胶囊生产线齿轮轴支架的数控加工

申宾德，陈佰旺

(武威职业学院，甘肃 武威 733000)

0 引言

支架在机械设备中有着广泛的应用，文中的支架是一种胶囊生产线套合自动机主机头齿轮轴支架。整个齿轮轴支架以及其他支架和附件，都安装在胶囊套合自动机主机头托板上。主机头托板在垂直方向做上下往复运动，齿轮轴支架上安装着控制胶囊长度的顶杆，齿轮轴支架和顶杆在水平方向做左右快速往复运动。整个机构负责胶囊的切割及套合。支架的精度及质量直接决定着胶囊的套合质量和设备的运行性能。

1 原始支架的材料更换

在此之前齿轮轴支架用铸钢通过铸造形成毛坯，在数控加工中心上，用高精度平口钳多次装夹，完成整个支架的精加工。

1.1 铸件材料分析

铸件的力学性能较差，切削性能低，易变形，生产周期长，整个材料的利用率低，增加了生产成本，并且多次装夹很难保证工件的形位公差及支架的整体精度。客户反馈胶囊套合自动机在运行的过程中噪声大，对上下传动的齿条磨损严重，提供动力源的伺服电机容易过载。通过对设备的多次拆装分析后发现，是由于支架质量过大所致。为了解决这一问题，决定更换支架的材料以及加工方法。

1.2 材料的更换

经过多次试验分析，最终采用7075铝合金作为替换材料。7075铝合金在切削性能上比铸钢好，易于加工，并且相同时间内7075铝合金对刀具的磨损远远小于铸钢，细小晶粒结构使它具有更好的钻孔性能，7075铝合金还具有良好的力学性能及阳极反应，同时7075铝合金的抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性都高于铸钢，并且在150℃以下有高强度等特点，完全满足设备的运行要求[1]。

2 改进后的加工工艺与方法

异形支架传统的加工方法是用铸造的半成品进行精加工，在没有专用夹具的情况下要多次装夹，不但给数控加工者带来了一定的难度，而且加工效率低。本文以伺服胶囊自动机齿轮轴支架为例(图1)，结合批量生产需要，介绍一种“裁剪法”的数控加工工艺与编程。

图1 齿轮轴支架

2.1 改进后的加工工艺与方法

根据齿轮轴支架的特点，选用650mm×200mm×45mm的7075铝合金板做毛坯。将铝板毛坯按照图样要求铣到35mm。对铣面采用大板材铣削法，大板材类零件的表面加工采用新型特制夹具组合精密定位装夹方法(图2)进行加工，必须要用面铣刀分层，反复翻面进行，最后要留精加工余量，对上下表面分别实现精铣加工。精加工余量可根据零件的变形量和形位公差要求确定。需要注意的是，对铝板毛坯进行面铣精加工时，由于铣削量不大，工件受到的铣削力很小，因此楔斜挤块的夹紧力不宜太大，以免工件受挤压力而变形，影响加工精度。

图2 新型特制组合夹具

2.2 支架的工艺安排

7075铝合金硬度相对较低，容易粘刀和产生积屑瘤。根据上述特点，加工刀具应选用耐热性高的刀具，一般选用YN10合金三刃铣铝专用刀。在相同条件下，一般铝合金的切削速度比普通碳素钢切削速度高40%～50%。主轴转速应在3 200r/min～5 000r/min之间，避免刀具温度过高；进给速度F≤4 500mm/min，避免应力释放不均而发生形变。切削液要求有良好的润滑性和冷却性，可用极压添加剂切削液或乳化液切削液。

