浅析走心机产品传动轴的加工与制造

段 祥

（苏州微创关节医疗科技有限公司，江苏苏州 215000）

1 工艺方案

1.1 产品介绍

传动轴作为医疗器械电动工具中的主要配件，起传动与支撑作用。医疗器械电动工具属于高精密产品，对启动、高速旋转、刹车时传动轴的稳定性与晃动要求较高，所以传动轴的尺寸与形位公差较严（图1）。传动轴零件图纸尺寸标注完整，表面由圆柱、顺圆弧、逆圆弧、槽、孔、螺纹等特征组成，零件材料为17-4PH 不锈钢，最大直径14 mm、最大长度85.9 mm，内孔为贯通孔，多处关联尺寸有形位公差要求，前后有2 处螺纹，产品有热处理和硬度要求，后端材料去除较多需要考虑变形影响。

图1 电动工具传动轴零件

1.2 确定加工方法

加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的前提下，尽可能提高加工效率。考虑到本零件为大批量生产，尺寸精度要求高，因而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸和形位公差等要求全面考虑。

（1）常规加工工艺路线：①锯床（工时2 min）—②深孔钻（工时3 min）—③车床（2 次装夹，工时12 min）—④加工中心（工时15 min）。在锯床下料后，先进行深孔加工，然后通过车床修整同心度与相关形位公差尺寸，加工时需要考虑到产品的变形因素，加工中心加工时工装夹具需要保证产品分度与相位要求。

（2）走心机加工工艺路线：走心机（工时25 min）。变形与加工时间是影响此工件是否可以在走心机一步加工到位的关键因素，将该工件相关特征分主轴与副轴同时加工，时间上可以节约8 min 左右，所以从加工效率和经济性考虑，最理想的加工方式为走心机一步加工，关键尺寸使用刀塔刀具分粗、精加工，可消除变形影响。选用西铁城M32 走心机，该设备具备主、副轴分度功能，有可转位刀塔，刀具数量可安装30 把以上，配备自动送料机，可实现零件自动化生产。

1.3 确定加工方案

该零件坯料选择Φ15 mm×2997 mm 棒料，机床配备自动送料机，外接高压油泵。高压油可实现排屑、降温功能，为减少油烟，将压力控制在8 MPa，在加工时对内冷钻头、外圆大切深切削提供帮助。

1.4 产品加工顺序

（1）主轴加工工艺路线：①车端面—②内孔中心钻—③内孔钻加工—④外圆粗加工—⑤外圆平面铣削—⑥外圆刀排与刀塔并列车削加工—⑦外螺纹加工—⑧二次外圆刀排与刀塔并列车削加工—⑨精修外圆（保证0.15 mm 尺寸稳定性）—⑩背轴接料—主轴切断。

（2）背轴加工工艺路线：①车端面—②内孔倒角—③粗加工外圆—④铣削外键槽—⑤铣削内键槽—⑥铣削T 形槽—⑦精加工外圆—⑧加工外螺纹—⑨机械手接料。

2 加工准备

2.1 原材料要求

根据产品图纸要求选择17-4Ph 不锈钢，参照图纸要求加工精度，选择直径Φ（15±0.013）mm 的精光棒料，直线度为1 m≤0.3 mm，长度为（2997.2±1.0）mm，两端倒角表面光滑无划痕。

2.2 走心机夹头的选择

在走心机零件的加工准备中，首先确定主轴、导套、背轴及送料机夹头的型号规格。主轴夹头一般与棒料直径尺寸一致，导套与材料配合间隙不超过0.02 mm，选定导套时需要考虑到棒料的直径公差是上公差还是下公差。公制棒料一般采用的是下公差，而英制材料多采用上公差。背轴夹头可分为普通夹头与加长夹头，槽形有三瓣式、四瓣式、S 槽等。根据加工零件的特点，考虑到背轴加工铣削特征时避免刀具干涉，选择加长背轴夹头，用于增加零件的加工刚性。送料机夹头与主轴夹头、导套都选用直径Φ15 mm 规格，背轴夹头为直径Φ8.4 mm、加长15 mm，夹紧力设定为0.6～0.8 MPa，导套间隙调整为0.005～0.01 mm。

