數控車床過載保護式攻絲夾具的設計

□ 張 延

西門子(天津)傳動設備有限責任公司 天津 300384

1 設計背景

螺紋配合在機械行業中的應用無處不在,幾乎所有的機械機構都涉及到螺紋配合。在生產實踐中,外螺紋及公稱直徑較大的內螺紋可以采用車削加工,公稱直徑較小的內螺紋可以使用絲錐攻絲加工。攻絲按加工方式分為機攻和手攻。對于機攻,如在數控機床和加工中心上用絲錐剛性攻絲或用螺紋銑刀銑削,精度高,但需投入設備及刀具,特別是剛性攻絲時容易折斷絲錐。手攻則操作簡便,成本低廉,但是精度不足,在制作夾具或高精度零件時缺點較大。

使用數控車床對回轉體工件的內螺紋進行攻絲加工,精度高,成本較低,應用廣泛。傳統加工方法是將夾具安裝在車床尾座上進行加工,自動化程度較低,費時費力,并且沒有保險裝置,易折斷絲錐。普通車床用攻絲夾具如圖1所示。隨著數控車床的普及,可以設計制造專用攻絲夾具,裝夾在刀架上,使用數控系統的攻絲指令進行加工。這樣做操作簡便,加工精度高,能提高勞動生產率,降低勞動強度。筆者設計了數控車床過載保護式攻絲夾具。

圖1 普通車床用攻絲夾具

2 夾具結構

攻絲夾具結構如圖2所示,包括16H標準制式鉆夾頭、滑動心軸、夾具主體、軸向彈性伸縮裝置、徑向彈性保險裝置五部分。軸向彈性伸縮裝置包括伸縮彈簧、墊片、調節螺母,徑向彈性保險裝置包括調節螺栓、保險彈簧、球頭滑塊。

圖2 攻絲夾具結構

16H標準制式鉆夾頭如圖3所示,用于裝夾絲錐,錐孔與滑動心軸錐軸部分相配。

圖3 16H標準制式鉆夾頭

夾具主體為基礎件,將夾具上所有組成部分連接成一個整體,裝夾于刀架之上。軸向彈性伸縮裝置主要用于提供攻絲之初的頂入力,也可以在需要時自由伸縮,主要由左右兩個同規格的伸縮彈簧和調節螺母組成。在攻絲過程中,如果扭矩過大,會強制滑動心軸克服保險彈簧的壓力而頂起球頭滑塊脫離梯形槽,使絲錐滑動心軸隨工件旋轉,從而防止絲錐折斷。攻絲夾具裝配軸測圖如圖4所示。

圖4 攻絲夾具裝配軸測圖

3 設計思路

絲錐定位及夾緊裝置選用16H標準制式鉆夾頭,錐孔錐度為莫氏2號,錐度值為0.049 95,可以安裝3～16 mm多種規格的絲錐、鉆頭、鉸刀、銑刀等,拆裝方便,柔性較強,也可以免去在夾具設計中單獨設計絲錐夾緊裝置的環節。

筆者單位所使用的數控車床,采用CAK6136V/750型床身,刀架外形尺寸如圖5所示。先大致確定夾具主體長度尺寸,使長度尺寸不超過刀架的邊長(96 mm)。根據刀架上壓緊螺釘的位置及尺寸,設計出夾具主體裝夾扁柄的裝夾寬度為15.48 mm。根據數控車床中心高及刀架高度尺寸32.33 mm,確定夾具主體裝夾扁柄高為28 mm。

圖5 數控車床刀架外形尺寸

預設計滑動心軸的大徑為30～35 mm,根據精密滑動配合及優先間隙配合公差選用原則,可以選用配合為H7/g6,并預設計其長度。圓錐部分根據GB/T 6087—2003《扳手三爪鉆夾頭》及GB/T 6090—2003《鉆夾頭圓錐》相關規定進行設計。

