自動補償鏜刀桿國產化及其改進

時間:2011-05-28 08:56:15 來源:未知

在孔加工中，作為系統執行部分的補償鏜刀桿，是系統的主要元件，也是消耗較多的易損件。我廠汽車轉向節加工自動線精鏜主銷孔工序中，一直使用可樂滿-馬波斯自動檢測自動補償系統(Coromant Marposs TWC System)。過去為購買易損件——山特維克補償鏜刀桿，每年要花不少外匯。為此，我們自行研制了這種鏜刀桿，并對鏜刀桿的結構參數進行了改進，滿足了新的工作性能要求。到目前為止，這種改進的補償鏜刀桿，在我廠已經穩定地生產了多批。

1.步進電動機 2. 軸向調節補償器 3.連桿 4.拉桿 5.鏜孔零件
6.測量頭 7.測量儀表 8.控制儀表 9.鏜刀桿
圖1 自動檢測自動補償單位工作原理

1. 鏜刀桿 2.拉桿 3.密封圈 4.螺釘 5.鏜刀
6.刀片 7.支撐塊 8.碟形彈簧 9.支撐座 10.工件
圖2 補償鏜刀桿簡圖

1 工作原理

該系統的工作原理如圖1所示。鏜刀桿9為加工完后的退出狀態。當測量頭6將測量的孔徑誤差值傳遞給測量儀表2 時，指針直觀地顯示鏜孔誤差所處的公差帶位置，即指明是在系統的工作范圍內或已超出工作范圍。同時將測量值傳遞到控制儀表8，按預先設定的程序進行處理(與標準值進行比較)，當鏜孔誤差超出設定的控制界限的下限時，則輸出脈沖信號到步進電動機1，步進電動機的脈沖回轉驅動軸向調節補償器2，通過軸向移動連桿3移動鏜刀桿中心孔內的拉桿4，再通過拉桿的斜面，使刀尖徑向伸出，將鏜孔尺寸恢復到程序設定控制界限的上限，完成一個補償循環。這樣循環繼續下去，直到刀尖磨損到程序設定的最大的磨損量SDr而自動發出換刀信號為止，這期間保證所有的鏜孔尺寸都控制在公差范圍內。

2 山特維克補償鏜刀桿結構

如圖2 所示，帶內冷卻補償鏜刀桿與一般鏜刀桿的主要區別是具有兩個內冷卻深孔。另外該鏜刀桿同時加工轉向節上同軸的兩個主銷孔，在同類鏜刀桿中屬細長鏜桿，所以在鏜刀桿前端設置導向支承座，讓鏜刀桿伸入支承座以后才開始鏜孔，以保證鏜刀桿的工作剛性。為此，鏜刀桿前端導向部分開有三段共6個用以鑲裝導向支承塊的槽，每段兩個槽徑向對稱，支承塊有徑向浮動量，由小碟形彈簧支承，還有兩個彈性刀夾槽。其余結構與一般鏜刀桿相同。

3 鏜刀桿的關鍵制造工藝

容納拉桿的f12H7×392mm深孔的加工
該孔與補償拉桿配合，其性質有如滑閥孔與閥芯的配合，理論上最小間隙為零，孔粗糙度Ra0.8µm。我們在深孔鉆床上用槍鉆頭加工。槍鉆的優點是鉆進直線性好，加工孔徑尺寸準確，粗糙度值較小。但當深孔鉆床性能下降時，鉆削孔徑精度難以達到要求。此時，也可適當放寬孔徑公差，配用研磨棒研磨，以提高孔的圓柱度和減小表面粗糙度值。然后配磨拉桿，使拉桿與孔的配合間隙近乎于零，以能移動自如為準。

圖3 精密鉆模
內冷卻用的2-f4.2×332mm深孔的加工
這兩個不在軸心線而且長徑比較大的深孔比上述深孔更難加工，因為零件不能旋轉，很容易鉆偏，特別是兩小孔的孔壁離鏜刀桿外圓僅4.4mm，鉆孔時很容易穿破鏜刀桿外圓而報廢。我們使用普通麻花鉆頭，由鉆模(圖3)導向在搖臂鉆床上加工，用5根長度遞增鉆頭分5段鉆成。鏜刀桿直立裝在組合夾具上，用V形定位，保證其與搖臂鉆主軸回轉軸線同軸。鉆模制造時為保證導向孔與鉆模外圓軸線平行，導向孔在坐標鏜床上先用中心鉆和較小鉆頭按坐標從兩端預鉆小孔，保證兩端小孔的同軸度，然后用#p#分頁標題#e#f4.2鉆頭從一端鉆通接上。鉆模經氮化處理以保證導向孔的耐磨性。
浮動支承塊的裝配
根據鏜刀桿浮動導向支承塊的工作性能，支承塊圓弧的最終加工放在鏜刀桿預裝配時進行。這時裝支承塊，要墊入一塊厚度等于碟形彈簧組工作狀態時的高度的墊塊，為碟形彈簧留一高度。6個支承塊預裝于槽內和鏜刀桿一起磨出外圓，然后卸下待鏜刀桿，精磨后連碟形彈簧一起再裝入支承塊槽內。注意控制碟形彈簧的高度，以保證支承塊進入導向孔時對碟形彈簧的壓縮量及其預壓量，以產生足夠的支承力，又使支承塊進入導向孔時，不致將碟形彈簧壓死。標準碟形彈簧的結構參數和力量一般滿足不了該鏜刀桿的要求，我們采用的是自制碟形彈簧。
鏜刀桿的選材及熱處理
和所有精密鏜刀桿一樣，該鏜刀桿為獲得足夠的強度和耐磨性，選用38CrMoAl經輝光離子氮化處理。機械加工前作調質處理為氮化處理做好組織準備，又有較好的機械加工性能。氮化前做兩次時效處理以消除機械加工應力，減小氮化時的變形，保證鏜刀桿精磨以后有均勻和較厚的氮化層，使鏜刀桿有較好的精度持久性和較長的使用壽命。