“裁剪法”加工是在一次装夹中完成工件的所有轮廓加工。图3是全自动伺服胶囊机齿轮轴支架的正、反两面实体图。将已加工完厚度的毛坯铝板压在软工作台上，图4所示为毛坯压制方法和工件排版。一次加工一对，更有利于胶囊套合自动机的胶囊套合精度。压板位置要合理选择，可以在铝板上用记号笔画出零件外轮廓草图，确保压板与刀具无干涉。用铜棒轻轻敲击毛坯，让毛坯与软工作台完全贴合并找正，把压板压紧。然后进行编程加工，这样相对于传统的加工方法不但节省了加工成本，而且提高了工件的形位精度，同时也提高了加工效率。

图3 支架实体图

图4 毛坯压制方法和工件排版

2.3 编程与加工

本文选用MasterCAM2018进行编程，机床为FANUC-MD系统数控加工中心。x轴、y轴的编程原点确定在毛坯中心，z轴的零点以工作台表面为基准，其刀具参数选择如表1所示[2]。

表1 刀具参数表

按照加工工艺学先面后孔的原则，先加工支架装配面。为了提高加工效率，选用MasterCAM动态铣削粗加工[3]，此过程中应注意刀具的冷却，最好采用压缩空气冷却，因为液体冷却会使切屑在工件腔体内堆积，造成工件表面粗糙、发生粘刀等问题。在动态铣削编程时，壁边精加工余量和底部精加工余量应>0.8mm，为了防止动态铣削时刀具发生过切，采用图5所示支架动态铣削部分加工参数(图5(a))和刀具路径(图5(b))。动态铣削深度为17.5mm。

图5 支架动态铣削部分加工参数和刀具路径

孔加工首先用φ14mm的麻花钻钻底孔，再用φ10mm的三刃铣铝合金刀粗加工，进给速度F=1 500 mm/min，主轴转速n=2 800r/min，预留精加工余量0.1mm；精铣孔时用五刃立铣刀，进给速度F=1 000mm/min，主轴转速n=3 500r/min。粗精铣孔进给速度按照孔径的大小来决定，孔径越小进给速度应越低，铣削方式为螺旋铣削，深度为35.0mm。

螺纹底孔按照常规方法钻削，加工完工件配合面及孔之后，再铣削工件外形。外形铣削用“裁剪法”加工，在整块板材上直接铣削零件外形，此加工阶段是整个支架加工过程中的重要环节。为了确保工件外形尺寸公差，分别采用粗、精加工[4]。粗加工时，壁边可按照常规加工，留0.1mm～0.3mm预留量，但是底部预留量应在0.5mm～1.0mm之间，保证工件能够和毛坯牢固地相连，否则会在精加工时工件发生轻微移动或上翘，导致工件外形尺寸无法保证或过切，外形粗加工预留量参数如图6所示；在精加工时，吃刀量不易太大,并且底部也要留有0.1mm～0.2mm的预留量，避免在最后一刀走完时，工件直接脱离毛坯而发生撞刀，外形精加工预留量参数如图7所示。

图6 裁剪铣削粗加工预留量

图7 裁剪铣削精加工预留量

所有程序编制完成后进行仿真。图8为仿真效果图[5]。仿真无误后方可进行加工，待加工完成时，拆下工件和剩余毛坯，在毛坯背面轻轻敲下工件去掉毛刺，形成成品工件，如图9所示。

图8 仿真效果图

图9 成品工件

3 测量与检验

用三坐标对工件进行测量，所有尺寸都合格。把改进后的支架装配在设备上调试，明显地减小了设备运行时的噪声，伺服电机负载明显降低。通过胶囊生产厂家实际情况反馈，整体设备性能明显提高，胶囊套合合格率达到90%。

4 结语

文中论述了全自动伺服胶囊机齿轮轴支架的数控加工及工艺改进，并针对此类支架特点，提出合理的加工方案，并已经在实际生产中批量使用，尤其是采用了板料“裁剪法”的加工方法，只需要一次装夹，避免了异形支架加工时多次装夹和重复找正带来的误差，缩短了加工周期，提高了加工效率，降低了企业生产成本。文中思路和方法对同类异形支架零件的数控加工具有通用性和可借鉴性。