鄭振華

硬質(zhì)合金刀片數(shù)控開齒機(jī)設(shè)計(jì)

鄭振華

（深圳市衛(wèi)國(guó)教育有限公司，廣東深圳518000）

針對(duì)硬質(zhì)合金刀片齒形加工中齒形角很難保證的問題，開發(fā)研制了一款硬質(zhì)合金刀片專用的數(shù)控開齒機(jī)，機(jī)床采用PLC專用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的數(shù)字化加工，不僅保證了齒形的加工精度，同時(shí)大大提高了生產(chǎn)率，提供生產(chǎn)使用效果較好。

硬質(zhì)合金刀片；數(shù)控；開齒機(jī)

硬質(zhì)合金是以高硬度難熔金屬的碳化物（WC、TiC）微米級(jí)粉末為主要成分，以鈷（Co）或鎳（Ni）、鉬（Mo）為粘結(jié)劑，在真空爐或氫氣還原爐中燒結(jié)而成的合金制品（俗稱鎢鋼材料）。用硬質(zhì)合金為材料制成的銑刀稱為硬質(zhì)合金圓片銑刀（如圖1），其具有硬度高、耐磨性好的特點(diǎn)，可以用來加工工業(yè)生產(chǎn)中難以用普通刀具加工的材料，如淬火鋼、復(fù)合材料等。近些年被廣泛應(yīng)用于電子制造、紡織、軍事工業(yè)等加工制造環(huán)節(jié)。由于硬質(zhì)合金制作材料的特殊性，硬質(zhì)合金圓片銑刀用通用銑削、滾齒等加工工藝難以制作，而必須用磨削加工工藝且大都是采用傳統(tǒng)通用磨削裝備結(jié)合夾治具人工手動(dòng)操作來完成。這樣生產(chǎn)過程中不僅制品加工精度完全依賴于操作員工積累的加工經(jīng)驗(yàn)和熟練程度，而且針對(duì)不同種類的產(chǎn)品要設(shè)計(jì)一套專用的夾治具造成生產(chǎn)成本高且生產(chǎn)效率低下。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖1 硬質(zhì)合金園銑刀圖例

為了解決這些問題，專門研究了數(shù)控開齒機(jī)。數(shù)控開齒機(jī)是硬質(zhì)合金圓片銑刀成品刀具自動(dòng)化生產(chǎn)專用關(guān)鍵數(shù)控裝備。它主要針對(duì)硬質(zhì)合金圓片銑刀加工中產(chǎn)品種類的變化而帶來的齒形齒數(shù)、外徑尺寸、齒部前角、齒部齒寬等參數(shù)的頻繁變化、實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品加工自動(dòng)化、智能化而設(shè)計(jì)的[1]。

1 設(shè)計(jì)要求

數(shù)控開齒機(jī)采用砂輪磨削工藝對(duì)硬質(zhì)合金圓銑刀齒部進(jìn)行磨削加工，設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)①根據(jù)產(chǎn)品齒數(shù)自動(dòng)分度加工；②根據(jù)產(chǎn)品外徑變化自動(dòng)調(diào)整砂輪高度；③根據(jù)產(chǎn)品齒數(shù)和外徑及前角大小自動(dòng)實(shí)現(xiàn)砂輪對(duì)工件軸線的前后距離的調(diào)整；④根據(jù)齒部深度自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多次進(jìn)刀磨削的進(jìn)刀量；⑤砂輪磨削工進(jìn)速度的數(shù)字化控制；⑥加工過程自動(dòng)化，操作人員僅完成上下料和首件的參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作。

2 設(shè)計(jì)思路

開齒加工由于精度要求高，產(chǎn)品齒形、前角、外徑變化大，給采用通用機(jī)床人工加工的方式帶來技術(shù)難題：產(chǎn)品一致性差、齒型容易碰缺、夾治具設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)加工成本高、人工操作一人一機(jī)、安全性不能保障，生產(chǎn)效率低，一直是整個(gè)加工工藝中亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

針對(duì)硬質(zhì)合金加工工藝難的特點(diǎn)，采用專用PLC精密控制、伺服驅(qū)動(dòng)、及符合國(guó)家安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的安全防護(hù)的電氣電路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套穩(wěn)定、高速的硬質(zhì)合金刀片專用數(shù)控開齒磨床，并投入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，從而解決目前我國(guó)硬質(zhì)合金刀片質(zhì)量不穩(wěn)定、磨制效率低下以及產(chǎn)量低下的問題。

3 新設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及優(yōu)點(diǎn)

開齒加工由于精度要求高，產(chǎn)品齒形及角度變化大，給采用通用機(jī)床人工加工的方式帶來技術(shù)難題。產(chǎn)品一致性差，齒型容易碰缺，人工操作安全性低，生產(chǎn)效率低的問題，一直是整個(gè)加工工藝中亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

