李浩權

（廣東省機械技師學院,廣東 廣州 510000）

引言

形狀類似于螺旋線的平衡軸承封閉槽,繞圓柱表面作螺旋線環(huán)繞,最終形成一頭尾相接的軌跡這一主要特點。該平衡軸承的油腔就是T 型封閉型油槽相當于軸承的油腔,采用外部供油系統(tǒng)供給壓力油,在節(jié)流器作用下進入軸承的油腔,軸頸在具有足夠壓力的潤滑油膜的作用下浮起,使軸頸在完全液體磨擦的狀態(tài)下正常運轉任何轉速和預定載荷。用普通機床很難有效加工此類特殊形狀效為的零件,如果采用專用機床,一次改造的周期較長且增加了改造的費用,加工成本較高。綜上所述,通過不同加工方法進行反復的切削驗證,最終找到的加工方法既經(jīng)濟又可靠,下面的例子就是介紹平衡軸承封閉槽在GSK980TDc 系統(tǒng)的經(jīng)濟型數(shù)控車床上加工的工藝方法。

1 零件工藝分析

以鑄造青銅ZQSn6-6-3 為材料的工件,并車削到位工件的其它外輪廓尺寸,現(xiàn)只需按圖紙要求,把T型封閉型槽分別加工在外圓及內(nèi)孔處,工件形狀和尺寸見圖1、圖2。

圖1 平衡軸承前視圖

圖2 平衡軸承后視圖

1.1 確定加工方法

該平衡軸承的封閉槽是由兩段等長繞圓柱表面旋轉10 周后相連首尾準確、平滑地連接在一起的螺旋線軌跡。粗車和精車的軌跡要保持一致、同步,所以必須用工件表面上的同一點定位為粗、精車軌跡的進刀點,選擇最佳的加工方式就是G32 指令螺紋插補,因數(shù)控機床的編碼器安裝在主軸上,當切削螺紋時,編碼器反饋給系統(tǒng)主軸旋轉信號才開始加工螺紋,因此只要主軸轉速不改變,就能使同一個點成為粗、精車起刀點,也能達到統(tǒng)一粗、精車軌跡的要求。在不檢測其軌跡加工起點情況下用直線插補進行加工,就保證不了首尾平滑連結點統(tǒng)一,更保證不了粗、精車的進刀點完全統(tǒng)一[1]。

1.2 G32 指令的功能說明

等螺距螺紋切削指令G32,是加工螺距螺紋也就是把螺距的螺旋槽加工在工件表面,其刀具從起點至終點的運動是一條直線軌跡,長軸就是從起點到終點較大位移量的軸,短軸就是另一坐標軸,在長軸與短軸作直線插補運動過程中長軸移動一個導程和主軸轉一周必須匹配[2]。

1.3 螺紋的分度原理

螺紋的分度原理是建立在螺旋線原理上的,當工件旋轉一周的同時,螺旋線所經(jīng)過的直線位移即為一個導程的距離,也即是說當工件每轉過周的時候,螺旋線的直線位移將等于相應螺紋導程的,導程一般以F 表示,所以該位移為mm。如：工件從0°轉到90°的同時,其螺旋線經(jīng)過的直線位移等于mm。因此,通過計算工件各螺紋段螺旋線的角位移,即可準確算出各螺紋段螺旋線相應的直線位移,也即在螺紋插補過程中,刀具所移動的直線距離。

2 加工工藝確定

2.1 工步的劃分和刀具的選擇及安裝

該封閉槽的形狀類似于T 字型,由于其是封閉型槽,且槽寬較窄,如果采用一把成型刀具,由于其特殊性造成其剛性及切削性能較差,很難對其進行有效的加工。故將其劃分為3 個工步來完成整個T 型封閉槽的加工。

工步1：先加工封閉槽的矩形部分,刀具類似于矩形切槽刀。

工步2：加工封閉槽T 型的左側部分,刀具類似于端面鉤槽刀。

工步3：加工封閉槽T 型的右側部分,刀具類似工步2 的端面鉤槽刀。

刀具材料直接對加工質量、效率有影響。該工件以鑄造青銅ZQSn6-6-3 為材料,且采用連續(xù)螺紋的加工方式,考慮到其對連續(xù)切削的性能要求較高,故工步1 采用的矩形槽刀選用京瓷KGH 型切槽刀刀把,刀片材料為KW10（為超硬合金）,但為避免副后角干涉到封閉槽側面的實際需要,螺旋升角決定了副后角的角度（本例所取角度為17°）。工步2 和工步3 由于其刀具較為特殊,沒有現(xiàn)成的刀具,最終選用京瓷KW10 超硬合金棒進行設計制作。

