硬质合金刀片数控开齿机设计

郑振华

硬质合金刀片数控开齿机设计

郑振华

（深圳市卫国教育有限公司，广东深圳518000）

针对硬质合金刀片齿形加工中齿形角很难保证的问题，开发研制了一款硬质合金刀片专用的数控开齿机，机床采用PLC专用控制系统实现对产品的数字化加工，不仅保证了齿形的加工精度，同时大大提高了生产率，提供生产使用效果较好。

硬质合金刀片；数控；开齿机

硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC）微米级粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的合金制品（俗称钨钢材料）。用硬质合金为材料制成的铣刀称为硬质合金圆片铣刀（如图1），其具有硬度高、耐磨性好的特点，可以用来加工工业生产中难以用普通刀具加工的材料，如淬火钢、复合材料等。近些年被广泛应用于电子制造、纺织、军事工业等加工制造环节。由于硬质合金制作材料的特殊性，硬质合金圆片铣刀用通用铣削、滚齿等加工工艺难以制作，而必须用磨削加工工艺且大都是采用传统通用磨削装备结合夹治具人工手动操作来完成。这样生产过程中不仅制品加工精度完全依赖于操作员工积累的加工经验和熟练程度，而且针对不同种类的产品要设计一套专用的夹治具造成生产成本高且生产效率低下。

（续下图）

（续上图）

图1 硬质合金园铣刀图例

为了解决这些问题，专门研究了数控开齿机。数控开齿机是硬质合金圆片铣刀成品刀具自动化生产专用关键数控装备。它主要针对硬质合金圆片铣刀加工中产品种类的变化而带来的齿形齿数、外径尺寸、齿部前角、齿部齿宽等参数的频繁变化、实现对产品加工自动化、智能化而设计的[1]。

1 设计要求

数控开齿机采用砂轮磨削工艺对硬质合金圆铣刀齿部进行磨削加工，设计要求实现①根据产品齿数自动分度加工；②根据产品外径变化自动调整砂轮高度；③根据产品齿数和外径及前角大小自动实现砂轮对工件轴线的前后距离的调整；④根据齿部深度自动实现多次进刀磨削的进刀量；⑤砂轮磨削工进速度的数字化控制；⑥加工过程自动化，操作人员仅完成上下料和首件的参数调整，实现一人多机操作。

2 设计思路

开齿加工由于精度要求高，产品齿形、前角、外径变化大，给采用通用机床人工加工的方式带来技术难题：产品一致性差、齿型容易碰缺、夹治具设计周期长加工成本高、人工操作一人一机、安全性不能保障，生产效率低，一直是整个加工工艺中亟待解决的重点和难点。

针对硬质合金加工工艺难的特点，采用专用PLC精密控制、伺服驱动、及符合国家安规标准的安全防护的电气电路系统，设计开发了一套稳定、高速的硬质合金刀片专用数控开齿磨床，并投入产业化生产，从而解决目前我国硬质合金刀片质量不稳定、磨制效率低下以及产量低下的问题。

3 新设备结构简图及优点

开齿加工由于精度要求高，产品齿形及角度变化大，给采用通用机床人工加工的方式带来技术难题。产品一致性差，齿型容易碰缺，人工操作安全性低，生产效率低的问题，一直是整个加工工艺中亟待解决的重点和难点。

针对硬质合金加工工艺难的特点，采用专用PLC精密控制、伺服驱动、及符合国家安规标准的安全防护的电气电路系统，设计开发了一套稳定、高速的硬质合金刀片专用数控开齿磨床系统，并投入产业化生产，从而解决目前我国硬质合金刀片质量不稳定、磨制效率低下和产量低下的问题[2]。设计的开齿机如图2所示。

（续下图）

（续上图）

图2 开齿机加工原理及实物图

数控开齿机由床身、床鞍、工作台、立柱、磨头部件、尾座部件、数控分度部件等几部分组成；床鞍与工作台在床身上装配实现水平X、Y向的直线运动；磨头部件沿立柱实现Z向直线运动；工作台上安装有数控分度部件。通过控制系统对运动轴的伺服电机数字化驱动实现各运动件的自动运行。电气箱安装于床身上，为工作安全及环境需要工作台上设计有封闭钣金。

数控分度部件是实现整体硬质合金园铣刀齿部齿形加工最为关键的核心精密部件，由数控分度头、尾座顶尖以及底板三部分组成并固定在工作台上；成型砂轮安装于可以上下运动的磨头上。

（1）数控开齿机采用封闭式钣金结构，操作空间大，便于员工安全操作；

（2）齿数分度部件进行了机械结构优化设计，采用成对向心推力球轴承安装结构，增加分度的可靠性；

（3）采用精确分度算法和操作界面，员工操作方便、安全可靠。

4 加工原理及系统操作界面设计

工件毛坯安装于磨削芯轴上，一端以锥度定心方试安装于数控分度头的定心锥孔内，另一端用顶尖定位夹紧。工作台由伺服电机驱动实现左右往返运动；驱动工作台左右运动实现高速运转的树脂金刚石砂轮对整体硬质合金圆铣刀齿部的磨削加工（见图3、图4、图5）。产品齿形角度γ由树脂金刚石成型砂轮的角度保证；工件的刃口前角a通过改变成型砂轮端面与工件中心线的距离L来实现。

图3 工件齿形角Y及前角a

图4 前角形成示意图

图5 结构示意图

分度头由伺服电机、减速器、分度箱体、轴承座、锥度套筒、弹性联轴器等组成，通过伺服驱动实现对锥度套筒的回转分度运动。分度的精度是保证产品齿部精度的前提条件。分度头的优化设计与分度算法最为关键（见图6）。

图6 数控开齿机的操作界面图

5 设备开发意义

数控开齿机采用精密分度算法，增加了分度的准确性，锥度芯轴定位安装方式，一次加工可装夹多片，使刀片受力均匀，不但解决了整体硬质合金圆铣刀质量不稳定的问题，而且极大地提高了生产效率[3]。如图7所示。

图7 数控开齿机加工硬质合金园铣刀的效果图

6 结论

数控开齿机的研发并生产使用，不仅解决了硬质合金园铣刀齿部加工难的难题，而且开齿加工后的工件齿形及齿部的精度高，且使加工生产率大大地得到提高，实现一人多机操作，降低人工成本，具有较大的经济价值和持续发展的意义。

[1]王建宏.齿轮先进制造技术专题[J].金属加工（热加工），2011（17）：15-16.

[2]张凤林，李洪，于庆哲，曹汝金.数控开齿机研制[J].制造技术与机床，1993（07）：22-23.

[3]连喜军，曹金红..汽车开关钥匙在数控开齿机上的加工[J].客车技术，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

郑振华（1970-），男，河南汤阴县人，本科，工程师，主要从事机床设计及新产品开发。