根據攻絲推入力的經驗數值,計算得到伸縮彈簧的規格、原長和壓縮后長度,最終確定滑動心軸的尺寸。

建立絲錐數學模型。經過一系列計算,推算出絲錐抗扭強度極限,從而計算出保險彈簧規格,設計得到夾具主體彈簧孔、滑動心軸上梯形槽、球頭滑塊的相關尺寸。

4 鉆頭允差校核

根據GB/T 6087—2003,16H標準制式鉆夾頭裝夾直徑為16 mm的檢驗棒時,100 mm徑向跳動允差為0.2 mm,據此,以裝夾M12絲錐伸出夾頭50 mm為例,估算出徑向跳動公差應小于0.1 mm,可以滿足攻絲需要。

5 軸向彈性伸縮裝置設計

軸向彈性伸縮裝置由左右兩個同規格的伸縮彈簧和調節螺母組成,提供攻絲之初的頂入力?？梢愿鶕z錐磨損情況及使用不同規格絲錐攻絲來調整調節螺母或更換伸縮彈簧,進而調整加工時所需要的頂入力,一般可以使伸縮彈簧的壓縮力略大于絲錐的頂入力即可。

為提高工作效率,降低工具費用,有時攻絲時需要采用頭攻絲錐、二攻絲錐等加工完成。頭攻絲錐攻后更換二攻絲錐時,與頭攻絲錐的對刀點、螺旋角向均已發生改變,這就需要軸向彈性伸縮裝置在二攻絲錐未進入頭攻螺旋槽內時自由伸縮進行位移補償,直至二攻絲錐進入為止,從而解決多次攻絲絲錐不易對刀的問題。

使用經濟型數控車床攻絲應考慮主軸與伺服系統響應誤差問題,即不同步誤差。如在攻絲期間及絲錐退刀時主軸先轉動而伺服軸后移動,進而產生螺距誤差,則軸向彈性伸縮裝置可以消除這一螺距誤差,有效防止絲錐被破壞。

軸向彈性伸縮裝置物理模型如圖6所示。尚未攻絲時,左右伸縮彈簧處于平衡狀態,有:

圖6 軸向彈性伸縮裝置物理模型

FL=FR=40%Fmax

(1)

式中:FL為左伸縮彈簧受力;FR為右伸縮彈簧受力;Fmax為伸縮彈簧最大彈力。

攻絲開始,伸縮彈簧受頂入力Fd發生伸縮,位移為Q,可以進行彈性補償。根據試驗統計及經驗判斷,Q大于所攻螺紋導程即可。為安全可靠起見,可將Q設為5 mm。頂入力Fd與絲錐規格及加工材料有關,根據加工經驗有Fd為5～25 N,如:

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

-(40%Fmax-kQ)=25 N

則得所需彈簧剛度k為2.5 N/mm。

因為在一般載荷條件下工作,所以選擇第Ⅲ類彈簧,并選用B級碳素彈簧鋼絲?？紤]到夾具的緊湊性,設伸縮彈簧大徑不大于30 mm,中徑D為25 mm,預設計彈簧絲直徑d為2 mm,由此查機械設計手冊得一圈彈簧剛度kd為10.1 N/mm。

計算彈簧有效圈數n為:

n=kd/k=4

預設計后,再進行校核計算。計算旋繞比C為:

C=D/d=12.5

查得彈簧切變模量G為79 GPa,復核計算彈簧剛度k為:

所以所選伸縮彈簧參數可用。

根據機械設計手冊,計算伸縮彈簧節距p為:

p=0.4D=10 mm

則伸縮彈簧總長l為:

l=np=40 mm

與伸縮彈簧實現配合的滑動心軸最大直徑為20 mm,套筒最小直徑為30 mm,據此將滑動心軸套伸縮彈簧處直徑設計為19 mm。

6 徑向彈性保險裝置設計

徑向彈性保險裝置主要用于攻絲中絲錐受力過大時強制滑動心軸克服保險彈簧壓力,使滑動心軸隨工件轉動,從而防止絲錐折斷。

計算絲錐允許的最大扭力。M12絲錐截面如圖7所示,材料為9SiCr,布氏硬度HBS為225,抗拉強度σb為742 MPa。材料扭轉變形許用剪應力[τ]為(0.38～0.45)σb,則材料扭轉變形許用剪應力[τ]為311 MPa。

