数控车床过载保护式攻丝夹具的设计

□ 张 延

西门子(天津)传动设备有限责任公司 天津 300384

1 设计背景

螺纹配合在机械行业中的应用无处不在,几乎所有的机械机构都涉及到螺纹配合。在生产实践中,外螺纹及公称直径较大的内螺纹可以采用车削加工,公称直径较小的内螺纹可以使用丝锥攻丝加工。攻丝按加工方式分为机攻和手攻。对于机攻,如在数控机床和加工中心上用丝锥刚性攻丝或用螺纹铣刀铣削,精度高,但需投入设备及刀具,特别是刚性攻丝时容易折断丝锥。手攻则操作简便,成本低廉,但是精度不足,在制作夹具或高精度零件时缺点较大。

使用数控车床对回转体工件的内螺纹进行攻丝加工,精度高,成本较低,应用广泛。传统加工方法是将夹具安装在车床尾座上进行加工,自动化程度较低,费时费力,并且没有保险装置,易折断丝锥。普通车床用攻丝夹具如图1所示。随着数控车床的普及,可以设计制造专用攻丝夹具,装夹在刀架上,使用数控系统的攻丝指令进行加工。这样做操作简便,加工精度高,能提高劳动生产率,降低劳动强度。笔者设计了数控车床过载保护式攻丝夹具。

图1 普通车床用攻丝夹具

2 夹具结构

攻丝夹具结构如图2所示,包括16H标准制式钻夹头、滑动心轴、夹具主体、轴向弹性伸缩装置、径向弹性保险装置五部分。轴向弹性伸缩装置包括伸缩弹簧、垫片、调节螺母,径向弹性保险装置包括调节螺栓、保险弹簧、球头滑块。

图2 攻丝夹具结构

16H标准制式钻夹头如图3所示,用于装夹丝锥,锥孔与滑动心轴锥轴部分相配。

图3 16H标准制式钻夹头

夹具主体为基础件,将夹具上所有组成部分连接成一个整体,装夹于刀架之上。轴向弹性伸缩装置主要用于提供攻丝之初的顶入力,也可以在需要时自由伸缩,主要由左右两个同规格的伸缩弹簧和调节螺母组成。在攻丝过程中,如果扭矩过大,会强制滑动心轴克服保险弹簧的压力而顶起球头滑块脱离梯形槽,使丝锥滑动心轴随工件旋转,从而防止丝锥折断。攻丝夹具装配轴测图如图4所示。

图4 攻丝夹具装配轴测图

3 设计思路

丝锥定位及夹紧装置选用16H标准制式钻夹头,锥孔锥度为莫氏2号,锥度值为0.049 95,可以安装3～16 mm多种规格的丝锥、钻头、铰刀、铣刀等,拆装方便,柔性较强,也可以免去在夹具设计中单独设计丝锥夹紧装置的环节。

笔者单位所使用的数控车床,采用CAK6136V/750型床身,刀架外形尺寸如图5所示。先大致确定夹具主体长度尺寸,使长度尺寸不超过刀架的边长(96 mm)。根据刀架上压紧螺钉的位置及尺寸,设计出夹具主体装夹扁柄的装夹宽度为15.48 mm。根据数控车床中心高及刀架高度尺寸32.33 mm,确定夹具主体装夹扁柄高为28 mm。

图5 数控车床刀架外形尺寸

预设计滑动心轴的大径为30～35 mm,根据精密滑动配合及优先间隙配合公差选用原则,可以选用配合为H7/g6,并预设计其长度。圆锥部分根据GB/T 6087—2003《扳手三爪钻夹头》及GB/T 6090—2003《钻夹头圆锥》相关规定进行设计。

