技術(shù)中心2024-12-21
摘要: 針對某一進(jìn)口BA結(jié)構(gòu)五軸加工中心的換刀機(jī)構(gòu)中斗笠式刀庫的刀盤損壞，通過闡述了刀盤的修復(fù)過程，具體介紹了刀盤的加工測量難點、連接方式及刀盤修復(fù)過程的理論建模。
1 斗笠式刀庫裝刀盤修理背景
筆者公司在很多數(shù)控機(jī)床上都采用斗笠式刀庫的形式，尤其是三坐標(biāo)立式加工中心、五軸加工中心等多采用此種刀庫的形式，這些機(jī)床主要用于加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，在公司的科研生產(chǎn)中擔(dān)任重要角色，為公司的生產(chǎn)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，所以這種斗笠式刀庫刀盤的維修具有很強(qiáng)的普適性及推廣性。斗笠式刀庫的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)和保養(yǎng)方便、刀具重量限制要求不甚嚴(yán)格、安全系數(shù)較高。
公司某臺BA 結(jié)構(gòu)五軸加工中心由于使用年限較長，加工精度無法得到有效保證，需要進(jìn)行大修改造。該機(jī)床配備的斗笠式刀庫一刀爪端被撞毀，如圖1。
刀盤缺失一塊，左右相鄰的剛性受到影響，單邊就減少3 把載刀量;考慮到平衡性原則及重量分布不均勻，重心偏移刀盤會往缺失端的對稱側(cè)傾斜?？紤]安全性，對稱側(cè)也必須減少3 把載刀量，因此有效載刀量大大減少。對于五軸立式加工中心來說，復(fù)雜型面工件的一次性加工受到較大的限制，可能會出現(xiàn)需要手動換刀的狀況，大大降低生產(chǎn)效率，延長生產(chǎn)周期。所以在這次對于機(jī)床的大修改造中此刀庫的修復(fù)也是一個必修項目。
2 方案選擇
2. 1 整體采購
整體采購刀庫存在以下問題:
整體采購刀庫存在以下問題:
(1)該機(jī)床采購時間較早，使用已經(jīng)10 多年，刀庫廠家已經(jīng)被并購，市面上已經(jīng)沒有相同型號或者相類似的刀庫。
(2)如果找機(jī)床廠家訂購替換產(chǎn)品，需要從國外進(jìn)口訂做，采購的周期需要18 周，周期過長，機(jī)床需要停機(jī)很長時間，生產(chǎn)得不到有效的保障。
(3)整體采購的話，費用估計在10 萬元左右，成本高。
(3)整體采購的話，費用估計在10 萬元左右，成本高。
2. 2 外協(xié)修復(fù)
外協(xié)修復(fù)存在以下問題:
(1)外協(xié)廠家加工裝刀盤，費用在5 萬元以上，周期在3 ～ 4 周.
(2)外協(xié)廠家加工精度達(dá)不到所需要求，不能滿足裝刀盤的安裝尺寸要求。
(3)外協(xié)廠家不了解刀盤加工工況，加工出來的刀盤的普適性較差。
(2)外協(xié)廠家加工精度達(dá)不到所需要求，不能滿足裝刀盤的安裝尺寸要求。
(3)外協(xié)廠家不了解刀盤加工工況，加工出來的刀盤的普適性較差。
2. 3 自主修復(fù)
2. 3. 1 整體加工
將刀盤整體尺寸進(jìn)行測量，通過CAD 模擬出原始刀盤完好時的外型尺寸，再選用大塊鋁件對其進(jìn)行整體加工，加工一個全新的裝刀盤，再在現(xiàn)場安裝時，以鉗工配合安裝。此方案存在以下問題:
(1)整體加工所需的大塊鋁件，基體單獨采購，費用預(yù)計12 萬元左右。
(2)整體加工工藝受限，外圓尺寸過大，圓度要求高，廠內(nèi)無合適尺寸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床。
(3)制造周期較長，需要1 個月。
2. 3. 1 整體加工
將刀盤整體尺寸進(jìn)行測量，通過CAD 模擬出原始刀盤完好時的外型尺寸，再選用大塊鋁件對其進(jìn)行整體加工，加工一個全新的裝刀盤，再在現(xiàn)場安裝時，以鉗工配合安裝。此方案存在以下問題:
