油槽铣床改造及分析

■ 湖北三环汽车方向机有限公司 （湖北咸宁 437000） 戴 雄 龚文清

如图1所示，汽车转向器的输入轴上分布着多条油槽，而油槽的加工精度直接影响着转向器的使用灵敏性。一般油槽加工采用普通分度头手摇分度，在立铣上将油槽一条一条铣削出来，其加工效率低，分度精度差。为满足高效率和高精度的要求，必须专门设计数控油槽铣床，而定制一台数控油槽铣用专机要近百万元，我们将一台旧工具铣床改造成了通用油槽铣床，成本只需要3万元左右，满足了高效率、低成本、高质量、通用性强的生产需求。

图1 转向器输入轴

1. 油槽铣床改造方案

油槽加工类似于普通键槽加工，主要采用铣削方式，通用设备为立铣或卧铣，也可在加工中心上加工，但采用加工中心加工成本高，不适用于批量生产。立铣和卧铣由于在主轴进给方向没有滑轨，改造时无法实现自动进给。而万能工具铣床X8126其主轴进给方向带有滑轨，通过改造可实现自动进给，工作台面宽度270mm，长度700mm， X轴方向能自动控制，长度在300mm以下的油槽都能加工。因此，通过对比我们选定在万能工具铣床X8126上进行改造。油槽铣床改造后结构示意如图2所示。

床身部分X8126采用淘汰旧机床。由于机身为全铸造结构，时效好，整机刚性较好，其投入成本低，二手市场上采购价格在8 000左右。改造时，将主轴进给方向滑轨加装Y轴液压缸5，通过设计制作液压站6并通过控制系统8、Y轴行程开关4就能实现自动进给。同时，在工作台上加装第四轴自动夹紧分度系统来实现输入轴9的精确分度，其包括X轴行程开关1、伺服分度头2、伺服电动机3、第四轴液压缸7、控制系统8等部分。

图2 油槽铣床结构示意

2. 第四轴自动夹紧分度系统设计

（1）第四轴自动分度系统的选择 第四轴也就是旋转轴，针对动力转向器零件输入轴油槽的加工，其难点在于分度精度要求较高，输入轴油槽分度精度一般为±10′。而加工深度一般为自由公差，并不是很高。因此，我们在X8126工作台上选用了FK15125A伺服分度头2和伺服电动机3，目前自动分度控制的方法有两种：一种采用步进电动机，另一种采用伺服电动机。两相混合式步进电动机步距角一般为 1.8°和0.9°，五相混合式步进电动机步距角一般为0.72°和0.36°，步进电动机驱动不能满足精度要求，而交流伺服电动机的控制精度由电动机轴后端的旋转编码器保证。对于带标2500线编码器的伺服电动机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10 000=0.036°，完全能够保证加工精度要求。并且该套分度系统价格相对合理，FK15125A伺服分度头配伺服电动机和M02430驱动器合计价格在1.2万元左右。

（2）第四轴自动夹紧力校核 输入轴9的夹紧采用两莫氏顶尖夹紧，夹紧力由第四轴液压缸7提供，第四轴液压缸选用缸径D=30mm，系统工作压力为2.5MPa，液压缸最大工作压力16MPa。根据六点定位原则，通过分析输入轴9的夹紧状态，两莫氏顶尖分别限制5个自由度，只有X轴旋转未被限制。

机床采用顺铣加工油槽，刀具在工件上产生两个分力，如图3所示，走刀抗力PH和径向分力Pv，按最差工况：油槽宽度B=8m m，槽深t=3m m，采用硬质合金三面刃铣刀，铣刀直径D=63mm，刀具齿数Z=16，主轴转速n=110 r/min，每齿进给S=0.1mm（钢材修正值KMN=0.957）计算。

图3 顺铣受力分析

铣削功率为：

切削速度为：

圆周切削力为：

走刀抗力为：

径向分力为：

第四轴液压缸产生的压紧力为

通过核算，铣削功率为0.3 9 k W，而机床电动机为2.8kW，完全满足功率需要。径向分力Pv为858.38N，其是产生X轴旋转运动的分力。走刀抗力PH为965.67N，其是推动工件X轴移动的分力，而第四轴液压缸产生的压紧力为1 730.93N，完全能够限制产生X轴旋转趋势的分力Pv和推动工件X轴移动的走刀抗力PH，因此，第四轴自动夹紧分度系统设计改造合理可靠。

3. 液压系统设计

本油槽铣床改造运用了PLC数据控制系统，机床加工过程包括以下6个工步运动：①工件松开夹紧动作。②刀具相对工件的切深运动。③工件相对刀具沿X轴的进给运动。④刀具相对工件的退出运动。⑤工件沿X轴的进给方向的回位运动。⑥第四轴的分度运动。

其中工步③和工步⑤由原机床功能配以PLC控制，工步④采用第四轴实现，而工步①②④都是由液压系统来实现。液压系统工作原理如图4所示。

油槽铣床液压站包括油箱、电动机、油泵、过滤网和液压元件等组成，工作过程为：首先放入工件启动开关→YA1通电第四轴尾座夹紧工件→YA4通电Y轴工作台快进→限位开关启动→YA2通电Y轴工作台→加工完成限位开关启动→YA2断电YA3通电Y轴工作台快退→再次启动开关YA1断电第四轴尾座松开→加工完成取下工件。

4. 油槽铣床的经济性分析

就铣削油槽而言，其加工面积较小铣削抗力不大，采用数控机床或专机加工，虽然效率和质量都有明显提升，但投资大，一台立式加工中心需一次性投入资金30多万元，一台专用槽铣数控专机一次性投入资金多达100万。普通立铣和卧铣虽然投入资金较少，但采用手动分度的方法加工效率低，平均切削时间很少超过全部工作时间的50%，加工质量也不稳定。如何确定一个在保证较高质量的前提下，高效地完成生产任务又能减少资金投入的切入点至关重要。本改造方案很好实现了双赢的目的。通过对普通万能工具铣床的改造，改造后的经济型数控油槽铣床加工输入轴的时间由原立铣或卧铣加工时间375s提升到177s，操作人员只需将工件放入莫氏顶尖夹紧后启动开关即可，大幅减少了手动分度等非机加工时间的消耗，并且改造投入成本低。

按我公司输入轴月产3万件，每班8h，两班制生产，每月工作28天计算，立铣单机每月加工量＝8×3600÷375×2×28＝4 300（件），油槽铣单机每月加工量＝8×3600÷177×2×28＝9 111（件），用立铣或卧铣加工每月需动用设备7台，共计设备投入49万元，而数控油槽铣床最多动用设备4台，设备投入不超过13万元。按每件加工工时计算：数控油槽铣床比立铣或卧铣每件节约工时375－177＝198（s），那么3万件全年节约工时30000×12×198÷3600＝19 800（h）。

图4 液压系统

按国家最低工时标准7元/h计算：全年数控油槽铣床比立铣或卧铣节约工时费用19800×7＝13.86（万元）。再加上设备投入费用，设备按8年折旧计算：全年数控油槽铣床比立铣或卧铣节约资金49÷8－13÷8+13.86＝18.36（万元），经济效益非常明显。

5. 结语

该经济型油槽铣床的改造方案简便易行，制造成本低，输入轴油槽铣削加工效率提高了52.8%。加工产品质量上了一个台阶，油槽分度精度可达±2′。经济型油槽铣床改造获得了显著的经济效益，同时其加工范围广泛，各种长度、宽度或深度的油槽包括各式键槽都能加工。本设计方案可作为其他加工轴类零件厂家设备采购及改造一个很好的借鉴。