圖7 M12絲錐截面

強度校核式為:

[Tmax]≤Wt[τ]

(2)

式中:[Tmax]為許用扭矩;Wt為截面系數。

因為絲錐截面為非標準截面,因此只能近似估算截面系數?？蓪⒔z錐截面近似為十字梁截面,如圖8所示,計算截面系數Wt,為:

圖8 絲錐近似截面

計算絲錐許用扭矩[Tmax],為24 880 N·mm。根據力矩與力的關系,有:

Fmax=Tmax/L=777.5 N

式中:Fmax為損壞絲錐的最大扭力;L為滑動心軸近似大徑。

徑向彈性保險裝置如圖9所示。絲錐受到最大扭力,保險裝置受力平衡,球頭滑塊即將頂起。如果扭矩過大,則導致球頭滑塊頂起。根據圖9有:

圖9 徑向彈性保險裝置

式中:FS為保險彈簧彈力。

Fh為水平分力,由幾何計算可知球頭滑塊頂起時,保險彈簧又被壓縮3.71 mm,根據經驗應占保險彈簧未壓縮時到球頭滑塊頂起時總壓縮量的50%,所以可預估保險彈簧總壓縮量為7.4 mm。選擇彈簧絲直徑為2.5 mm,中徑為12 mm,一圈彈簧剛度為223 N·mm-1,圈數為3,則彈簧剛度為74.33 N/mm。校核保險彈簧彈力FS為550.0 N,所以所選保險彈簧參數合理。

計算保險彈簧節距為4.8 mm,所以保險彈簧總長為14.4 mm。由于攻絲時所需扭矩遠小于絲錐被破壞時的最大扭矩,因此第一次使用時可以將彈力調至小于理論值進行試攻,也可以根據需要調整調節螺栓或更換保險彈簧。

7 使用

7.1 安裝校正

攻絲夾具中心高由加工精度來保證,攻絲夾具中心線與數控車床中心線的平行度可用百分表打表的方法進行校正。將攻絲夾具裝夾于刀架上,擰緊刀架螺釘,將百分表座固定于尾座或導軌上,使百分表與攻絲夾具側平面接觸,再沿Z向移動刀架,觀察百分表讀數后,輕敲攻絲夾具找正,直至拉表時讀數不變為止,最后擰緊刀架螺釘,完成安裝。

7.2 對刀

對刀的目的是將攻絲夾具中心線與數控車床中心線重合?？稍跀悼剀嚧部ūP上裝夾一個圓棒,若工件為回轉體,也可直接進行對刀。在攻絲夾具的鉆夾頭上裝夾銑刀,沿X向移動刀架,使銑刀輕輕接觸圓棒至剛剛產生切屑的瞬間停止,然后進行測量及輸入刀補。這一對刀過程與數控車床試切對刀過程基本相同。

8 攻絲程序編制

編制GSK980TD系統攻絲程序,指令格式為G33 Z(W)_F(I)_L_,G33為模態G指令,Z(W)為攻絲終點坐標,F為公制螺紋螺距,I為每英寸螺紋的牙數,L為多頭螺紋的頭數,省略L時默認為1頭。

刀具的運動軌跡從起點到終點,再從終點回到起點。指令功能為運動過程中,主軸每轉一圈,Z軸移動一個螺距,與絲錐的螺距始終保持一致,在工件內孔形成一條螺旋切槽,可以一次切削完成內孔的螺紋加工。

循環過程如下:

(1)Z軸進刀攻牙,G33指令前必須指定主軸開;

(2) 到達編程指定的Z軸坐標終點后,M05信號輸出;

(3) 檢測主軸完全停止旋轉;

(4) 主軸反轉信號輸出,即與原來主軸旋轉的方向相反;

(5)Z軸退刀到起點;