(1)整體加工所需的大塊鋁件，基體單獨采購，費用預(yù)計12 萬元左右。
(2)整體加工工藝受限，外圓尺寸過大，圓度要求高，廠內(nèi)無合適尺寸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床。
(3)制造周期較長，需要1 個月。
2. 3. 2 單點修復(fù)
將刀盤破損部分進(jìn)行再加工，再加工一相同材料的修補(bǔ)件采用一定的方式拼接到裝刀盤基體上，此舉有已下優(yōu)點:
(1)零件尺寸較小，廠內(nèi)現(xiàn)有機(jī)床及加工工藝可以滿足要求。
(2)鋁件較小，現(xiàn)有材料可以滿足加工要求，成本費用預(yù)計1 000 元左右。
(3)修復(fù)周期較短，設(shè)計、加工共計需要1 周的時間。
將刀盤破損部分進(jìn)行再加工，再加工一相同材料的修補(bǔ)件采用一定的方式拼接到裝刀盤基體上，此舉有已下優(yōu)點:
(1)零件尺寸較小，廠內(nèi)現(xiàn)有機(jī)床及加工工藝可以滿足要求。
(2)鋁件較小，現(xiàn)有材料可以滿足加工要求，成本費用預(yù)計1 000 元左右。
(3)修復(fù)周期較短，設(shè)計、加工共計需要1 周的時間。
2. 4 綜合討論
通過對比以上3 種方案的實施周期、成本及可靠性，得出表1。
通過對比以上3 種方案的實施周期、成本及可靠性，得出表1。
對比表1 中的3 種方案的優(yōu)缺點，決定先采用自主單點修復(fù)方案。
3 拼接方式選擇及難點
3. 1 方式選擇
3. 1. 1 粘接技術(shù)
粘接材料的載荷分布較均勻，應(yīng)力集中最小，因此，粘接的接頭比點焊或機(jī)械連接具有更長的疲勞壽命。粘接是金屬與非金屬連續(xù)進(jìn)行連接的最完美的方法，但是對于兩個連接物體之間經(jīng)常承受撕裂應(yīng)力的情況則不能采用粘接;或者對于包覆鋁合金也應(yīng)避免采用粘接，因為在腐蝕氣氛中，包覆層會被腐蝕，從而造成粘接失效。由于該進(jìn)口BA 結(jié)構(gòu)五軸加工中心加工環(huán)境切削液飛濺，同時破損部位根據(jù)加工方式及拼接方式的不同多多少少都會承受一定的剪切力，所以粘接不是一種非?？煽康剡B接方式。
3. 1. 1 粘接技術(shù)
粘接材料的載荷分布較均勻，應(yīng)力集中最小，因此，粘接的接頭比點焊或機(jī)械連接具有更長的疲勞壽命。粘接是金屬與非金屬連續(xù)進(jìn)行連接的最完美的方法，但是對于兩個連接物體之間經(jīng)常承受撕裂應(yīng)力的情況則不能采用粘接;或者對于包覆鋁合金也應(yīng)避免采用粘接，因為在腐蝕氣氛中，包覆層會被腐蝕，從而造成粘接失效。由于該進(jìn)口BA 結(jié)構(gòu)五軸加工中心加工環(huán)境切削液飛濺，同時破損部位根據(jù)加工方式及拼接方式的不同多多少少都會承受一定的剪切力，所以粘接不是一種非?？煽康剡B接方式。
3. 1. 2 焊接技術(shù)
鋁合金焊接技術(shù)存在以下的工藝難點及局限性:
鋁合金焊接技術(shù)存在以下的工藝難點及局限性:
(1)鋁合金熱導(dǎo)率大，大約為鋼的2 ～ 4 倍，同時耐熱性很差，一般鋁合金均不耐高溫，膨脹系數(shù)大容易產(chǎn)生焊接變形，焊接裂紋傾向也很明顯，而且越薄的鋁合金板材越難焊接，容易焊穿。
(2)鋁合金焊接中極易產(chǎn)生氣孔，由于在熔池中的氫不能在焊縫成型之前排出就導(dǎo)致了焊縫中存在氣孔，鋁合金表面直接暴露在空氣中特別容易在表面產(chǎn)生一層難熔的氧化膜(成分為三氧化二鋁)，這層氧化膜熔點高達(dá)2 050 ℃，因此在進(jìn)行鎢極氬弧焊時會產(chǎn)生氧化膜，打不透無法焊接。