刀具在刀架上的懸長盡可能縮短,以強化刀具剛性。刀具刀尖安裝過高時,當吃刀量達到一定深度時,工件與車刀主后刀面會產(chǎn)生干涉,使摩擦力增大,進而出現(xiàn)啃刀；過低時不易排出切削,同樣也會有啃刀現(xiàn)象,所以應嚴格控制與軸線等高。

2.2 確定刀具路徑

（1） 確定對刀點,本案例用的是前刀架機床,外圓矩形切槽刀用左刀尖進行對刀,Z0. 設在工件右端面,設工件外圓直徑為X80.。

（2） 確定換刀點,考慮換刀時保證安全、不碰撞到尾座和工件,同時能盡量縮短空刀路徑,把工作效率提高,本例換刀點坐標點定為X130.,Z0.。

（3） 加工路徑的選擇。工步1 選擇加工路徑：

確定加工起刀點,本例將在離工件表面0.05 的位置定位X 向起刀點,位置X80.1、Z-10.5 為刀尖的坐標。

加工刀具路徑的確定,該槽型可視為兩段矩形螺旋槽形成的封閉槽,一段為右旋螺紋,另一段為左旋螺紋,且較深,所以采用連續(xù)切削（連續(xù)螺紋的方法）進刀路徑為佳,即工件完成一個切削過程要連續(xù)旋轉10 周,其中一段用錐螺紋方式切削的螺旋槽,主要用于徑向進刀,每次0.15 mm 單邊的進刀量,另一段用直線螺紋方式切削,用于軸向切削,此動作循環(huán)連續(xù),起刀點從A 連續(xù)切削至A1、A2、A3、直到An點,即達到圖紙槽深的要求,重復進刀和重復退刀沒出現(xiàn)在整個切削軌跡中,從而把加工效率提高。加工軌見圖3。

圖3 矩形封閉槽加工路徑

工步2 加工路徑的選擇：

整個T 型槽的加工難點在于加工左、右側凹槽部分,由于加工左、右側凹槽部分的路徑基本同理,故以下主要對加工左側凹槽部分進行描述。從圖形上來分析,可以將其看成是在工步1 加工的矩形槽的基礎上對槽寬進行加寬,但由于該槽是封閉槽型,進刀和退刀的軌跡在工件上不能體現(xiàn)出來,故不能像常規(guī)加工螺紋那樣采用偏移螺紋的定位起刀點來改變螺紋槽寬的方式。

綜合以上情況對加工路徑進行分析：要在工步1的基礎上對槽寬進行加寬,首先要保證左、右側凹槽部分的加工軌跡與其軌跡嚴格保持一致,也就是說起刀點與工步1 保持一致的起刀點。本例把離工件表面0.05 的位置定為X 向起刀點,設位置X80.1、Z-10.4為刀尖坐標, 見圖4（B 點）。確定了起刀點后,下一步是對進刀方式進行分析,由于加工軌跡必須同工步1保持一致,所以進刀方式采用錐螺紋的方法,將刀尖定位到工步1 已加工矩形槽的底徑,但必須注意的是,錐螺紋的軌跡與主軸軸線的夾角必須≤45°才能保證加工軌跡同工步1 保持一致,因為根據(jù)G32 指令的處理規(guī)定,長軸是從起點到終點較大位移量的軸為,短軸是另一坐標軸,運動時長軸移動一個導程需要主軸轉一周匹配。所以當夾角不能滿足≤45°的條件時,相當于Z 軸不是長軸（即其速度不是按F16 乘以主軸轉速的速度運行）,那將面臨著亂扣的危險。

