0 引言
隨著制造業(yè)的發(fā)展， 國內(nèi)閥門體這種批量較大的零件， 其制造精度和質(zhì)量穩(wěn)定性的要求也在不斷提高。經(jīng)過反復(fù)調(diào)研， 作者了解到目前的閥門制造業(yè)對閥門體的加工基本是采用多臺普通車床進(jìn)行分序加工， 需多次定位裝夾加工， 操作者多次上下料， 加工效率低、零件成品合格率低。隨著國內(nèi)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的飛速發(fā)展和普及， 專門針對閥門體開發(fā)設(shè)計一種一次裝夾定位多工序復(fù)合加工的數(shù)控閥門專用機(jī)床越來越成為閥門制造業(yè)用戶的迫切需求。
1 機(jī)床總體方案設(shè)計構(gòu)想
閘閥是一種應(yīng)用非常廣泛的閥門， 其閥門體材料為鑄鐵， 流過介質(zhì)為液體， 尤其以水作為介質(zhì)時， 因銹蝕損壞， 屬易耗件， 市場需求量極大。圖1 為一典型閥門體零件圖， 零件呈“T” 字形， 須加工左右法藍(lán)端面、水線、內(nèi)部閥芯密封面， 加工質(zhì)量要求主要集中于閥門兩內(nèi)端密封面的對稱度、平行度和表面質(zhì)量。
數(shù)控專用機(jī)床的設(shè)計關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)針對零件的多工序、多臺設(shè)備反復(fù)裝夾定位加工多工序、盡可能設(shè)計為單臺設(shè)備一次裝夾定位復(fù)合加工， 從而提高加工效率、零件質(zhì)量穩(wěn)定性， 同時在設(shè)計過程中必須充分考慮模塊化的設(shè)計理念， 并將之運用到專用機(jī)床設(shè)計中。
長期以來， 閥門體的加工用5 臺普通車床完成一件閥門體的所需加工工序， C1： 加工上端面； C2： 加工左端面、锪水線及倒角； C3： 加工右端面、锪水線及倒角； C4： 加工右端內(nèi)密封面及倒角； C5： 加工左端內(nèi)密封面及倒角， 加工節(jié)拍大約28 分鐘/件， 其中80%的時間用于零件的輔助定位裝夾上， 按一個班8 小時計算， 一個班計一個月僅能生產(chǎn)500 多件。同時由于多次定位裝夾， 定位基準(zhǔn)和使用基準(zhǔn)不一致， 加工后其主要工作面對稱度要求難以控制， 零件尺寸一致性較差。由于操作工人加工過程中人為的因素， 因此零件質(zhì)量穩(wěn)定性差、加工經(jīng)濟(jì)性也較差。總體設(shè)計方案如圖2 所示， 采用立式加工中心底座結(jié)構(gòu)， 去掉原機(jī)床立柱， 保留兩個移動軸， 在原立柱部分安裝兩個主軸動力頭， 移動工作臺上安裝回轉(zhuǎn)臺， 夾具裝夾工件置于回轉(zhuǎn)臺上， 靠轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)位180°， 從而實現(xiàn)對零件的雙面加工。
從典型零件（圖1） 可見， 技術(shù)要求較一般， 精度等級不高， 主要是兩內(nèi)端面的密封性， 因此為保證密封面的平行度， 考慮用鏜床的徑向刀架原理來加工內(nèi)端面，問題的關(guān)鍵是如何開發(fā)一種較適合車床使用相應(yīng)規(guī)格較小的徑向刀架。考慮到采用最少的裝夾次數(shù)， 實現(xiàn)多工序加工， 設(shè)計考慮了以下兩個工藝方案： ①銑外端面、锪水線； 鏜內(nèi)端面、倒角， 加工節(jié)拍大約5 分鐘/件；②锪水線、倒角； 鏜外端面、內(nèi)端面， 加工節(jié)拍大約6分鐘/件。這兩種方案在一次裝夾的過程中， 能解決上述C2~C5 四個加工工序在一臺機(jī)床上加工完成， 從零件加工時間上極大地提高了加工效率， 經(jīng)過和用戶溝通， 針對該企業(yè)的實際情況、考慮到生產(chǎn)成本等綜合因素， 決定選用工藝方案②， 采用此方案按一個班8 小時計算， 一個月一班能生產(chǎn)2400 多件閥門體。與原加工方案對比從產(chǎn)量上比原來增加了380%。
2 平旋盤技術(shù)在車床主軸上的應(yīng)用
在總體設(shè)計方案確定后， 考慮到閥門體內(nèi)密封面加工技術(shù)要求對零件裝配使用至關(guān)重要， 按設(shè)計及工藝方案， 要加工零件的內(nèi)端面， 工件不旋轉(zhuǎn)， 刀架就必須邊旋轉(zhuǎn)邊作徑向運動。結(jié)合模塊化設(shè)計考慮， 以車床主軸單元作為模塊化動力頭單元， 將鏜床的平旋盤技術(shù)應(yīng)用到車床主軸系單元中成為設(shè)計的重點環(huán)節(jié)之一。
