油用三牙轮钻头数控铣齿设备机械切削性能的研究与改进

摘 要：油用三牙轮钢齿钻头的牙轮铣齿加工工序，一直是钻头生产线上很关键的一道工序，至今该工序配备有两台设备，是80年代初期从美国进口的专用铣齿机床。自从08年以来，钻头市场不断发生变化，钢齿牙轮钻头需求量上升、小尺寸、个性化产品种类繁多，因此，铣齿工序出现瓶颈及铣齿设备的重要性也日渐凸显出来。

关键词：关键工序；瓶颈设备；国产化；锁紧装置；疲劳变形；订单生产

该类型设备自引进投产至今，在油用牙轮生产线上已连续工作近三十年时间，累计运行近15万个小时，尤其是近几年，由于产能不断上升，设备长期处于超负荷运行，致使设备性能急速下降，在实际加工中铣偏齿现象比较严重，同时机械故障较为频繁。主要体现在，该机床在自然磨损加剧状况下，其各项精度值与出厂标准值存在误差逐渐增大，主要反映在随机工装、专用刀具结构、摇篮体数控转台A、B轴的定位锁紧机构上。

锁紧装置总成出现疲劳发生整体变形，致使每个活塞行程、阻力大小不一致，松开、夹紧不同步，工件夹紧力不够等一系列问题。另外，各类控制阀件的灵敏度下降、密封老化加剧，致使外漏、内泄现象较为严重，最终导致液压系统工作不稳定。

1 机械切削性能研究与改进的目的意义

提升老設备机械切削性能，延长设备的技术寿命主要目的，是快速缓解生产线的压力，始终能把握订单式生产节奏的主动权，解决钢齿牙轮钻头铣齿工序瓶颈问题，设备机械切削性能提升迫在眉睫。有针对性的攻关研究，首先是要根据三四轴铣原有的结构特点、设备的实际技术状态，确保设备原有加工精度、机械性能不丧失，同时又能稳定提升铣削加工机械性能、延长设备技术寿命，这一关键技术难点进行研究和改进。着手对相关几何精度、刚性进行调查，主要总成零部件国产化方案策划拟定、设计测绘工作的技术准备。

2 刀具及夹持机构的国产化构思与设计

根据机床在实际加工过程中所暴露出的问题，分析证实它的机械切削性能，首先受到刀具刀柄结构上的影响，由于刀柄的夹持力不够使刀具打转，时常导致打刀、刀具脱落飞出，存在安全事故隐患。分析发现全部指型铣刀一直沿用美国休斯技术标准，刀具刀柄尾端留有一个半圆台阶面，长度占刀柄实际总长近1/3，而且刀具在使用中不断磨损，要多次重复修磨，因此刀具总长度会逐渐变短，有效夹持部位轴向会不断向前延伸，由于该台阶的存在，有效夹持面积递进式的减少，从而降低了变径套对刀柄的夹持力。

受原刀具刀柄影响，刀具夹头体在刀具装夹过程中的，每个操作人员力量的大小不一致，锁紧力难以控制，实际装夹过程中往往锁紧力矩过大，螺纹很容易开裂损坏，导致刀具夹头体、变径套报废。而该刀夹头体属进部件，目前国内无法加工，20多年来一直依赖国外进口，采购费用昂贵、每年耗费数十万，且周期都在8-10个月以上，是困扰设备的主要因素之一。

2.1 国产化改进的关键技术点及具体思路

提升它的机械性能：

a、在不改变刀头结构的基础上，根据实际需要，对刀具刀柄结构重新改进设计，在国产化过程中去掉原有半圆台阶面，形成一个整体圆柱表面，确保夹持力持续有效。

b、将夹头体一次性使用的单一设计结构，改进设计成重复循环使用结构，在原有基础上，保留原平面盘形弧形伞齿盘。

c、主要针对刀具夹持力不够，导致安全隐患为改善着眼点，来提高刀具切削性能。

d、统一锁紧螺纹的规格，采用矩形螺纹结构，达到增强轴向锁紧力矩目的，做好易损件材料选型，确定完全互换的技术要求。

2.2 国产化改进的具体技术要求

a、刀具夹头体在国产化改进加工过程中，严格按图纸要求，确保形状与位置公差。

b、采用过盈配合冷装配。

c、利用自行设计专用辅助工装夹具，进行精磨加工达到0.005mm。

d、发黑处理入库。

e、刀具刀柄与切削韧口的同轴度控制在0.015mm以内，每个切削韧的径向跳动控制在0.025mm以内，表面粗糙度Ra0.8。

2.3 国产化改进后的实际效果验证

通过在实际使用过程中验证，其结果好于预期，实现多次重复使用，精度和使用寿命与原装件技术指标基本接近，国产化后结构特点好于原装件，易损件可以进行备件互换，彻底摆脱进口件的制约。切削性能得到有效提升，不安全因素彻底排除。