根据攻丝推入力的经验数值,计算得到伸缩弹簧的规格、原长和压缩后长度,最终确定滑动心轴的尺寸。

建立丝锥数学模型。经过一系列计算,推算出丝锥抗扭强度极限,从而计算出保险弹簧规格,设计得到夹具主体弹簧孔、滑动心轴上梯形槽、球头滑块的相关尺寸。

4 钻头允差校核

根据GB/T 6087—2003,16H标准制式钻夹头装夹直径为16 mm的检验棒时,100 mm径向跳动允差为0.2 mm,据此,以装夹M12丝锥伸出夹头50 mm为例,估算出径向跳动公差应小于0.1 mm,可以满足攻丝需要。

5 轴向弹性伸缩装置设计

轴向弹性伸缩装置由左右两个同规格的伸缩弹簧和调节螺母组成,提供攻丝之初的顶入力。可以根据丝锥磨损情况及使用不同规格丝锥攻丝来调整调节螺母或更换伸缩弹簧,进而调整加工时所需要的顶入力,一般可以使伸缩弹簧的压缩力略大于丝锥的顶入力即可。

为提高工作效率,降低工具费用,有时攻丝时需要采用头攻丝锥、二攻丝锥等加工完成。头攻丝锥攻后更换二攻丝锥时,与头攻丝锥的对刀点、螺旋角向均已发生改变,这就需要轴向弹性伸缩装置在二攻丝锥未进入头攻螺旋槽内时自由伸缩进行位移补偿,直至二攻丝锥进入为止,从而解决多次攻丝丝锥不易对刀的问题。

使用经济型数控车床攻丝应考虑主轴与伺服系统响应误差问题,即不同步误差。如在攻丝期间及丝锥退刀时主轴先转动而伺服轴后移动,进而产生螺距误差,则轴向弹性伸缩装置可以消除这一螺距误差,有效防止丝锥被破坏。

轴向弹性伸缩装置物理模型如图6所示。尚未攻丝时,左右伸缩弹簧处于平衡状态,有:

图6 轴向弹性伸缩装置物理模型

FL=FR=40%Fmax

(1)

式中:FL为左伸缩弹簧受力;FR为右伸缩弹簧受力;Fmax为伸缩弹簧最大弹力。

攻丝开始,伸缩弹簧受顶入力Fd发生伸缩,位移为Q,可以进行弹性补偿。根据试验统计及经验判断,Q大于所攻螺纹导程即可。为安全可靠起见,可将Q设为5 mm。顶入力Fd与丝锥规格及加工材料有关,根据加工经验有Fd为5～25 N,如:

Fd=FR-FL=(40%Fmax+kQ)

-(40%Fmax-kQ)=25 N

则得所需弹簧刚度k为2.5 N/mm。

因为在一般载荷条件下工作,所以选择第Ⅲ类弹簧,并选用B级碳素弹簧钢丝。考虑到夹具的紧凑性,设伸缩弹簧大径不大于30 mm,中径D为25 mm,预设计弹簧丝直径d为2 mm,由此查机械设计手册得一圈弹簧刚度kd为10.1 N/mm。

计算弹簧有效圈数n为:

n=kd/k=4

预设计后,再进行校核计算。计算旋绕比C为:

C=D/d=12.5

查得弹簧切变模量G为79 GPa,复核计算弹簧刚度k为:

所以所选伸缩弹簧参数可用。

根据机械设计手册,计算伸缩弹簧节距p为:

p=0.4D=10 mm

则伸缩弹簧总长l为:

l=np=40 mm

与伸缩弹簧实现配合的滑动心轴最大直径为20 mm,套筒最小直径为30 mm,据此将滑动心轴套伸缩弹簧处直径设计为19 mm。

6 径向弹性保险装置设计

径向弹性保险装置主要用于攻丝中丝锥受力过大时强制滑动心轴克服保险弹簧压力,使滑动心轴随工件转动,从而防止丝锥折断。

计算丝锥允许的最大扭力。M12丝锥截面如图7所示,材料为9SiCr,布氏硬度HBS为225,抗拉强度σb为742 MPa。材料扭转变形许用剪应力[τ]为(0.38～0.45)σb,则材料扭转变形许用剪应力[τ]为311 MPa。