(6) M05信號輸出,主軸停止旋轉。

如為多頭螺紋,則重復第(1)步至第(5)步。

使用G33指令攻絲時應注意,攻絲前根據絲錐的旋向來確定主軸的旋轉方向。G33是剛性攻絲指令,在主軸停止信號有效后,主軸還將有一段減速時間才停止旋轉,此時刀架仍然跟隨主軸轉動而進給,直到主軸完全停止旋轉。因此,實際加工時螺紋的底孔位置應比實際需要位置稍深一些,具體超出的長度根據攻絲時主軸轉速高低和主軸剎車裝置而決定。

攻絲切削時,Z軸的移動速度由主軸轉速與螺距決定,與切削進給速度倍率無關。在單段運行或執行進給保持操作時,攻絲并不停止,直到攻絲完成后回到起點才停止運動。復位或急停時,攻絲切削減速停止。

編程舉例如下:

O0001;

G00 Z10 X0 ∥絲錐定位

T0101 M03 S80 ∥啟動主軸

G33 Z-20 F1.5 ∥攻絲循環

M30 ∥程序結束

攻絲的工藝要點有四方面。

(1) 攻絲前孔徑的確定。為了減小切削抗力,防止絲錐折斷,攻絲前的孔徑必須比螺紋小徑稍大一些。普通螺紋攻絲前的孔徑可以根據經驗公式計算,加工鋼件和塑性較大的材料時,有:

Da≈D1-P

(3)

加工鑄件和塑性較小的材料時,有:

Da≈D1-1.05P

(4)

式中:Da為攻絲前孔徑;D1為螺紋大徑;P為螺距。

(2) 孔口倒角。鉆孔或擴孔到最大極限尺寸之后,再孔口倒角,直徑應大于螺紋大徑。

(3) 對于攻螺紋時的切削速度,加工鋼件和塑性較大的材料時為2～4 m/min,加工鑄件和塑性較小的材料時為4～6 m/min。

以加工45鋼M12內螺紋為例,選擇切削速度VC為3 m/min,將切削速度換算為數控車床主軸轉速n1,得:

圓整后數控車床主軸轉速取80 r/min。

(4) 切削液的選擇。攻制鋼件螺紋時,一般用硫化切削液、機油和乳化液。切削低碳鋼或40Cr鋼等韌性較大的材料時,可選用工業植物油。切削鑄件時,可選用煤油或不加切削液。

使用攻絲夾具攻絲時,可先試攻,觀察絲錐受力和排屑情況,再進行攻絲。也可采用斷續攻絲法,類似發那科系統的G73斷續鉆孔指令,可及時排屑,有效防止堵屑,避免折斷絲錐。

攻絲夾具同樣適用于鉆孔或鉸孔,尤其是對于精度要求高的內螺紋,可以一次對刀找正之后,使用攻絲夾具先鉆后鉸再攻絲,使形位誤差及尺寸誤差達到最小。

由于小孔攻絲相對較難,而M16以上螺紋均可用車削方法加工,并且受到鉆夾頭傳遞扭矩限制,因此攻絲夾具適用于加工M12及以下的內螺紋。

9 制造要點

加工夾具主體時,先車后銑。銑削夾具主體的裝夾柄部直接關系到刀具中心高的精度,需要注意保證尺寸底面與中心線的垂直距離20 mmjs8。以加工好的裝夾柄部為定位基準,再銑削其它表面。

滑動心軸上的梯形槽可在四軸加工中心上進行自動編程加工,也可先用平底刀分層銑削,再用倒角刀進行精修。

車削過程中必須打表找正,以保證同軸度。

車削圓錐部時,必須采用刀尖圓弧半徑補償,以保證圓錐部莫氏2號的形狀公差。

10 結束語

筆者在生產實踐過程中,在普通車床夾具結構的基礎上,設計了數控車床過載保護式攻絲夾具。攻絲夾具的應用,可以有效防止螺紋攻絲時絲錐折斷的問題,在保證加工精度的基礎上,提高了自動化程度,減輕了勞動強度,降低了生產成本。同時,也可運用攻絲夾具進行鉆孔鉸孔等工序,提高了攻絲夾具的工藝柔性,擴大了應用范圍。