圖4 轉向節精鏜工序草圖

4 鏜刀桿的結構改進

改進的目的
由于被加工零件汽車轉向節主銷孔兩孔長度不一致(圖4)，短孔長54mm，長孔長80mm，兩孔長度比近似達到1:1.5，使鏜刀桿上兩個刀尖磨損不同步，即每次鏜完孔后，刀尖磨損量不一樣，鏜完若干孔以后，刀尖總的磨損量也不一樣。原鏜刀桿對兩個刀尖的補償是同步的而且補償量是完全一致的，使用自動補償就會造成部分零件的短孔超上差，或者長孔超下差，迫使操作者不得不采用人工補償，并且每次更換刀片調刀尖時，有意使鏜長孔的刀尖比鏜短孔的刀尖的徑向多伸出一些，即鏜短孔刀尖按直徑+0.030mm調刀，鏜長孔刀尖按直徑+0.040mm調刀。而且操作者在自動線加工一定數量零件后要抽查短孔或長孔尺寸，當發現孔徑接近下差時，及時人工向控制儀表輸入補償量。這樣雖可以保證鏜孔尺寸合格，但孔徑散差大，造成壓主銷孔襯套時有的套與孔配合太松，有的配合太緊而收縮量大，不得不在自動線后增加一道推孔工序，即對孔徑太小的孔用推刀再推一次然后壓襯套，非常麻煩。下面將用刀尖工作循環動態曲線對出現這種缺陷進行具體分析，說明改進措施及效果。
分析現有缺陷
根據TWC系統的應用手冊推薦，對標準鏜桿的調整是：設定刀尖的半徑上的工作范圍為 W≈(r₁-r₂)/2式中r₁、r₂分別為孔的最大半徑與最小半徑。
根據孔的尺寸公差，計算得刀尖在半徑上的工作范圍為W=8µm，每次補償數，取Dr=6µm。

圖5 以長孔測量值輸入所得刀尖磨損及補償動態曲線

如果以長孔的測量值作為補償的輸入信息，由于孔長不一致，得到鏜孔時兩孔半徑上刀尖磨損及補償動態曲線(圖5)，其中實線為長孔刀尖動態曲線，虛線為短孔刀尖動態曲線。可見由于短孔刀尖磨損慢，使短孔將有部分超上差可能。同理，如果以短孔的測量值作為補償的輸入信息，則又因長孔刀尖磨損快而有部分長孔超下差可能。
如果以長孔和短孔的測量值之和的一半作為補償的輸入信息，將可能同時有部分長孔超下差，部分短孔超上差。正因為這樣，當加工到一定零件數以后，操作者不得不趕緊抽查孔徑尺寸，避免超差。這樣刀尖遠遠發揮不到系統正常使用時的總補償數SD#p#分頁標題#e#r，即縮短了刀頭的使用壽命。
改進措施
為此，我們對鏜刀桿的斜面調整角a進行改進。眾所周知，當切削用量不變時，刀尖的磨損程度與切削路程有關，切削路程大磨損也大，刀尖正常磨損階段中磨損量與切削路程近似成正比。在同樣的工作班時間里，長孔刀尖比短孔刀尖磨損大，為使每次補償后兩個刀尖都大體恢復到設定的工作范圍的上限，要求長孔刀尖每次補償量比短孔刀尖大，即長孔的補償量與短孔的補償量之比相當于長孔鏜孔長度L_H與短孔鏜孔長度L_S之比。

a—刀桿調整角 r_j—一個脈沖補償量 A、B—杠桿臂長 p—補償螺桿節距
圖6 補償機構

如圖6所示，根據TWC補償機構工作原理，補償器每個脈沖產生的刀尖半徑補償量為
r_j=p×1000×Atana400×B

式中r_j——1個脈沖的刀尖補償量，µm
a——刀桿調整角，(°)
p——補償器螺桿節距，mm
A、B——杠桿臂長
400——步進電動機轉1轉所需脈沖量

刀夾是標準件，A/B為定值，p為常數，要想改變刀尖一個脈沖的補償量只有改變調整角a。所以，要求長孔刀尖調整角a_H與短孔刀尖調整角a_S的比例關系為 tana_H/tana_S=L_H/L_S
設定a_S=3°
則a_H=arctan(tan 3°80/54)≈4.5°

圖7 改造后以長孔測量值輸入所得刀尖磨損及補償動態曲線

具體程序設定中，以長孔測量值作為補償信息，為適當照顧兩刀尖磨損不一致，取刀尖工作范圍W=10µm，長孔每一次補償總數Dr(長)=8µ，根據兩刀尖調整角a的比例關系，可推得短孔每次補償數為Dr=5µ，改進后的刀尖磨損及補償動態曲線如圖7。可見，修改了刀尖調整角a以后，兩個刀尖的磨損和補償量都能保持穩定狀態，使鏜孔尺寸實現了受控狀態。
改進效果
- 調刀時兩刀尖可以調成一致，操作方便；
- 兩孔刀尖磨損雖不一致，但每次補償后兩刀尖又回到調刀時的同一起點，使鏜孔尺寸分散度變小；不再出現超差零件，不用再增加推孔工序；
- 真正實現TWC系統的自動補償功能，使總補償量SDr得以提高，一次調刀能加工較多零件，提高了自動線的生產率；
- 短孔刀尖使用壽命還是略有浪費，這是零件轉向節兩孔長度不等留下的唯一不足。