(3)鋁合金的焊接接頭軟化情況嚴(yán)重，焊縫強(qiáng)度系數(shù)低于母材，在熔化狀態(tài)下表面張力小，很容易凹陷。
(2)鋁合金焊接中極易產(chǎn)生氣孔，由于在熔池中的氫不能在焊縫成型之前排出就導(dǎo)致了焊縫中存在氣孔，鋁合金表面直接暴露在空氣中特別容易在表面產(chǎn)生一層難熔的氧化膜(成分為三氧化二鋁)，這層氧化膜熔點高達(dá)2 050 ℃，因此在進(jìn)行鎢極氬弧焊時會產(chǎn)生氧化膜，打不透無法焊接。
(3)鋁合金的焊接接頭軟化情況嚴(yán)重，焊縫強(qiáng)度系數(shù)低于母材，在熔化狀態(tài)下表面張力小，很容易凹陷。
3. 1. 3 螺紋搭接技術(shù)
螺紋連接是一種廣泛使用的可拆卸的固定連接。螺紋連接主要分為螺栓連接、雙頭螺柱連接和螺釘連接等3 種連接方式，它們的應(yīng)用場合主要如下:
(1)螺栓連接主要用于連接兩個較薄的零件。在被連接件上開有通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母。這種連接可以能精確固定被連接件的相對位置，適于承受橫向載荷，但孔的加工精度要求較高，常采用配鉆、鉸。
(2)用于被連件之一較厚，不宜采用螺栓連接，較厚的被連接件強(qiáng)度較差，又需要經(jīng)常拆卸的場合。在厚零件上作出螺紋孔，薄零件上作光孔，雙頭螺柱一頭擰入螺紋孔中，另一頭用平螺母壓緊薄件。在拆卸時，只需旋下螺母而不必拆下雙頭螺柱。可避免大型被連接件上的螺紋孔被損壞。
(3)螺栓(或螺釘)直接擰入被連接件的螺紋孔中，不用螺母。結(jié)構(gòu)比雙頭螺柱簡單、緊湊。用于兩個連接件中的一個較厚，但不需要經(jīng)常拆卸，以免螺紋損壞。
螺紋連接是一種廣泛使用的可拆卸的固定連接。螺紋連接主要分為螺栓連接、雙頭螺柱連接和螺釘連接等3 種連接方式，它們的應(yīng)用場合主要如下:
(1)螺栓連接主要用于連接兩個較薄的零件。在被連接件上開有通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母。這種連接可以能精確固定被連接件的相對位置，適于承受橫向載荷，但孔的加工精度要求較高，常采用配鉆、鉸。
(2)用于被連件之一較厚，不宜采用螺栓連接，較厚的被連接件強(qiáng)度較差，又需要經(jīng)常拆卸的場合。在厚零件上作出螺紋孔，薄零件上作光孔，雙頭螺柱一頭擰入螺紋孔中，另一頭用平螺母壓緊薄件。在拆卸時，只需旋下螺母而不必拆下雙頭螺柱。可避免大型被連接件上的螺紋孔被損壞。
(3)螺栓(或螺釘)直接擰入被連接件的螺紋孔中，不用螺母。結(jié)構(gòu)比雙頭螺柱簡單、緊湊。用于兩個連接件中的一個較厚，但不需要經(jīng)常拆卸，以免螺紋損壞。
3. 1. 4 綜合討論
基于以上分析建立表2。
基于以上分析建立表2。
綜合考慮以上3 種連接修復(fù)方式的可靠性、可操作性及周期，決定選用螺紋連接并配合粘接技術(shù)對修補(bǔ)件與裝刀盤基體的接觸面進(jìn)行強(qiáng)化，增強(qiáng)壽命。
3. 2 測量和加工
刀盤直徑較大，外徑處的卡口不規(guī)則，無法有效地尋找到測量基準(zhǔn)，工段測量手段有限，對于刀盤修補(bǔ)件加工存在以下問題:
(1)刀盤外圓弧直徑、圓心無法找到難以保證。
(2)刀柄卡口圓心無法定位，刀柄卡口圓弧不易加工。
(3)臺階圓弧直徑無法確定，弧度難以加工。
(4)刀柄卡口分度不易保證，裝刀后定位不準(zhǔn)，可能會發(fā)生撞刀。
(5)加工后卡口的圓弧面與刀盤基體圓弧面可能出現(xiàn)臺階。
刀盤直徑較大，外徑處的卡口不規(guī)則，無法有效地尋找到測量基準(zhǔn)，工段測量手段有限，對于刀盤修補(bǔ)件加工存在以下問題:
(1)刀盤外圓弧直徑、圓心無法找到難以保證。
(2)刀柄卡口圓心無法定位，刀柄卡口圓弧不易加工。
(3)臺階圓弧直徑無法確定，弧度難以加工。
