双轴精镗孔机床的设计制造

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摩托车、微型车活塞销孔的加工要求圆柱度≤3µm，粗糙度Ra≤0.4µm。如此高的要求，需要高精度的加工设备保证。20世纪8 年代末，在国内定制适用的专用设备价格昂贵。在投资不大的前提下，我公司技术人员自行研制了精密液压主轴，利用C616车床床身组装精镗孔机床专机，基本解决了摩托车、微型车活塞销孔加工的难题，但仍存在以下不足:(1)自制液压镗头主轴转速≤2000r/min，切削速度较低、加工效率无法提高。(2)加工表面粗糙度难于达到要求，精镗加工后需对销孔滚压。(3)液压系统维护工作量较大。为进一步改善以上状况，我公司组织了课题组进行攻关。
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1.主轴电动机 2.镗杆 3.压紧油缸 4.镗杆 5.销孔定位杆 6.销孔定位油缸 7.纵向伺服电动机 8.床身 9.支撑杆 10.减振垫 11.后主轴 12.前主轴 图1

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1 双轴精镗孔机床的设计

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1. 机械部分设计(图1) : V- l" P9 x1 X/ e# l1 A
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   1. 金刚石刀具适合用于高速加工有色金属及其合金。精镗销孔工序我们采用聚晶金刚石刀具，部分刀具供应商推荐的聚晶金刚石刀具加工铝合金的切削参数如右表。
      摩托车、微型车活塞的销孔较小，以Ø16mm 直径的销孔为例，在主轴转速2000r/min 时，其切削速度仅为 v=npd=100.48m/min
      此切削速度与上表所推荐的相比明显偏低。 " @7 o: b. F- _1 U
      切削加工时，已加工表面的粗糙度主要决定于残留面积高度的几何因素和切削过程的不稳定因素。在使用聚晶金刚石刀具加工铝合金时不产生积屑瘤，由于切削速度的提高，影响粗糙度的切削过程的不稳定因素主要是切削力的增大和镗杆的振动。在一定的转速范围内，通过采用硬质合金镗杆、提高镗杆的刚性：严格控制镗杆的加工质量，减小镗杆的不平衡和调整刀具角度等措施，可以使这些不利因素的影响减至很小。 2 p( j% j. X, M0 H* V$ \1 Q2 W6 h% Z- @5 i G$ Q$ _

      Ra∝H≈	f2
      	8r

      式中：H——切削残留面积高度，mm
      f——进给速度，mm/r 3 z, g) M, c, Q
      r——刀尖圆弧半径，mm
      根据以上公式，在保持进给速度、切削深度、刀尖圆弧半径不变的前提下，提高切削速度不会使粗糙度变差。相反由于切削速度的提高，达到最佳切削速度，同时适当调整进给速度f，反而会使加工表面粗糙度值减小。(主轴低速旋转时，进给速度太低容易引起导轨爬行。)提高切削速度是提高加工效率的有效手段之一。 . X) H5 E" O1 ~2 k
      为保证机床的性能，我们进口了转速高达8000r/min的精密主轴。
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   2. 使用双主轴同时加工两只活塞，使机床加工效率提高一倍。
   3. 取消原来的手动压紧装置，使用油缸压紧，减少辅助时间、减少人为因素的影响，使压紧力保持一致从而提高销孔圆度的一致性。
   4. 原有C616车床床身较高而且窄，振动较大。重新设计制作宽体高刚性床身，降低机床重心，减小机床振动。
   5. 采用贴塑导轨，减小滑动导轨副的摩擦。 * z! C6 a+ i) ?! _9 e0 b4 j
   6. 纵向采用THK 高精度滚珠丝杠传动，提高运动平稳性。
   7. 采用自动间歇润滑装置，保证各部位充分润滑。
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2. 电气部分设计
   1. 主轴由变频电动机驱动，变频器无级调速，使切削参数的调整更方便，实现主轴的软启动。 ( r! e7 K8 r* B2 y. q
   2. FANUC 数控系统替代原简易数控，提高控制精度和可靠性，减少故障停机。 - g" O4 X! e7 m' ]8 ?
   3. 纵向采用伺服电动机驱动替代原有反应式步进电动机，使运动更平稳。
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      1.压紧油缸1 2、4、6.调速阀 3.压紧油缸2 5.销孔定位油缸 7、8、9.电磁换向阀 10.单向阀 11.压力表 12.电动机 13.油泵 14.溢流阀 图2

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   4. 控制主轴准停，避免退刀时对已加工面划伤。
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3. 液压部分设计(图2) 2 s! Z. G% V/ ]. g
   液压系统主要用于控制活塞定位杆的伸缩和工件压紧。为方便调整，用两个油缸分别压紧两个工件，实现独立控制。

2 加工水平

自制的双轴镗床投入生产后，通过考核，主要加工水平如下:

1. 正常加工主轴转速在6000r/min 左右(通过工装调整、选择合适的刀具和加工参数，转速可以进一步提高)：
2. 加工销孔圆度≤1.5µm，母线直线度≤1.5µm： . H+ S1 r: ~9 N2 X' D2 K4 L
3. 性能稳定，按工艺图考核Cp>1.33：
4. 加工表面粗糙度明显改善:Ra≤0.4µm：
5. 加工效率明显提高，1台双轴镗床可替代3台旧的液压镗床。
6. 机床主要性能指标达到同类进口机床水平。

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3 经济效果

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1. 原一条生产线需配备3台液压镗床，现在只需1台双轴镗床，同时可免去滚压工序，每条生产线可减少操作人员3名。
2. 产品质量稳定性明显提高，减少了加工废品损失。 ! L+ w+ X6 K$ f$ O
3. 近两年来，我们成功地组织自制了10余台双轴镗床，使原有液压镗床基本被替换，使产品质量上了一个新台阶，节约资金一千多万元人民币，取得了很好的经济和社会效益。

【MechNet】

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