摘要: 針對(duì)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(kù)的刀盤(pán)損壞,通過(guò)闡述了刀盤(pán)的修復(fù)過(guò)程,具體介紹了刀盤(pán)的加工測(cè)量難點(diǎn)、連接方式及刀盤(pán)修復(fù)過(guò)程的理論建模。
1 斗笠式刀庫(kù)裝刀盤(pán)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(kù)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(kù)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(kù)刀盤(pán)的維修具有很強(qiáng)的普適性及推廣性。斗笠式刀庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tái)BA 結(jié)構(gòu)五軸加工中心由于使用年限較長(zhǎng),加工精度無(wú)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(kù)一刀爪端被撞毀,如圖1。
刀盤(pán)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(pán)會(huì)往缺失端的對(duì)稱(chēng)側(cè)傾斜??紤]安全性,對(duì)稱(chēng)側(cè)也必須減少3 把載刀量,因此有效載刀量大大減少。對(duì)于五軸立式加工中心來(lái)說(shuō),復(fù)雜型面工件的一次性加工受到較大的限制,可能會(huì)出現(xiàn)需要手動(dòng)換刀的狀況,大大降低生產(chǎn)效率,延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。所以在這次對(duì)于機(jī)床的大修改造中此刀庫(kù)的修復(fù)也是一個(gè)必修項(xiàng)目。
2 方案選擇
2. 1 整體采購(gòu)
整體采購(gòu)刀庫(kù)存在以下問(wèn)題:
(1)該機(jī)床采購(gòu)時(shí)間較早,使用已經(jīng)10 多年,刀庫(kù)廠家已經(jīng)被并購(gòu),市面上已經(jīng)沒(méi)有相同型號(hào)或者相類(lèi)似的刀庫(kù)。
(2)如果找機(jī)床廠家訂購(gòu)替換產(chǎn)品,需要從國(guó)外進(jìn)口訂做,采購(gòu)的周期需要18 周,周期過(guò)長(zhǎng),機(jī)床需要停機(jī)很長(zhǎng)時(shí)間,生產(chǎn)得不到有效的保障。
(3)整體采購(gòu)的話(huà),費(fèi)用估計(jì)在10 萬(wàn)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(wèn)題:
(1)外協(xié)廠家加工裝刀盤(pán),費(fèi)用在5 萬(wàn)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(mǎn)足裝刀盤(pán)的安裝尺寸要求。
(3)外協(xié)廠家不了解刀盤(pán)加工工況,加工出來(lái)的刀盤(pán)的普適性較差。
2. 3 自主修復(fù)
2. 3. 1 整體加工
將刀盤(pán)整體尺寸進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)CAD 模擬出原始刀盤(pán)完好時(shí)的外型尺寸,再選用大塊鋁件對(duì)其進(jìn)行整體加工,加工一個(gè)全新的裝刀盤(pán),再在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),以鉗工配合安裝。此方案存在以下問(wèn)題:
(1)整體加工所需的大塊鋁件,基體單獨(dú)采購(gòu),費(fèi)用預(yù)計(jì)12 萬(wàn)元左右。
(2)整體加工工藝受限,外圓尺寸過(guò)大,圓度要求高,廠內(nèi)無(wú)合適尺寸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床。
(3)制造周期較長(zhǎng),需要1 個(gè)月。
2. 3. 2 單點(diǎn)修復(fù)
將刀盤(pán)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(pán)基體上,此舉有已下優(yōu)點(diǎn):
(1)零件尺寸較小,廠內(nèi)現(xiàn)有機(jī)床及加工工藝可以滿(mǎn)足要求。
(2)鋁件較小,現(xiàn)有材料可以滿(mǎn)足加工要求,成本費(fèi)用預(yù)計(jì)1 000 元左右。
(3)修復(fù)周期較短,設(shè)計(jì)、加工共計(jì)需要1 周的時(shí)間。
2. 4 綜合討論
通過(guò)對(duì)比以上3 種方案的實(shí)施周期、成本及可靠性,得出表1。
對(duì)比表1 中的3 種方案的優(yōu)缺點(diǎn),決定先采用自主單點(diǎn)修復(fù)方案。
3 拼接方式選擇及難點(diǎn)
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(diǎn)焊或機(jī)械連接具有更長(zhǎng)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(duì)于兩個(gè)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(duì)于包覆鋁合金也應(yīng)避免采用粘接,因?yàn)樵诟g氣氛中,包覆層會(huì)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(shí)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(huì)承受一定的剪切力,所以粘接不是一種非常可靠地連接方式。
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(diǎn)及局限性:
(1)鋁合金熱導(dǎo)率大,大約為鋼的2 ~ 4 倍,同時(shí)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(diǎn)高達(dá)2 050 ℃,因此在進(jìn)行鎢極氬弧焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化膜,打不透無(wú)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(chǎng)合主要如下:
(1)螺栓連接主要用于連接兩個(gè)較薄的零件。在被連接件上開(kāi)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(duì)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(chǎng)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(shí),只需旋下螺母而不必拆下雙頭螺柱??杀苊獯笮捅贿B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(jiǎn)單、緊湊。用于兩個(gè)連接件中的一個(gè)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。