圖4 加工左側凹槽起刀點

T 型封閉槽左側凹槽加工的分析：前面已提到過,其猶如對矩形槽寬進行加寬,但由于該槽為封閉槽型,故無法對起刀點進行偏移來解決槽寬的問題。經(jīng)過以上的分析及反復的驗證,最終確定可以采用如下方式解決此問題,可以采用連續(xù)螺紋的方式加上變螺距的方法改變?nèi)我饴菁y段的加工起點,從而滿足左側凹槽進行加工的要求。右旋螺紋段進行變螺距的處理,左旋螺紋段不對導程做任何的改變,不斷重復此循環(huán)即可對T 型凹槽的左側部分進行有效的加工。

退刀方式的分析：當T 型凹槽的左側部分加工到要求的寬度時,將面臨的是如何退刀的問題,因為此時的刀具正處于槽底的位置,不可能以直線退刀,本例中采用變螺距退刀的方式,但同樣必須保證其軌跡與原有螺旋線的軌跡一致,或者被包絡。

3 加工設備的選擇

矩形切槽刀較差的切削性能是考慮要素,刀具使用壽命在過高的主軸轉速時急劇下降。低速（主軸轉速為40 rpm/min）加工是較好選擇。變頻主軸低速運轉輸出的轉矩較小,在加工的過程中容易出現(xiàn)不夠切削力甚至悶車。故而本例使用主軸為機械式掛檔的機床（沈陽CAK6150Nj 型號）[3]。

4 數(shù)控系統(tǒng)相關參數(shù)的調(diào)整

由于該封閉槽的首尾必須平滑的連接在一起,所以必須對其相關參數(shù)進行相應的調(diào)整。狀態(tài)參數(shù)№007 的BIT3（SMZ）位為運動指令在程序段與程序段之間是否平滑過渡。當該參數(shù)設為1 時,過渡點處理不平滑,在相鄰切削軌跡的交點處,進給速度要與加、減速的起始速度一致,然后再加速至相鄰程序段的代碼速度,這樣會使段與段之間出現(xiàn)銜接的痕跡,同時加工效率也降低；設為0 時,相鄰的切削軌跡過渡時直接進行平滑加減速的方式,進給速度在前一條軌跡結束時不需要降到起始速度,在軌跡的交點處采用弧形過渡,這樣過渡方式的軌跡,提高表面光潔度、加工效率。本例該參數(shù)選擇0。

反向間隙補償和補償方式,由于該零件的加工軌跡存在反向運動,因此必須對絲桿反向間隙進行準確的補償,方可提高反向運動的精度?？赏ㄟ^千分表進行校驗得知反向間隙X、Z 軸補償量,間隙值測出后分別設定在CNC 數(shù)據(jù)參數(shù)№034（BKLX）、№035（BKLZ）中(X 軸的間隙值應乘以2 以后輸入到№034 中)。反向間隙補償?shù)姆绞讲捎妹}沖頻率輸出的方式,在狀態(tài)參數(shù)№011 的BIT7（BDEC）位中選擇。其補償?shù)念l率在狀態(tài)參數(shù)№010 的BIT3～0（CPF4～CPF1）,根據(jù)經(jīng)驗和反復的驗證,最終得出一個比較適用的值,本例中該參數(shù)設為0111。從驗證的結果來看,在反向的過程中機床不產(chǎn)生沖擊的情況下該參數(shù)的設定值盡可能取大些,太小會使反向起始段軌跡變形[4]。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)№026、№028 分別定義：時間常數(shù)為螺紋切削中X 軸的指數(shù)加減速和指數(shù)加減速的起始/終止速度,本案例設定值50、300,該參數(shù)調(diào)整根據(jù)：驅動器、電機特性、機床負載等因素。在驅動器正常、電機正常及機床運動無明顯沖擊時,可以調(diào)整加減速,適當?shù)販p小加減速時間常數(shù)、提高加減速的起始/終止速度,以提高加工效率。過小的加減速時間常數(shù)設置、過高的加減速的起始/終止速度設置,增加驅動器引發(fā)報警、電機出現(xiàn)失步或機床產(chǎn)生振動的概率[5]。

5 加工程序的編制及簡要說明

6 結論

通過應用本研究介紹的加工方法對平衡軸承T型封閉槽試切加工小批量產(chǎn)品效果良好,能夠達到生產(chǎn)需要的效率和質量。實踐證明了數(shù)控系統(tǒng)的應用范圍和使用效果,也是要靈活應用才能更有效解決生產(chǎn)中存在的技術難題,同時創(chuàng)造一定社會經(jīng)濟效益。