2.3 机床加工参数设定

数控机床在加工之前需设定机床参数，走心机机床也需要对材料外径、退刀与换刀安全点、切断时转速与切断刀位、加工长度等进行设定。此机床切断加工是在操作界面独立操作，不同于津上机床使用M 代码在程序开头进行切料头加工。

由于该零件为大批量生产，需要较短的换刀时间以提升加工效率。换刀安全点设置为5 mm，切断刀号为固定刀位1#刀位，刀宽3 mm，刀杆为16 mm×16 mm，因为材料为不锈钢材料，所以切断刀的R 角为0.2 mm，可提升刀具使用寿命。固定刀位是产品快速换型中的关键环节，当换型频繁时固定刀位可节约换型时间。由于切断时机床为恒定转速，材料直径为Φ15 mm，将切断转速设定为2000 r/min，进给为每转0.03 mm。从背轴夹头的选择中，已知夹持长度为加长15 mm、零件长度为85.9 mm，所以背轴夹持后伸出长度设定为60 mm。

2.4 工件坐标系

西铁城M32 是双主轴加工，需要设定2 个坐标系，分别为主轴坐标系与背轴坐标系，主轴坐标系可以通过试切法来建立。走心机材料处于自动送料状态，切断刀处于第1 刀位，用以顶住材料，当运行程序自动加工时，在程序开始首先要运行建立工件坐标系指令。一般通过2 种坐标差来进行设定，区别在于左切断刀具还是右切断刀具。当使用3 mm 切断刀片时，代码“G50 Z0.”表示右切断刀具，代码“G50 Z13.”表示左切断刀具。对于此产品而言，两种切断刀具都能满足加工要求，为了保持产品加工刚性，此款产品选择右切断刀具。背轴坐标系设定相对简单，以背轴夹头伸出长度来定义Z 向0 点。

2.5 刀具对刀

数控机床上，目前常用的对刀方法为手动试切对刀。当在机器上安装刀具时，需要将刀具的刀尖位置（切削点）与被设定的基准点保持一致进行安装。如果刀具的刀尖位置与基准点不同，加工后的产品尺寸将会与在程序中所指令的尺寸有所不同。另外在运转过程中，材料或产品和刀具可能发生干涉，需要调整刀具径X 轴方向、芯Y 轴方向和纵向Z 轴方向的安装。

虽然芯调整不会对产品尺寸产生直接影响，但会给产品的表面精度和刀具的使用寿命带来一定的影响，因此需要正确进行芯的调整。当通过程序选择进行程序变更或加工数据的刀架被变更时，需根据刀具调整数据（径、芯和纵向）的需要，对数值进行变更。

2.6 装夹方式

M32 走心机机床的装夹方式为送料机导向并传输棒料，机床主轴与棒料同规格直径夹头夹紧后穿过导套，导套的配合方式为过渡配合，导套不配备电机，旋转方式为皮带传动，与主轴转数同步。

3 刀具、切削用量及编程

3.1 选择数控刀具的原则

刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。

3.2 确定切削用量

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率、降低成本。

3.3 零件编程加工

西铁城M32 走心机机床使用的编程系统为三菱系统，所用模式为三系统加工编程模式，由G600 自由加工模式、G610 刀排与刀塔交替加工模式、G620 刀排与刀塔并列加工模式、G630 刀排与背轴并列加工模式等，以及G640 主轴、刀塔、背轴三轴同步加工模式、G650 同步接料加工模式组成。主轴刀排粗加工外圆刀与刀塔精加工外圆刀使用G620 并列加工模式加工时，使用等待指令，使粗加工刀具给精加工刀具留有Z 向3～5 mm 余量，同转速切削原材料由Φ15 mm 加工到Φ7 mm，只需一次走刀。

4 总结

采用走心机加工精密轴类零件，能够提高产品加工效率，减少加工工序。走心机属于精密加工设备，单侧轴能够实现三轴联动、四轴联动，配置B 轴走心机设备可进行五轴联动复合加工，可单工序完成车削、铣削、钻削、镗削、攻丝、冲加工、滚压与雕刻加工等复合加工，同时配备自动送料机实现原材料自动上下料的批量生产加工。