平旋盤機(jī)構(gòu)在鏜床、臥式鏜銑加工中心應(yīng)用較為成熟， 但將之開發(fā)設(shè)計應(yīng)用車床主軸上使用， 目前國內(nèi)仍然很少見。國外有專門的廠家將平旋盤開發(fā)為機(jī)床的功能附件， 但價格太高， 綜合考慮機(jī)床的價格后選擇自己設(shè)計有針對性、能滿足加工需求的平旋盤。針對所加工通徑準(zhǔn)100mm 閥門體零件， 作為模塊化設(shè)計， 可以與A2-6 號主軸標(biāo)準(zhǔn)單元相匹配， 考慮到轉(zhuǎn)動慣量不能太大， 初步設(shè)計平旋盤規(guī)格為直徑準(zhǔn)350mm。
（1）平旋盤方案設(shè)計。實現(xiàn)刀架的直線運動可用齒輪齒條機(jī)構(gòu)或絲桿螺母機(jī)構(gòu)， 絲桿螺母傳動結(jié)構(gòu)簡單、能實現(xiàn)很大的傳動降速比、傳動平穩(wěn)、而且只要用較小的轉(zhuǎn)矩， 就能獲得較大的軸向牽引力、當(dāng)螺旋升角小于摩擦角時， 還具有自鎖作用。為得到較大的降速比平旋盤內(nèi)部的傳動采用齒輪和蝸輪蝸桿傳動。采用XDL1 電磁離合器控制刀架進(jìn)給運動的接通和斷開， 離合器斷開時， 主軸旋轉(zhuǎn)， 而刀架不移動， 對刀完成后， 離合器接通， 主軸旋轉(zhuǎn)同時經(jīng)過齒輪、蝸桿蝸輪副、絲桿螺母， 實現(xiàn)刀架徑向運動， 端面加工完成， 離合器斷開， 退刀。徑向刀架的移動極限位置用接近開關(guān)控制。最終確定的平旋盤結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
設(shè)定主軸的旋轉(zhuǎn)方向為順時針旋轉(zhuǎn)（從機(jī)床正面看） ， 則蝸桿的旋向是右旋， 絲桿旋向為右旋， 刀架滑板從右向左運動， 因此將絲桿的左支承定為主要支承， 右支承為輔助支承。為保證加工面的表面粗糙度， 確定進(jìn)給量為0.1mm/r， 絲桿螺距定為2mm， 平旋盤的傳動比：
TⅢ= TⅤ×i=0.53×1/22×1/2.35=0.01N·m
III 軸傳遞扭矩小， 因此選用XDL1 小型離合器足夠。
3 機(jī)床的切削試驗
通過以上幾個方面重點設(shè)計， 配上大森數(shù)控系統(tǒng)、液壓、潤滑系統(tǒng)、防護(hù)外罩， STC100valve 數(shù)控閥門專用機(jī)床試制裝調(diào)完成后， 對用戶提供的試件進(jìn)行了大量的加工試切， 目的在于摸索理想的切削參數(shù)和對機(jī)床的功能和可靠性進(jìn)行有效的試驗和考核， 受篇幅所限， 試切的詳細(xì)過程和試驗數(shù)據(jù)不再敷述， 僅對試切情況作一個簡單的總結(jié)。
（1） 試切條件： ①試件為某公司提供的閥門；②主軸頭1 轉(zhuǎn)速600rpm；主軸頭2 轉(zhuǎn)速200～400rpm；③刀具為組合刀具；④液壓夾具系統(tǒng)工作油壓0.8MPa；回轉(zhuǎn)臺工作油壓2.5 MPa。
（2）加工能力。锪水線和倒角切削力不大，在此主要介紹鏜端面的情況。①主軸轉(zhuǎn)速n=200mm， 切削深度ap=1.5mm 時， 切削工況較為平穩(wěn)； ②主軸轉(zhuǎn)速n=400mm， 切削深度ap=2.5mm 時，切削工況較為惡劣，夾具剛性有點不夠， 但主軸電機(jī)和平旋盤各零件均未過載， 仍能完成加工。
（3）加工精度。①主軸轉(zhuǎn)速n=200mm，切削深度ap=1.5mm 時， 兩內(nèi)端面的對稱度≤0.06mm， 切削表面光整； ②主軸轉(zhuǎn)速n=400mm， 切削深度ap=2.5mm時， 兩內(nèi)端面的對稱度≤0.10mm， 切削表面有明顯波痕。
4 機(jī)床研發(fā)總結(jié)
根據(jù)數(shù)控閥門專用機(jī)床的設(shè)計試制和試切加工情況， 證明總體設(shè)計方案和開發(fā)的車床用平旋盤都是較為成功的。閥門專用機(jī)床從提高加工的自動化程度、提高加工精度和提高加工效率三個方面滿足了閥門加工對設(shè)備的要求， 具有較好的性價比。同時成功地將模塊化設(shè)計理念應(yīng)用到專用機(jī)床設(shè)計中，可以和立式加工中心進(jìn)行模塊化兼容。2008 年4月， STC100valve 數(shù)控閥門專用機(jī)床參展了CCMT2008 第五屆中國數(shù)控機(jī)床展覽會， 引起了相關(guān)閥門生產(chǎn)廠家的極大興趣。目前改進(jìn)設(shè)計試制完成，機(jī)床投入生產(chǎn)試用階段。其中的平旋盤技術(shù)于2010 年5月獲得國家專利， STC100valve 數(shù)控閥門專用機(jī)床將成為閥門加工的主力設(shè)備。
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