a、刀具夹头体的使用寿命由4500小时增加至11500小时。

b、单件制造费用由原装进口件2.8万元减少至0.3万元。

c、每年工装损坏维修费用下降5多万元。

d、维修、操作人员劳动强度、故障率基本降至为零。

3 数控转台的B轴锁紧及传动机构的改进设计

由于该设备运转时间长达三十多年，摇篮体数控转台B轴的定位锁紧机构已成疲劳极限状态，弹性变形转向塑性变形，各项精度值与出厂标准值存在的偏差逐渐增大，而且铣削加工牙轮齿宽不一致，主要原因是工件装夹的所在工位上各轴（B1/B2/B3/B4轴）等高出现不一致，另外，原锁紧装置的油缸由于受力较大，端盖固定螺钉常常发生断裂故障，后来采用焊接方式修复后产生变形，致使每个受力点发生变化，活塞在缸体中运行阻力大小不一致、夹紧松开时出现不同步，导致伞齿轮及传动1/2轴损坏频繁。而因为伞齿轮装配特点是90°点接触传动方式，装配间隙调整困难，需要反复数次磨调整垫，调整好后需要重新配钻定位销孔，一根轴只能重复使用2-3次。

3.1 数控转台的技术改进思路及关键技术点

3.1.1 改进思路

a、针对锁紧机构结构、工作原理，重新构思设计方案。

b、解体B1/B2/B3/B4轴，对零部件全部进行损耗检测、相关原因分析。

c、针对零部件磨损状况进行技术测量鉴定。

d、着手新的结构自行设计、零部件图纸绘制，装配技术要求制定。通过自行设计辅助工具、检具对机床几何精度进行检测调整，同时将各轴高度使其保持一致。

e、确定伞齿轮、传动轴国产化改进方案。

f、审定确立方案，相关转换件图纸设计绘制、主要部件总成选型与计划购置工作。

3.1.2技术要点

a、根据所需2500psi油压值，将英制4英寸（约102mm）直径液压油缸改换成国产直径125mm油缸。

b、设计新加工的液压拉杆，将螺纹方形退刀槽改成过渡圆弧，减少受力后的应力集中。

c、要求将原油缸分油器内的O型橡胶圈密封，改为间隙液体密封，降低压力内泄损耗。

d、将伞齿轮的模数由美制转成公制，进行配对加工。

e、按26×30mm标准涨紧环尺寸，重新设计传动轴1/轴2，全部采用公制标准。

f、外协资源国产化加工关键细节把控。

3.2 数控转台的技术改进具体技术要求

3.2.1 B轴锁紧机构

a、国产化改进加工过程中，严格按图纸要求，保正形状与置公差及加工精度。

b、装配过程中零部件的互换性较好。

c、利用自行设计专用辅助工装夹具，进行装配精度检测。

d、液压压力要求降到800psi以内。

e、环形锁紧力较原来提高3-5倍以上。

f、夾紧松开同步时间由原来8-10秒降至现在的2-4秒。

3.2.2 工件夹紧油缸

a、将英制4英寸（约102mm）直径液压油缸改换成国产直径125mm油缸。

b、设计新加工的液压拉杆，将螺纹方形退刀槽改成过渡圆弧，减少受力后的应力集中。

c、要求将原油缸分油器内的O型橡胶圈密封，改为间隙液体密封，降低压力内泄损耗。

3.2.3 传动螺旋伞齿轮

a、将伞齿轮的模数由美制转成公制，进行配对加工。

b、按26×30mm标准锥形涨紧套，重新设计传动轴1/轴2，全部采用公制标准。

c、通过外协资源国产化加工完成。

3.3 国产化改进的实际效果验证

通过上百次调试验证和一年多时间实际加工运行性能考验，设计目标、技术要求全部得以实现，部分设计应用效果好于预期，国产化改进工作取得圆满成功。实际上通过淘汰上世纪80年代初期的密封技术，改进后的零部件使用效果较原随机备件提升数倍，主要是提高工件的夹紧力，解决内泄问题。

另外，降低系统油温，提高液压系统工作地稳定性。B轴伞齿轮及传动部件进行国产化后，稳定运行近15000（两年半）小时无故障，各项技术指标全部达到设计预期，完全可以终生替代使用，再次彻底摆脱对进口件的依赖与束缚。

