸伸過(guò)長(zhǎng)，否則容易發(fā)生振動(dòng)，而斗軸的長(zhǎng)度往往比較大，裝夾時(shí)其端部深入主軸孔，超出了常規(guī)定位裝置的適用范圍.在主軸孔內(nèi)，定位裝置自身難以固定，因此，如何在主軸孔內(nèi)固定定位裝置是設(shè)計(jì)定位裝置的關(guān)鍵.

端面是后續(xù)工序的定位基準(zhǔn)，也是編程基準(zhǔn).斗軸“車端面”后必須保證工件長(zhǎng)度一致，后續(xù)工序才能順利開(kāi)展.若長(zhǎng)短不一則后續(xù)工序就需要調(diào)整刀補(bǔ)或重新對(duì)刀，這樣不僅制約了效率還容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題.可見(jiàn)“車端面”不僅定位難，而且定位精度要求高.從斗軸的使用角度來(lái)看，對(duì)端面及長(zhǎng)度的要求并不高，工廠師傅在設(shè)備有限的情況下傾向于用普通車床加工，這在一定程度上回避了定位問(wèn)題.但是這種加工方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率較低，與制造技術(shù)高速發(fā)展的形勢(shì)格格不入。對(duì)于小批量、多規(guī)格的生產(chǎn)任務(wù)，數(shù)控機(jī)床才是首選的加工設(shè)備.通過(guò)請(qǐng)教企業(yè)技術(shù)人員及大量的網(wǎng)絡(luò)搜索，均未找到理想的解決方案.可見(jiàn)解決斗軸這一類的長(zhǎng)工件在數(shù)控車床上的定位問(wèn)題是對(duì)生產(chǎn)方式的改進(jìn)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義.

3 斗軸定位裝置設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)潛心研究、反復(fù)試驗(yàn)，筆者成功設(shè)計(jì)制作出“組合式可調(diào)定位裝置”，一舉解決定位難及定位要求高的問(wèn)題.

圖2 結(jié)構(gòu)原理示意圖

3.1 工作原理

如圖2所示為定位裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，該裝置由一對(duì)開(kāi)合錐套和一個(gè)錐軸組成，錐套與錐軸通過(guò)錐面配合.當(dāng)工件頂住錐軸時(shí)，往前推動(dòng)錐套（推力F），則兩半錐套同時(shí)沿錐面移動(dòng)，其徑向相對(duì)距離逐漸增大，直至其外表面壓緊主軸內(nèi)孔，依靠壓緊主軸內(nèi)孔產(chǎn)生的摩擦力將三個(gè)部件“自鎖”固定.此時(shí)錐軸具有“單向性”，即只能前進(jìn)而不能后退，若工件往后推動(dòng)錐軸則會(huì)撐開(kāi)錐套，使其鎖得更緊.依靠這個(gè)原理即可實(shí)現(xiàn)工件的可靠定位.

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該定位裝置工作于主軸孔內(nèi)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足兩個(gè)基本要求：一是要方便安裝，二是要可靠“自鎖”.實(shí)際上這兩個(gè)要求是相互矛盾的。從安裝角度看，錐套外徑必須小于主軸孔才能順利進(jìn)出；另一方面由工作原理可知，錐套沿錐面移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)“自鎖”，當(dāng)內(nèi)外錐面完全配合時(shí)，達(dá)到其最大相對(duì)距離，這個(gè)最大相對(duì)距離即錐套的外徑.從可靠性角度看，錐套的外徑明顯不得小于主軸孔，否則錐套相對(duì)距離最大時(shí)仍無(wú)法壓緊主軸孔.為克服這個(gè)矛盾，將錐套表面在外圓的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)成橢圓，如圖3-2所示，長(zhǎng)軸對(duì)應(yīng)錐套外徑.這種結(jié)構(gòu)允許將錐套的外徑設(shè)計(jì)得比主軸孔大，以確保錐套有充裕的放大行程，提高“自鎖”定位的可靠性.

圖3-1 錐套

圖3-2 錐套加工成橢圓

圖3-3 錐套切開(kāi)

我校所用的數(shù)控車床型號(hào)為沈陽(yáng)機(jī)床CA K3665，其主軸孔徑約為55mm（由于主軸孔的公差較大，并且存在灰塵、油漬、生銹等情況，其實(shí)際尺寸通常小于55mm）.下面以此為例設(shè)計(jì)具體尺寸.對(duì)于其他規(guī)格的主軸孔徑，只需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整相應(yīng)尺寸即可.

（1）錐套外徑：錐套設(shè)計(jì)成橢圓結(jié)構(gòu)為加工帶來(lái)一定難度，綜合考慮定位的可靠性及加工工藝性來(lái)看：長(zhǎng)軸比主軸孔大1mm，短軸比主軸孔小2mm為宜，即長(zhǎng)軸取56mm，短軸取53mm。加工時(shí)沿短軸方向?qū)⑵淝虚_(kāi)（如圖3-3所示）.安裝時(shí)錐套處于錐度配合低點(diǎn)，長(zhǎng)短軸方向距離均小于主軸孔，可順利的進(jìn)入主軸孔.當(dāng)錐套與主軸孔貼緊時(shí)，因短軸方向只有53mm，錐套兩側(cè)不會(huì)與主軸孔接觸，這樣可以確保拆卸時(shí)錐套能自動(dòng)脫落，避免錐套兩側(cè)的接觸將錐套“架空”卡在主軸孔內(nèi)，難以取出.