(4)刀柄卡口分度不易保證，裝刀后定位不準(zhǔn)，可能會發(fā)生撞刀。
(5)加工后卡口的圓弧面與刀盤基體圓弧面可能出現(xiàn)臺階。
為了解決以上問題，由于測量及加工手段的限制，最后決定采用將通過刀盤外型輪廓尺寸及定位點進(jìn)行模擬并繪圖于CAD 圖紙上，再將圖紙1:1 比例打印出來，將刀盤修補(bǔ)件按照刀盤損壞處截取下來，再將刀盤修補(bǔ)件零件圖紙臨摹在待加工毛坯鋁件上，按照圖紙的外觀輪廓及定位點劃線，再將毛坯件按劃線位置進(jìn)行機(jī)械加工，以此保證了刀盤修補(bǔ)件的外觀尺寸及定位螺釘孔等位置。
為了保證修補(bǔ)件加工后的的半個圓弧與刀盤基體上的半個圓弧面能夠光滑過渡，需要先加工刀盤修補(bǔ)件的兩個半圓弧至臨近尺寸并保留5 mm 的余量，待修補(bǔ)件裝配至裝刀盤基體上以后再通過鏜床將圓弧光滑鏜出，得到一致性較好的圓弧保證接口無臺階。
4 理論建模
目前工程領(lǐng)域中低成本、高效率的逆向CAD 技術(shù)成為設(shè)計領(lǐng)域的主流。首先通過使用CAD 進(jìn)行參數(shù)化建模，建立裝刀盤損壞后的模型，通過逆向工程原理將刀盤實際完好的外形通過CAD 進(jìn)行補(bǔ)全，得到一個完整的裝刀盤。
然后通過CATIA 將CAD 中的參數(shù)化模型，通過三維圖像表現(xiàn)出來，得到一個更加直觀的刀盤模型，再將刀盤缺失部分在CATIA 三維造型軟件中進(jìn)行分解并去除，將裝刀盤基體損壞部分在CATIA 上模擬出加工后的狀態(tài)，同時將修補(bǔ)件進(jìn)行建模，最后將兩部分按照預(yù)期的效果進(jìn)行裝配模擬。通過不斷的模擬并修改設(shè)計，使修補(bǔ)裝配工藝達(dá)到一個最佳的狀態(tài)。
目前工程領(lǐng)域中低成本、高效率的逆向CAD 技術(shù)成為設(shè)計領(lǐng)域的主流。首先通過使用CAD 進(jìn)行參數(shù)化建模，建立裝刀盤損壞后的模型，通過逆向工程原理將刀盤實際完好的外形通過CAD 進(jìn)行補(bǔ)全，得到一個完整的裝刀盤。
然后通過CATIA 將CAD 中的參數(shù)化模型，通過三維圖像表現(xiàn)出來，得到一個更加直觀的刀盤模型，再將刀盤缺失部分在CATIA 三維造型軟件中進(jìn)行分解并去除，將裝刀盤基體損壞部分在CATIA 上模擬出加工后的狀態(tài)，同時將修補(bǔ)件進(jìn)行建模，最后將兩部分按照預(yù)期的效果進(jìn)行裝配模擬。通過不斷的模擬并修改設(shè)計，使修補(bǔ)裝配工藝達(dá)到一個最佳的狀態(tài)。
以下是針對此次修復(fù)建模過程的詳細(xì)介紹:
(1)修復(fù)前的刀盤一端刀柄卡口由于換刀時不慎撞刀導(dǎo)致刀盤部分缺損，缺失部位直接導(dǎo)致三把刀具無法裝夾，建模時首先通過CAD 將完整的刀盤通過拉伸、凹槽及孔等命令將裝刀盤的三維模型建立出來，再將裝刀盤損壞部位使用凹槽命令將其表現(xiàn)出來，最終完成對損壞后裝刀盤的三維建模，如圖2。
(1)修復(fù)前的刀盤一端刀柄卡口由于換刀時不慎撞刀導(dǎo)致刀盤部分缺損，缺失部位直接導(dǎo)致三把刀具無法裝夾，建模時首先通過CAD 將完整的刀盤通過拉伸、凹槽及孔等命令將裝刀盤的三維模型建立出來，再將裝刀盤損壞部位使用凹槽命令將其表現(xiàn)出來，最終完成對損壞后裝刀盤的三維建模，如圖2。
(2)由于損壞部位的外型不規(guī)則，不利于修復(fù)，同時針對修補(bǔ)件與刀盤基體連接的剛性及裝刀后運行的可靠性問題，需要將刀盤損壞部位進(jìn)行加工。通過CATIA 凹槽命令在裝刀盤損壞部位開出一個規(guī)則的方形凹槽。設(shè)計成方形的原因也是為了提高此設(shè)計的可加工性以及得到更高的剛度，并利用孔命令加工出所需螺紋孔，加工后模型如圖3。