图7 M12丝锥截面

强度校核式为:

[Tmax]≤Wt[τ]

(2)

式中:[Tmax]为许用扭矩;Wt为截面系数。

因为丝锥截面为非标准截面,因此只能近似估算截面系数。可将丝锥截面近似为十字梁截面,如图8所示,计算截面系数Wt,为:

图8 丝锥近似截面

计算丝锥许用扭矩[Tmax],为24 880 N·mm。根据力矩与力的关系,有:

Fmax=Tmax/L=777.5 N

式中:Fmax为损坏丝锥的最大扭力;L为滑动心轴近似大径。

径向弹性保险装置如图9所示。丝锥受到最大扭力,保险装置受力平衡,球头滑块即将顶起。如果扭矩过大,则导致球头滑块顶起。根据图9有:

图9 径向弹性保险装置

式中:FS为保险弹簧弹力。

Fh为水平分力,由几何计算可知球头滑块顶起时,保险弹簧又被压缩3.71 mm,根据经验应占保险弹簧未压缩时到球头滑块顶起时总压缩量的50%,所以可预估保险弹簧总压缩量为7.4 mm。选择弹簧丝直径为2.5 mm,中径为12 mm,一圈弹簧刚度为223 N·mm-1,圈数为3,则弹簧刚度为74.33 N/mm。校核保险弹簧弹力FS为550.0 N,所以所选保险弹簧参数合理。

计算保险弹簧节距为4.8 mm,所以保险弹簧总长为14.4 mm。由于攻丝时所需扭矩远小于丝锥被破坏时的最大扭矩,因此第一次使用时可以将弹力调至小于理论值进行试攻,也可以根据需要调整调节螺栓或更换保险弹簧。

7 使用

7.1 安装校正

攻丝夹具中心高由加工精度来保证,攻丝夹具中心线与数控车床中心线的平行度可用百分表打表的方法进行校正。将攻丝夹具装夹于刀架上,拧紧刀架螺钉,将百分表座固定于尾座或导轨上,使百分表与攻丝夹具侧平面接触,再沿Z向移动刀架,观察百分表读数后,轻敲攻丝夹具找正,直至拉表时读数不变为止,最后拧紧刀架螺钉,完成安装。

7.2 对刀

对刀的目的是将攻丝夹具中心线与数控车床中心线重合。可在数控车床卡盘上装夹一个圆棒,若工件为回转体,也可直接进行对刀。在攻丝夹具的钻夹头上装夹铣刀,沿X向移动刀架,使铣刀轻轻接触圆棒至刚刚产生切屑的瞬间停止,然后进行测量及输入刀补。这一对刀过程与数控车床试切对刀过程基本相同。

8 攻丝程序编制

编制GSK980TD系统攻丝程序,指令格式为G33 Z(W)_F(I)_L_,G33为模态G指令,Z(W)为攻丝终点坐标,F为公制螺纹螺距,I为每英寸螺纹的牙数,L为多头螺纹的头数,省略L时默认为1头。

刀具的运动轨迹从起点到终点,再从终点回到起点。指令功能为运动过程中,主轴每转一圈,Z轴移动一个螺距,与丝锥的螺距始终保持一致,在工件内孔形成一条螺旋切槽,可以一次切削完成内孔的螺纹加工。

循环过程如下:

(1)Z轴进刀攻牙,G33指令前必须指定主轴开;

(2) 到达编程指定的Z轴坐标终点后,M05信号输出;

(3) 检测主轴完全停止旋转;

(4) 主轴反转信号输出,即与原来主轴旋转的方向相反;

(5)Z轴退刀到起点;

