数控曲轴高速外铣机床的设计
2017-05-25王飞
王 飞
(大连机床(数控)股份有限公司,辽宁 大连 116620)
数控曲轴高速外铣机床的设计
王 飞
(大连机床(数控)股份有限公司,辽宁 大连 116620)
文章讨论了一种新型数控曲轴高速外铣机床的总体方案及结构布局,介绍了机床高刚度的结构设计、曲轴加工专用附件的设计、适应曲轴生产线要求的设计等几个方面。制造和使用结果表明,该机床的性能参数达到了协议要求和设计指标。
外铣机床;附件设计;曲轴生产线
0 引言
曲轴是发动机中的最重要的零件之一,提高和改进曲轴的加工水平是发动机制造业不断发展的迫切需要。
数控曲轴铣削机床以德国、美国设备为代表,经历了以下几代产品的更新:
第一代内铣,缺点是刀具寿命低更换频繁、排屑问题影响加工精度、整机经常调校。
第二代普通外铣,传统机床增加外铣功能,缺点是占地面积大、高柔性但操作调整不便。
第三代高速外铣,曲轴种类规格适应性强、加工精度高、高智能化和高可靠性。
数控曲轴铣削机床的设计具有前瞻性,不仅可提高企业生产效率,还可达到国家振兴装备制造业的战略目的。但由于设计、工艺、制造等环节存在诸多科技因素,目前国内鲜有企业涉足此类专用机床的研发和生产。
下面以大连机床生产的EFM系列高速外铣设备为例,介绍机床的设计重点。
1 机床整体方案设计
EFM系列曲轴外铣床是大连机床集团精心研制的具有国际先进水平的曲轴加工随动高速铣床,是曲轴半精加工的核心装备。主机结构经过专门设计,属于高效专用机床,满足自动化生产的需要。通过两轴(C轴和X轴)插补实现铣削切点随动,在高速、高精度、大直径刀盘铣削下,高效率完成曲轴主轴颈、连杆颈和平衡臂侧面的半精加工。该机床即可单机使用,也可配合其它曲轴加工设备及桁架机械手组成曲轴生产线。
机床由双刀盘、双主轴、自动中心架、托料架、全防护、除尘装置、排屑装置、气动、润滑、液压等组成,采用西门子数控系统和交流伺服驱动及PLC控制器,通过专用软件自动生成曲轴切削程序。
主机结构如图1所示。
图1 主机结构
各坐标轴定义如下:
W1轴、W2轴:主轴箱移动
W3轴:中心架移动
X轴:刀盘径向进给
Z轴:刀盘侧向移动
C轴:主轴旋转
S轴:刀盘旋转
2 关键技术
2.1 高刚度的结构设计
针对外铣工艺的特殊要求,全新优化主要铸件的结构型式,有针对性的增加床身、床鞍、主轴箱等部件的刚性;机床采用焊接床身填注合成材料,床鞍移动的导轨采用镶钢导轨,具有较大的承载截面,良好的刚性和吸震性,可保证高强度切削加工;整台机床的所有部件进行三维设计,有利于干涉检查和优化零部件的装配关系,而且对主要零件和机构进行有限元分析,进一步提高刚性,并验证切削受力时主要零部件的安全系数。
铣头主轴前后端采用美国进口精密高速圆锥滚子轴承组,由大速比无间隙蜗轮副和伺服电机拖动,同时满足高速切削、高精度切削和强力切削的要求。减速箱加强力恒温稀油润滑,同时,施加合理的轴向预载荷,确保主轴前端轴承无隙转动,大大提高主轴前端的旋转精度,配合最佳的跨距支撑以及箱式主轴箱,使主轴具有高刚性和高速运转能力。
曲轴的主轴颈和连杆颈的铣削加工是靠曲轴的低速转动和铣头的摆动插补完成的。特殊的机构使得曲轴在切削过程中,铣头刀架没有直线移动,仅有铣头的无间隙摆动,其它导轨自动液压可靠锁紧,因此,切削过程中刀架无间隙,可大大减少机床振动,有效提高刀具寿命
2.2 高效、自动的曲轴加工专用附件设计
机床的各个附件经过专用化设计,并合理布局(图2),使机床最大限度的提高精度和效率。
图2 附件布置图
配有特殊定制的由德国罗姆公司生产的卡盘,浮动顶尖与高刚度定心卡爪高度集成在一起,安装在主轴的前端,在程序的控制下,自动可靠地夹紧曲轴。并能够在换产时,根据不同曲轴的装夹要求,可方便交换卡爪和顶尖。
可编程驱动、自动定心、滚轮式液压中心架,可夹紧曲轴中间段的任意精车过的主轴颈,辅助支撑曲轴,增加切削时曲轴的刚性。
托料架可手动调整伸出量和高度,方便上下曲轴,满足不同曲轴的支撑要求。
铣刀盘的外圆上可装多个刀片,因而刀具使用周期长;刀具采用模块化设计,可在不拆卸刀盘的情况下实现快速换刀;刀盘采用标准化设计,可在原有刀盘正常使用的情况下,提前调整好替换刀盘,节约停机换刀盘的时间。
2.3 适应曲轴生产线要求的设计