(3)出于懸臂梁彎矩及剪切應(yīng)力的考慮，同時考慮到連接強(qiáng)度及可加工性，除了保證外弧線位置的輪廓形狀及尺寸與原有刀盤卡口的一樣以外，通過將整個刀盤完整的三維建模模擬出來以后將修補(bǔ)部分通過凹槽命令與刀盤基體部分分離開來，將刀盤基體去除，并在修補(bǔ)件上相應(yīng)位置利用孔命令制沉孔螺釘孔，最終得到修補(bǔ)件的三維模型。修補(bǔ)件最終形狀如圖4。
(4)刀盤損缺部位及刀盤修補(bǔ)件加工好后用螺釘連接固定并采用環(huán)氧樹脂及改性固化劑(AB 膠) 增加連接強(qiáng)度。在建模時通過CATIA 的裝配環(huán)境將先前建模建好的裝刀盤基體零件作為固定零件，再將刀盤修補(bǔ)件零件利用接觸約束將其裝配到刀盤基體上，用CATIA標(biāo)準(zhǔn)件庫中的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六方沉頭螺栓將刀盤修補(bǔ)件及基體連接起來得到刀盤最終修復(fù)后的效果圖，如圖5。
5 應(yīng)用效果
在該進(jìn)口BA 結(jié)構(gòu)五軸加工中心大修改造完成后，采用上述方法修復(fù)刀盤，從外觀上看，修補(bǔ)件與裝刀盤基體間完全貼合，外型美觀不干涉，如圖6 所示。
在該進(jìn)口BA 結(jié)構(gòu)五軸加工中心大修改造完成后，采用上述方法修復(fù)刀盤，從外觀上看，修補(bǔ)件與裝刀盤基體間完全貼合，外型美觀不干涉，如圖6 所示。
目前所有刀位全部裝有刀具，通過近半年時間的使用，沒有出現(xiàn)有關(guān)于裝刀盤偏心或者裝刀不穩(wěn)導(dǎo)致撞刀的現(xiàn)象發(fā)生，已經(jīng)加工了數(shù)百個工件，每個工件加工換刀6、7 次，工件加工合格，換刀順利，得到了操作人員以及使用單位領(lǐng)導(dǎo)的一致好評。本次修復(fù)過程采用自主加工，用料選用大型結(jié)構(gòu)件加工后剩下的邊角料，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。
總的來說，筆者部門負(fù)責(zé)全廠近300 臺數(shù)控機(jī)床及航專設(shè)備的維護(hù)、修理及改造，此修理方案和相關(guān)技術(shù)具有一定的普適性，可以推廣到全廠其他的設(shè)備修理、故障維修及零部件修復(fù)上，同時加以推廣可應(yīng)用于國內(nèi)類似的機(jī)床的刀盤修理，具有良好的應(yīng)用價值。
參考文獻(xiàn)
［1］王炎金. 鋁合金車體焊接工藝［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.
［2］羅冬平. 互換性與技術(shù)測量［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2016.
［3］李盛彪，黃世強(qiáng)，王石泉. 膠粘劑選用與粘接技術(shù)［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.
［4］王文斌. 機(jī)械設(shè)計手冊［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.
［5］鄭小年，楊克沖. 數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修［M］. 武漢:華中科技
大學(xué)出版社，2013.第一作者:張宇，男，1993 生，技術(shù)員，主要從事數(shù)控機(jī)床的維修、調(diào)試與改造、精度檢測工作。
［1］王炎金. 鋁合金車體焊接工藝［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.
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