国产化工作完成后，有形与无形价值双双体现，机械切削性能稳定提升，彻底解决A轴翻转平衡力不均、铣齿加工尺寸不稳的质量、安全隐患的问题。整个设备技术寿命得到有效延长。降低维修劳动强度、修理成本数十倍，故障率基本为零。

4 Y轴滚柱丝杠及组合轴承国产化改进

该机床的Y/Z轴丝杠两端支撑轴承采用的是滚针式双向推力圆柱滚子组合轴承，由于受重载切削，导轨副之间摩擦阻力很大，因目前润滑方式为脂润滑，在摩擦阻力过大的情况下润滑脂润滑性能下降，丝杠转动形成轴向负载较大导致组合轴承磨损现象严重，致使机床精度丧失、机械加工性能降低。

轴承属特殊易损件，有效寿命在18000～20000小时内，如果超出它极限使用范围，寿命就会缩短，造成铣削加工尺寸不稳定，同时会导致伺服驱动、伺服电机负载过大损坏。由于丝杠工作超过疲劳极限，开始出现磨损反向间隙增大、表面冷作硬化脱落使滚珠槽研伤报废。然而专机英制规格的滚珠丝杠需要定制，费用高、周期很长，由于上述不利因素存在，所以丝杠、轴承需要充分利用国内成熟技术进行国产化改进，杜绝因备件制约导致对维修的困扰。

4.1 Y轴滚柱丝杠及组合轴承国产化相关工作思路

针对上述现象以及传动原理、结构特点，对组合轴承、滚珠丝杠进行国产化探讨，根据自行测绘条件，国产化前进行公英制的转换测绘计算。组合轴承作为丝杠的支承部件，设计时要充分考虑的满足承载能力、机械性能及精度要求，同时须能承受双向轴向载荷和径向载荷，要具备较高的传动精度和刚性，在保证关键参数的前提下，对其他影响装配精度的参数进行必要改动。注重公英制转换、技术测量与测绘细节、形位公差把握，机械性能指标确定。

4.2 Y轴滚柱丝杠及组合轴承国产化具体技术要求

a、轴承内圈端面对滚道的跳动：≤2μm；

b、轴向载荷25KN作用下，轴承的启动摩擦力矩：≤65 N·mm；

c、轴承极限转速300r/min，对应滚珠丝杠副快速移动线速度≥8～15m/min。

d、组合轴承具备轴向和径向双向承载性能，接近或达到进口同类型产品技术要求。

e、组合轴承轴向与径向跳动公差应控制在0.002mm以内，承载运行时重复定位精度准确可靠。

f、丝杠轴端与轴承装配间隙采用过度配合。

4.3 Y轴滚柱丝杠及组合轴承国产化实际效果验证

根据改进思路及技术要求，在丝杠、轴承国产化实际改进过程中，在不影响装配调整的情况下，注重对轴承的法兰上注油孔进行改进设计，便于维护时润滑油脂及时注入。通过改进设计后的组合轴承、滚珠丝杠，在实际安装使用后至今约7000小时，轴承的平均使用寿命、润滑性能较原来提高2倍，机床的机械切削性能得到前所未有提升，加工精度稳定、效率得到有效提高。各项技术指标、整体性能达到原国外进口同类产品的技术水平，而且采购周期缩短3倍，费用降低60%，同时维修工作强度降低了一倍，同样不再受进口件制约。此次铣齿设备机械切削性能攻关研究取得较好效果，基本解决了加工范围窄，工序瓶颈问题。

5 结论

上述文章主要是围绕钢齿牙轮铣齿加工工序瓶颈，针对老设备机械切削性能下降、故障率高、受进口备件制约为攻关着眼点，借助国产化改进措施，利用自己的技术优势，对上述关键技术难点进行逐项着手攻关研究。针对设备结构特点拟定改进方案，关键进口零部件、在解体维修过程中进行测绘，按照技术路线进行可行性实施。

参考文献：

[1] 组合机床与自动化加工技术.2009年第9期.

[2] 阎志硕.提高设备利用率的对策.设备管理与维修，2002年第六期.

[3] 实用轴承手册.辽宁科技出版社.2001年10月.

[4] 谭尹耕主编.液压试验设备与测试技术.北京理工大学出版社.

作者简介：

沈仕奇（1983-），男，汉族，湖北孝感人，2014级长江大学机械工程学院机械工程类在职研究生，研究方向：机械制造与自动化。