通常设计的上线机床采用高寿命外购件、超高刚性主机设计,达到稳定性和免维护的效果,很难达到柔性化生产。随着大量新技术的应用,现在机床的设计更注重信息的反馈和自动处理、油水屑等细节问题的处理。
机床Z轴采用THK大导程、高刚性滚珠丝杠和淬硬贴塑镶钢导轨,由光栅尺组成位置闭环。
机床X轴采用SKF的行星滚柱丝杠和编码器组成半闭环控制,具有载荷大,传动效率高,精度保持性好,使机床刀架移动和摆动快速稳定,定位精度高。
机床的自动集中润滑系统,可保证持续有效的导轨及滚珠丝杠润滑。主轴轴承采用独立的带流量监控装置的润滑系统,确保每个润滑点定量恒温并有流量监控的自动润滑。
机床采用全封闭的防护,避免了铁屑的外泄,为操作者提供安全舒适的工作环境,防护门上面有配合机械手自动上下料的小自动门。为自动线优化防护结构,尽量增加防护窗口和防护门,简化维护、维修时的防护拆装。
机床带有自动空气吹屑功能。独立的高效排屑和除尘系统,为曲轴的大批量连续铣削加工提供自动排屑和除尘。
机床自动采集加工数据,显示联机运行状态、单机运行状态、故障停机状态;故障停机的各种信息;生产产量、废品数量、电能消耗、气量消耗;停机耗时、刀具更换耗时。满足生产线自动化、智能化生产的需要。
3 结束语
EFM系列高速曲轴外铣设备特别适合于轿车曲轴的自动化加工,该设备采用的一些技术在国内尚属空白,在国际上也属前沿。目前已经有部分机床交付曲轴生产厂商,现场使用效果良好。通过数控曲轴高速外铣机床的自主设计和开发,不但满足企业曲轴加工生产线的使用,还可达到国家振兴装备制造业的战略目的。
[1] 王爱玲. 现代数控机床结构与设计[M]. 北京:兵器工业出版社,1999.
[2] 夏田.数控加工中心设计[M]. 北京:化学工业出版社,2006.
[3] 张丽,李玉涛. 应用数控加工技术提高曲轴轴颈的粗加工精度[J]. 锻压装备与制造技术,2015,50(2):102-103.
[4] 易逢春. 英格索尔助您解决曲轴加工的各种难题[J].金属加工(冷加工),2014(1):54.
(编辑 李秀敏)
Design for CNC Crankshaft High-speed External Cutter Fulcrum Milling Machine
WANG Fei
(Dalian Machine Tool(CNC)Corp.,Dalian Liaoning 116620,China)
This thesis introduces the master design and configuration of a new type CNC external cutter fulcrum milling machine, introduce the design of the high-rigidity structure, include the design of the crankshaft milling machine tool accessories, the design of the adapted to the crankshaft machining line requirement.the result of manufacture and operation proves that the performance parameter of this milling machine can achive project requirements and design indexes.
external cutter fulcrum milling machine; accessories design; crankshaft machining line
1001-2265(2017)05-0137-02
10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.036
2016-12-12;
2017-01-03
王飞(1983—),男,蒙古族,内蒙古乌兰浩特人,大连机床(数控)股份有限公司工程师,研究方向为数控机床的研发设计,(E-mail)wangfei.mail@163.com 。
TH122;TG659
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