叶轮型面半自动成形铣床的研制

1　问题的提出及方案的制定

1.1　问题的提出
　　叶轮是罗茨风机上的关键零件，其型面为渐开线曲面（图1）。传统的加工方法采用仿形铣或数控单刀刨削加工，存在以下缺点：
　　（1）加工后的叶轮型面表面粗糙度和尺寸精度低。
　　(2)叶轮型面的一致性和型面对轴心线的对称度达不到产品图纸的要求。
　　(3)加工效率低。单件工时35～40min，一台机床不能加工L3～L5三个品种、18个规格尺寸及年产7400台套的需求。
　　(4)走刀次数多，刀具磨损快，寿命短，加工质量不稳定。
　　针对上述情况，提出了研制半自动叶轮型面成形铣床。

图1　叶轮工作图

叶轮型号及其规格尺寸

　ABCDEFGHI型
号L3188^{-0.13_{-0.2138.5R32.5177.9712586.68760335^{-0.10_{-0.1988.75^{-0.17_{-0.23L4244^{-0.15_{-0.2350R41227.4716010.71478200^{-0.15_{-0.24113.68^{-0.19_{-0.25L5300^{-0.2_{-0.362R51.5284.33200138.3397250^{-0.22_{-0.32142.1^{-0.265_-0.335}}}}}}}}}}}}}}}}}

　　叶轮型面上的任一素线对轴心线的平行度：L3：0.08；L4：0.06;L5：0.06。叶轮型面对轴心线的对称度：L3：0.05;L4：0.05;L5：0.06。

1.2　方案的制定
　　叶轮零件的材质为HT250，硬度180～220HB。形状为椭圆形，单边余量为5～6mm,两面均需加工，要保证零件的加工精度，提高产品质量和劳动生产率，只能采用成形铣削的方法，并且粗、精分开在两台机床上完成，结合用户的需求，以及能达到的技术要求制定了以下技术方案。
　　(1)粗精加工分开。粗铣机床加工的单边余量为5mm左右，精铣机床加工的单边余量为0.75mm左右。
　　(2)能适应L3～L5三个品种18个规格尺寸。
　　(3)用成形铣刀，粗精铣一次走刀完成整个单面型面的加工，单件工时≤6min。
　　(4)在精铣机床上设置了磁栅数显测量系统，用于检测刀具上下调整的位置，保证型面对轴心线的对称度。
　　由于一次走刀渐开线型面加工成形，加工的深度达5mm以上，且加工面积又大。经计算切削的圆周力达20000N，需要专门研制专用的成形铣刀和高刚度的机床。经过一年多的试制，最终完成了JX2005C和JX2005J半自动叶轮型面粗、精铣机床各一台，投入使用两年多，收到良好的经济和社会效益。

2　机床的主要结构设计

2.1　JX2005C粗铣机床
　　机床结构形式如图2所示。

图2　JX2005C粗铣机床结构
1.主轴尾座总成　2.滑枕总成　3.主轴箱　4.操纵盒　5、9.侧座　6.工作台　
7.床身　8.夹具　9.侧座

　　机床的整体布局为框架式，主轴箱3固定不动，支承刀具的尾座1可以轴向移动，调好后固定不动，主轴箱3和尾座1用滑枕连成一体。装有成形铣刀的刀杆一端装在主轴孔内并由拉杆拉紧，另一端装在带有滚动轴承的尾座内。尾座和主轴箱装在机身上，使它们成为一个整体，这种结构形式大大提高了机床的刚度和抗振性。主轴尾座的结构设计如图3所示。

图3　尾座机构
1.调整装置　2.后龙门架　3.夹紧机构　4.横梁
5.尾座　6.外套　7.内套　8.成形刀　9.刀杆

　　尾座用来支撑回转的刀杆，它对于提高主轴刀杆的刚度和抗振性至关重要。在尾座的前支撑处装有内外套，外套有滚动轴承支撑，其内孔和内套有1∶10的锥度，并在内套的圆周上对称开有三个2mm宽的轴向不通的长槽，刀轴装入内套后，由后端的螺母将内套轴向拉动，用以调整刀轴支撑处和套之间的间隙，达到提高刀杆支撑刚度的目的。在机床工作时，尾座在滑板上固定，其上部用丝杆顶紧，这样使滑枕尾座和小滑板成为一个整体。当换刀时，将上述夹紧部位全部松开，手动转动小丝杠将尾座退出刀轴支撑端，以便完成换刀。