（2）錐度：定位裝置工作時(shí)所承受的軸向力與錐度成正比，錐度大則所受軸向力也大，容易造成松動(dòng)，因此錐度不宜過(guò)大.另一方面錐度也不宜過(guò)小，錐度過(guò)小則必須增加長(zhǎng)度才能產(chǎn)生足夠的放大行程，這樣不僅加工工藝性差，結(jié)構(gòu)也顯得笨重.綜合考慮可靠性及工藝性來(lái)看：錐度取20o～30o為宜，為保證合適的配合接觸面，長(zhǎng)度則取30mm.

（3）錐套內(nèi)徑：當(dāng)內(nèi)外錐面完全配合時(shí)，錐套便無(wú)法繼續(xù)向前移動(dòng)，因此定位裝置必須在這個(gè)極限位置之前實(shí)現(xiàn)“自鎖”.擴(kuò)大錐套內(nèi)徑可適當(dāng)增加其前行的移動(dòng)量，即可增加錐套的放大行程，但是，擴(kuò)大錐套內(nèi)徑必然會(huì)使得錐套變簿，降低了其強(qiáng)度.綜合考慮可靠性及工藝性來(lái)看：錐套大徑取51mm，小徑取39mm.

（5）凸環(huán)、凹槽、臺(tái)階：錐軸和錐套的尾部結(jié)構(gòu)，主要起到安裝作用.安裝及拆卸時(shí)，錐套臺(tái)階卡著錐軸的凹槽，由錐軸的凸環(huán)帶動(dòng)前進(jìn).凸環(huán)、凹槽及臺(tái)階的尺寸應(yīng)當(dāng)確?？〒跤行?，以免出現(xiàn)錐套“脫落”而錐軸“獨(dú)行”的現(xiàn)象.

圖4 錐軸

（6）錐軸球頭：帶鋸床下料的毛坯通常都帶有飛邊毛刺.錐軸前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成球頭，定位時(shí)球頭頂?shù)焦ぜ嗣嬷行?，這樣可避免飛邊毛刺造成的定位誤差.

4 定位裝置加工方法

由工作原理可知該設(shè)計(jì)方案對(duì)三個(gè)部件的精度及材料性能要求并不高，選用常用的45#鋼即可.如圖4所示錐軸的加工沒(méi)有什么難度，加工錐套則相對(duì)復(fù)雜，主要有三個(gè)步驟：一是先加工出圖3-1所示的錐套；二是在對(duì)稱方向加工偏心，將錐套外表面加工成橢圓狀（如圖3-2），三是用8mm的銑刀沿短軸方向?qū)㈠F套切開(kāi)，分成兩半，再將銳邊倒角即可（如圖3-3所示）.

5 使用方法

安裝定位裝置時(shí)先將工件以合適的懸伸長(zhǎng)度夾緊，把定位裝置組合好后從后端放入主軸孔內(nèi)，再用細(xì)長(zhǎng)的鐵棒往前推動(dòng)錐軸直至頂?shù)焦ぜ诖诉^(guò)程中依靠錐軸后端的凸環(huán)拖著半錐套一起移動(dòng)，移動(dòng)到位后再往前敲緊錐套，使定位裝置“自鎖”.取出的操作則是：先拆下工件，然后用鐵棒往前推動(dòng)錐軸，三者松開(kāi)后半錐套的臺(tái)階自動(dòng)落入錐軸后端的凹槽，由錐軸后端的凸環(huán)拖著從主軸前端取出.

使用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：

（1）從工作原理可知，該定準(zhǔn)裝置適用于伸入長(zhǎng)度超過(guò)主軸錐孔的工件.定位裝置若安裝在主軸前端的錐孔內(nèi)，則可能工作不穩(wěn)定.

（2）安裝定位裝置時(shí)，應(yīng)交替敲緊上下錐套，用力要均勻，然后再用工件輕輕撞擊錐軸前端，以檢查固定是否可靠.

（3）工件的夾緊要可靠，否則加工時(shí)的軸向推力可能會(huì)影響定位精度.

6 使用性能

該定位裝置可在主軸孔內(nèi)靈活調(diào)整位置，可適用的工件長(zhǎng)度范圍很大。如圖1所示，斗軸長(zhǎng)度的公差為±0.1mm.反復(fù)測(cè)試表明該定位裝置的定位精度可滿足±0.1mm的公差要求，生產(chǎn)實(shí)踐也顯示其具有良好的穩(wěn)定性，所加工的工件尺寸一致性很好.

7 結(jié)語(yǔ)

該“組合式可調(diào)定位裝置”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，對(duì)深入主軸孔的長(zhǎng)工件有很好的定位效果，在“小批量多規(guī)格”的生產(chǎn)實(shí)踐中充分接受了可靠性及靈活性的考驗(yàn)，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值.

［1］孫建東，袁鋒.數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［2］周虹.數(shù)控加工工藝與編程［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［3］楊仲岡.數(shù)控設(shè)備與編程［M］.北京：高等教育出版社，2005.

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A

1672-2094（2015）03-0163-03

責(zé)任編輯：張隆輝

2015-03-03

張愛(ài)明（1968-），女，廣東梅州人，梅州農(nóng)業(yè)學(xué)校講師.研究方向：數(shù)控加工技術(shù)課程教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)改革.