(6) M05信号输出,主轴停止旋转。

如为多头螺纹,则重复第(1)步至第(5)步。

使用G33指令攻丝时应注意,攻丝前根据丝锥的旋向来确定主轴的旋转方向。G33是刚性攻丝指令,在主轴停止信号有效后,主轴还将有一段减速时间才停止旋转,此时刀架仍然跟随主轴转动而进给,直到主轴完全停止旋转。因此,实际加工时螺纹的底孔位置应比实际需要位置稍深一些,具体超出的长度根据攻丝时主轴转速高低和主轴刹车装置而决定。

攻丝切削时,Z轴的移动速度由主轴转速与螺距决定,与切削进给速度倍率无关。在单段运行或执行进给保持操作时,攻丝并不停止,直到攻丝完成后回到起点才停止运动。复位或急停时,攻丝切削减速停止。

编程举例如下:

O0001;

G00 Z10 X0 ∥丝锥定位

T0101 M03 S80 ∥启动主轴

G33 Z-20 F1.5 ∥攻丝循环

M30 ∥程序结束

攻丝的工艺要点有四方面。

(1) 攻丝前孔径的确定。为了减小切削抗力,防止丝锥折断,攻丝前的孔径必须比螺纹小径稍大一些。普通螺纹攻丝前的孔径可以根据经验公式计算,加工钢件和塑性较大的材料时,有:

Da≈D1-P

(3)

加工铸件和塑性较小的材料时,有:

Da≈D1-1.05P

(4)

式中:Da为攻丝前孔径;D1为螺纹大径;P为螺距。

(2) 孔口倒角。钻孔或扩孔到最大极限尺寸之后,再孔口倒角,直径应大于螺纹大径。

(3) 对于攻螺纹时的切削速度,加工钢件和塑性较大的材料时为2～4 m/min,加工铸件和塑性较小的材料时为4～6 m/min。

以加工45钢M12内螺纹为例,选择切削速度VC为3 m/min,将切削速度换算为数控车床主轴转速n1,得:

圆整后数控车床主轴转速取80 r/min。

(4) 切削液的选择。攻制钢件螺纹时,一般用硫化切削液、机油和乳化液。切削低碳钢或40Cr钢等韧性较大的材料时,可选用工业植物油。切削铸件时,可选用煤油或不加切削液。

使用攻丝夹具攻丝时,可先试攻,观察丝锥受力和排屑情况,再进行攻丝。也可采用断续攻丝法,类似发那科系统的G73断续钻孔指令,可及时排屑,有效防止堵屑,避免折断丝锥。

攻丝夹具同样适用于钻孔或铰孔,尤其是对于精度要求高的内螺纹,可以一次对刀找正之后,使用攻丝夹具先钻后铰再攻丝,使形位误差及尺寸误差达到最小。

由于小孔攻丝相对较难,而M16以上螺纹均可用车削方法加工,并且受到钻夹头传递扭矩限制,因此攻丝夹具适用于加工M12及以下的内螺纹。

9 制造要点

加工夹具主体时,先车后铣。铣削夹具主体的装夹柄部直接关系到刀具中心高的精度,需要注意保证尺寸底面与中心线的垂直距离20 mmjs8。以加工好的装夹柄部为定位基准,再铣削其它表面。

滑动心轴上的梯形槽可在四轴加工中心上进行自动编程加工,也可先用平底刀分层铣削,再用倒角刀进行精修。

车削过程中必须打表找正,以保证同轴度。

车削圆锥部时,必须采用刀尖圆弧半径补偿,以保证圆锥部莫氏2号的形状公差。

10 结束语

笔者在生产实践过程中,在普通车床夹具结构的基础上,设计了数控车床过载保护式攻丝夹具。攻丝夹具的应用,可以有效防止螺纹攻丝时丝锥折断的问题,在保证加工精度的基础上,提高了自动化程度,减轻了劳动强度,降低了生产成本。同时,也可运用攻丝夹具进行钻孔铰孔等工序,提高了攻丝夹具的工艺柔性,扩大了应用范围。