2.2　JX2005J精铣机床
　　机床结构形式如图4所示。主轴箱1通过步进电机—减速器(i=1∶17)—滚珠丝杠螺母副在立柱3上做上下移动，在加工过程中主轴箱1通过操纵手柄，牢固的锁紧在立柱3的导轨面上，而由工作台4作进给运动。主轴箱1上下的移动，用于调整吃刀深度和适应叶轮品种变化。刀杆6通过主轴箱1、立柱3、滑枕9、尾架8、支架7及床身构成一个框架，大大提高了主轴刀具系统的刚度。

图4　JX2005J精铣机床结构形式
1.主轴箱　2.磁栅尺　3.立柱　4.工作台　5.床身
6.刀杆　7.支架　8.尾架　9.滑枕总成

2.3　粗、精铣主轴箱的结构设计
　　如图5所示。主轴前端的锥孔是7∶24，直径为69.85mm，主轴前端有两个定位键25.415mm，用于传递扭矩，主轴后端有拉杆，用于拉紧刀轴。

图5　主轴部件的结构

　　粗铣机床主轴前端的直径为150mm，精铣为100mm，其前支撑均为C3182100和C2268100双向推力向心球轴承，后支撑为D3182000双列向心短圆柱滚子轴承，中间有辅助支撑单列向心球轴承。这样配置在有预紧力的情况下，不仅保证了主轴的回转精度，同时可承受大的径向载荷和轴向载荷，提高了主轴的支撑刚度和精度。
　　在主轴的前支撑处的大齿轮均采用β=10°的斜齿轮，使主轴运转平稳。

2.4　专用夹具的设计
　　L3、L4、L5三个品种的叶轮粗精铣夹具各有三套，夹具构成如图6所示。

图6　工件夹具
1.滑块　2.底座　3.斜块　4.定心轴　5.形块
6.调整杆　7.压板

　　夹具装在机床上，由工作台上的中间T型槽定位。工件装在夹具上用定心轴4插入端面孔进行定位。定心轴4一头的四方放在形块5上，用以保证叶轮左右限位。叶轮的两面靠在定心轴4两端的端面上，保证前后限位。手动转动丝杠，使带有斜面的滑块1和斜块3作相对运动，调整工件上下位置，以便调整余量的大小。
　　在粗铣时，切削余量平均5mm，一次切削切削力和切削面积都大，因而夹具设计关键是零件的夹紧点和夹紧力的选择。夹紧点选为叶轮的内孔，每孔两点(图7)，用四个压板和M20的螺栓将叶轮压在工作台面上，工件由四个支撑板支撑。由于孔壁厚，工件不易变形。每个点的夹紧力，经计算均在10kN以上，实践证明夹紧力是足够的。

图7　夹具调整位置图
1.支撑板　2.定心轴　3.工件端面

2.5　刀具结构设计简介
　　粗铣用的刀具为_{外250mm，_{内60mm，刀体材料用45钢，切削部分采用硬质合金可转位刀片。精铣用的刀具为_{外220mm，_{内50mm，采用W18Cr4V整体高速钢材料，每个品种各有一组刀。刀具设计分成两半，便于制造，将渐开线刀刃分成若干段用圆弧逼近。实践证明加工后的精度完全符合零件图纸的要求。
　　本机床于1996年3月在天津市鼓风机总厂投入使用至今两年多，效果很好。加工零件的表面粗糙度和尺寸精度均提高一级，保证了产品质量，提高劳动生产率8.5倍。两年多为该厂产生经济效益349万元。}}}}

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叶轮型面半自动成形铣床的研制

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