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(duì)修補(bǔ)件與裝刀盤(pán)基體的接觸面進(jìn)行強(qiáng)化,增強(qiáng)壽命。
3. 2 測(cè)量和加工
刀盤(pán)直徑較大,外徑處的卡口不規(guī)則,無(wú)法有效地尋找到測(cè)量基準(zhǔn),工段測(cè)量手段有限,對(duì)于刀盤(pán)修補(bǔ)件加工存在以下問(wèn)題:
(1)刀盤(pán)外圓弧直徑、圓心無(wú)法找到難以保證。
(2)刀柄卡口圓心無(wú)法定位,刀柄卡口圓弧不易加工。
(3)臺(tái)階圓弧直徑無(wú)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(huì)發(fā)生撞刀。
(5)加工后卡口的圓弧面與刀盤(pán)基體圓弧面可能出現(xiàn)臺(tái)階。
為了解決以上問(wèn)題,由于測(cè)量及加工手段的限制,最后決定采用將通過(guò)刀盤(pán)外型輪廓尺寸及定位點(diǎn)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(lái),將刀盤(pán)修補(bǔ)件按照刀盤(pán)損壞處截取下來(lái),再將刀盤(pán)修補(bǔ)件零件圖紙臨摹在待加工毛坯鋁件上,按照?qǐng)D紙的外觀輪廓及定位點(diǎn)劃線(xiàn),再將毛坯件按劃線(xiàn)位置進(jìn)行機(jī)械加工,以此保證了刀盤(pán)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(gè)圓弧與刀盤(pán)基體上的半個(gè)圓弧面能夠光滑過(guò)渡,需要先加工刀盤(pán)修補(bǔ)件的兩個(gè)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(pán)基體上以后再通過(guò)鏜床將圓弧光滑鏜出,得到一致性較好的圓弧保證接口無(wú)臺(tái)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(jì)領(lǐng)域的主流。首先通過(guò)使用CAD 進(jìn)行參數(shù)化建模,建立裝刀盤(pán)損壞后的模型,通過(guò)逆向工程原理將刀盤(pán)實(shí)際完好的外形通過(guò)CAD 進(jìn)行補(bǔ)全,得到一個(gè)完整的裝刀盤(pán)。
然后通過(guò)CATIA 將CAD 中的參數(shù)化模型,通過(guò)三維圖像表現(xiàn)出來(lái),得到一個(gè)更加直觀的刀盤(pán)模型,再將刀盤(pán)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(pán)基體損壞部分在CATIA 上模擬出加工后的狀態(tài),同時(shí)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(guò)不斷的模擬并修改設(shè)計(jì),使修補(bǔ)裝配工藝達(dá)到一個(gè)最佳的狀態(tài)。
以下是針對(duì)此次修復(fù)建模過(guò)程的詳細(xì)介紹:
(1)修復(fù)前的刀盤(pán)一端刀柄卡口由于換刀時(shí)不慎撞刀導(dǎo)致刀盤(pán)部分缺損,缺失部位直接導(dǎo)致三把刀具無(wú)法裝夾,建模時(shí)首先通過(guò)CAD 將完整的刀盤(pán)通過(guò)拉伸、凹槽及孔等命令將裝刀盤(pán)的三維模型建立出來(lái),再將裝刀盤(pán)損壞部位使用凹槽命令將其表現(xiàn)出來(lái),最終完成對(duì)損壞后裝刀盤(pán)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(shí)針對(duì)修補(bǔ)件與刀盤(pán)基體連接的剛性及裝刀后運(yùn)行的可靠性問(wèn)題,需要將刀盤(pán)損壞部位進(jìn)行加工。通過(guò)CATIA 凹槽命令在裝刀盤(pán)損壞部位開(kāi)出一個(gè)規(guī)則的方形凹槽。設(shè)計(jì)成方形的原因也是為了提高此設(shè)計(jì)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(shí)考慮到連接強(qiáng)度及可加工性,除了保證外弧線(xiàn)位置的輪廓形狀及尺寸與原有刀盤(pán)卡口的一樣以外,通過(guò)將整個(gè)刀盤(pán)完整的三維建模模擬出來(lái)以后將修補(bǔ)部分通過(guò)凹槽命令與刀盤(pán)基體部分分離開(kāi)來(lái),將刀盤(pán)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(pán)損缺部位及刀盤(pán)修補(bǔ)件加工好后用螺釘連接固定并采用環(huán)氧樹(shù)脂及改性固化劑(AB 膠) 增加連接強(qiáng)度。在建模時(shí)通過(guò)CATIA 的裝配環(huán)境將先前建模建好的裝刀盤(pán)基體零件作為固定零件,再將刀盤(pán)修補(bǔ)件零件利用接觸約束將其裝配到刀盤(pán)基體上,用CATIA標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六方沉頭螺栓將刀盤(pán)修補(bǔ)件及基體連接起來(lái)得到刀盤(pán)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(pán),從外觀上看,修補(bǔ)件與裝刀盤(pán)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(guò)近半年時(shí)間的使用,沒(méi)有出現(xiàn)有關(guān)于裝刀盤(pán)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(gè)工件,每個(gè)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(píng)。本次修復(fù)過(guò)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(huì)效益。
總的來(lái)說(shuō),筆者部門(mén)負(fù)責(zé)全廠近300 臺(tái)數(shù)控機(jī)床及航專(zhuān)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(shí)加以推廣可應(yīng)用于國(guó)內(nèi)類(lèi)似的機(jī)床的刀盤(pán)修理,具有良好的應(yīng)用價(jià)值。
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