針對(duì)硬質(zhì)合金加工工藝難的特點(diǎn)，采用專用PLC精密控制、伺服驅(qū)動(dòng)、及符合國(guó)家安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的安全防護(hù)的電氣電路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套穩(wěn)定、高速的硬質(zhì)合金刀片專用數(shù)控開齒磨床系統(tǒng)，并投入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，從而解決目前我國(guó)硬質(zhì)合金刀片質(zhì)量不穩(wěn)定、磨制效率低下和產(chǎn)量低下的問題[2]。設(shè)計(jì)的開齒機(jī)如圖2所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖2 開齒機(jī)加工原理及實(shí)物圖

數(shù)控開齒機(jī)由床身、床鞍、工作臺(tái)、立柱、磨頭部件、尾座部件、數(shù)控分度部件等幾部分組成；床鞍與工作臺(tái)在床身上裝配實(shí)現(xiàn)水平X、Y向的直線運(yùn)動(dòng)；磨頭部件沿立柱實(shí)現(xiàn)Z向直線運(yùn)動(dòng)；工作臺(tái)上安裝有數(shù)控分度部件。通過控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)軸的伺服電機(jī)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)件的自動(dòng)運(yùn)行。電氣箱安裝于床身上，為工作安全及環(huán)境需要工作臺(tái)上設(shè)計(jì)有封閉鈑金。

數(shù)控分度部件是實(shí)現(xiàn)整體硬質(zhì)合金園銑刀齒部齒形加工最為關(guān)鍵的核心精密部件，由數(shù)控分度頭、尾座頂尖以及底板三部分組成并固定在工作臺(tái)上；成型砂輪安裝于可以上下運(yùn)動(dòng)的磨頭上。

（1）數(shù)控開齒機(jī)采用封閉式鈑金結(jié)構(gòu)，操作空間大，便于員工安全操作；

（2）齒數(shù)分度部件進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用成對(duì)向心推力球軸承安裝結(jié)構(gòu)，增加分度的可靠性；

（3）采用精確分度算法和操作界面，員工操作方便、安全可靠。

4 加工原理及系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)

工件毛坯安裝于磨削芯軸上，一端以錐度定心方試安裝于數(shù)控分度頭的定心錐孔內(nèi)，另一端用頂尖定位夾緊。工作臺(tái)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)左右往返運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的樹脂金剛石砂輪對(duì)整體硬質(zhì)合金圓銑刀齒部的磨削加工（見圖3、圖4、圖5）。產(chǎn)品齒形角度γ由樹脂金剛石成型砂輪的角度保證；工件的刃口前角a通過改變成型砂輪端面與工件中心線的距離L來實(shí)現(xiàn)。

圖3 工件齒形角Y及前角a

圖4 前角形成示意圖

圖5 結(jié)構(gòu)示意圖

分度頭由伺服電機(jī)、減速器、分度箱體、軸承座、錐度套筒、彈性聯(lián)軸器等組成，通過伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)錐度套筒的回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)。分度的精度是保證產(chǎn)品齒部精度的前提條件。分度頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分度算法最為關(guān)鍵（見圖6）。

圖6 數(shù)控開齒機(jī)的操作界面圖

5 設(shè)備開發(fā)意義

數(shù)控開齒機(jī)采用精密分度算法，增加了分度的準(zhǔn)確性，錐度芯軸定位安裝方式，一次加工可裝夾多片，使刀片受力均勻，不但解決了整體硬質(zhì)合金圓銑刀質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，而且極大地提高了生產(chǎn)效率[3]。如圖7所示。

圖7 數(shù)控開齒機(jī)加工硬質(zhì)合金園銑刀的效果圖

6 結(jié)論

數(shù)控開齒機(jī)的研發(fā)并生產(chǎn)使用，不僅解決了硬質(zhì)合金園銑刀齒部加工難的難題，而且開齒加工后的工件齒形及齒部的精度高，且使加工生產(chǎn)率大大地得到提高，實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作，降低人工成本，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和持續(xù)發(fā)展的意義。

[1]王建宏.齒輪先進(jìn)制造技術(shù)專題[J].金屬加工（熱加工），2011（17）：15-16.

[2]張鳳林，李洪，于慶哲，曹汝金.數(shù)控開齒機(jī)研制[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1993（07）：22-23.

[3]連喜軍，曹金紅..汽車開關(guān)鑰匙在數(shù)控開齒機(jī)上的加工[J].客車技術(shù)，2005（04）：32-3.

Design of CNC Cutting Machine for Cemented Carbide Inserts

ZHENG Zhen-hua
（Shenzhen City Patriotic Education Limited，Shenzhen Guangdong 518000，China）

For processing hard alloy blade tooth profile tooth angle is very difficult to guarantee the problem，developed a special carbide blade NC gulleting machine tool with the special control system，programmable controller PLC to realize digital processing based on products，not only to ensure the machining accuracy of tooth profile，and greatly improve productivity provide production，better use effect.

cemented carbide blade；numerical control；gear shaper

TG659

A

1672-545X（2017）02-0055-03

2016-11-11

鄭振華（1970-），男，河南湯陰縣人，本科，工程師，主要從事機(jī)床設(shè)計(jì)及新產(chǎn)品開發(fā)。