0 引言

      隨著製造業的發展， 國內閥門體這種批量較大的零件， 其製造精度（dù）和（hé）質量穩定性（xìng）的（de）要求也在不斷（duàn）提高。經過反複調研， 作（zuò）者了解到目前的閥門製造業（yè）對閥門體的加工基本是采用多台普通車（chē）床進行（háng）分序加工， 需多次定位裝夾加工， 操作者（zhě）多次上下料， 加工效（xiào）率低、零件成品合格率低。隨著國內數控機床應用的飛速發展（zhǎn）和普及， 專門針對閥門體開發設計一種（zhǒng）一次裝夾定位（wèi）多工序複合加工的數控閥門（mén）專用機床越來越成（chéng）為閥門製（zhì）造業用戶的迫切需求。

      1 機床總體方案設計構想

      閘（zhá）閥是一種應用非常廣泛的閥門（mén）， 其閥門體材料為鑄鐵， 流過介（jiè）質為（wéi）液體， 尤其以水作（zuò）為介質時， 因鏽蝕損壞， 屬易（yì）耗件， 市場需求（qiú）量極（jí）大。圖1 為（wéi）一典型閥門體零（líng）件圖（tú）， 零（líng）件呈“T” 字形（xíng）， 須加工左右法藍（lán）端（duān）麵、水線、內部閥芯（xīn）密封麵， 加工質量要求主要集中於閥門兩內端密封麵的對稱度、平行度和（hé）表麵質量。

      數控專用機床的設計關鍵在於如何實現針對（duì）零件的（de）多工序、多台設備反複裝（zhuāng）夾（jiá）定位加工（gōng）多工序、盡可能設計為單台設備一次裝夾定位複合加工（gōng）， 從而提高加工（gōng）效率、零件質量穩定性， 同時在設計（jì）過程中必須充分考慮模塊化的設計理念， 並將之運用到專用機（jī）床（chuáng）設（shè）計中。

      長期以來， 閥門體的加工用5 台普通車床完成一件閥（fá）門體的所需加工工序， C1： 加工上端麵； C2： 加工左端麵、锪水線及倒角； C3： 加工右端麵、锪水線及倒（dǎo）角； C4： 加工右端內密封麵及倒角； C5： 加工左端內密封麵及倒角， 加工節拍大約28 分鍾/件， 其中80%的時間用於零件的輔助（zhù）定位裝夾上， 按一個班8 小時計（jì）算， 一個班計一個月（yuè）僅能生（shēng）產500 多件。同時（shí）由（yóu）於多次（cì）定位裝（zhuāng）夾， 定位基準和使用基準不一致（zhì）， 加工（gōng）後其主要工作麵對稱度要求難（nán）以控製， 零件尺寸一致性較差。由（yóu）於操作工人加工過程中人為的因素， 因此（cǐ）零件質量穩定性（xìng）差、加工經濟性也較差。總體設計方案如圖2 所示（shì）， 采用立式加工中心底座結構， 去掉原機床立柱， 保留兩個移動軸， 在原立柱部分安裝兩個主軸動力（lì）頭， 移動工作台上安裝回轉台， 夾具裝夾工件置於回轉台上， 靠轉台（tái）轉位180°， 從而實現對零件的（de）雙麵（miàn）加工。

      從典型零件（圖1） 可見（jiàn）， 技術要求較一般， 精度等級（jí）不高， 主（zhǔ）要是兩內端麵的密封性， 因此為保證（zhèng）密封麵的平行度， 考慮用鏜床的徑向刀架原（yuán）理來加工內端麵，問題（tí）的關鍵是如何開發一種較適（shì）合（hé）車床使（shǐ）用相應規格較小的（de）徑向刀架。考慮到采用最少的裝夾次數， 實現多工序加工， 設計考慮了以下兩個工藝方案： ①銑外端麵、锪水線； 鏜內端麵、倒角， 加工節拍大約5 分鍾/件；②锪水線、倒角； 鏜外端麵、內端麵， 加工節拍大約6分鍾/件。這兩種方案在一次裝夾的過程中， 能解決上述C2~C5 四個加工（gōng）工序在一台（tái）機床上加工完成， 從零件加工時間上極大地提高了加工效率， 經過和用戶溝通， 針（zhēn）對（duì）該企業的實際（jì）情況、考慮到生產（chǎn）成本等綜合因素， 決（jué）定選用工藝方案（àn）②， 采用此（cǐ）方案按一個班8 小時（shí）計算， 一個月一班能生產2400 多件閥門體。與原加工方案對比從產量上（shàng）比原來增加了380%。

      2 平旋盤技（jì）術在車床（chuáng）主軸上的應用

      在總體設計方案確定後， 考慮到閥門（mén）體內密封麵加工技術（shù）要求對零件裝配使用至關重要， 按設計及工藝（yì）方案， 要（yào）加（jiā）工零件的內（nèi）端麵， 工件不旋轉， 刀架就必須邊旋轉（zhuǎn）邊作徑向運動。結合模塊化（huà）設計考慮， 以車床（chuáng）主軸單元作為模塊化（huà）動力頭單元， 將鏜床的平旋盤技術應用到車床主軸係單（dān）元中成為設計的重（chóng）點環節之一。

      平旋盤機構在鏜床、臥式鏜銑加工中心應用較為成熟， 但將之開發設計應用車床（chuáng）主軸上使用， 目前國內仍然很少見。國外有專（zhuān）門的廠家將平（píng）旋盤開發為機（jī）床的功能附件， 但（dàn）價格太高， 綜合考慮機床的價（jià）格後選擇自己設計有針對（duì）性、能滿足加工需求的平旋盤。針對所加工通徑準100mm 閥門體零（líng）件， 作為模塊化設計， 可以與A2-6 號主（zhǔ）軸標準單元（yuán）相匹（pǐ）配， 考慮（lǜ）到轉動慣量不能太大， 初（chū）步設計平旋盤規格為直徑準350mm。

      （1）平旋盤方案設計。實現刀架的直線運動可用齒輪齒條機構或（huò）絲（sī）杆螺母機構（gòu）， 絲杆螺母傳動結構簡單、能實現很大的傳動降速比、傳動（dòng）平穩（wěn）、而（ér）且隻要（yào）用較小的轉（zhuǎn）矩， 就能獲得較大的軸向牽引（yǐn）力、當螺旋升角小於（yú）摩擦角時， 還具有自鎖作用。為得到較大的降（jiàng）速比平旋盤內部的傳動采用齒輪和蝸輪蝸杆傳動。采用XDL1 電磁離合器控製刀架進給運動的接通和斷開， 離合器（qì）斷開時（shí）， 主軸旋轉， 而刀架不移動， 對（duì）刀完成後， 離合器接通， 主軸旋轉同時經過齒輪、蝸杆蝸輪副、絲杆螺母（mǔ）， 實現刀架徑向運動， 端麵加工完成， 離合器斷開， 退刀。徑向刀架的移動極（jí）限位置用接近開關控製（zhì）。最終確定的平旋盤（pán）結構如圖3 所示。

      設定主軸的旋轉方（fāng）向為順時針旋轉（從機床正麵看） ， 則蝸杆的旋向是右（yòu）旋， 絲杆旋向為右旋（xuán）， 刀架滑板從右向左運動， 因此將（jiāng）絲杆的左支承定為主要（yào）支（zhī）承， 右支承為輔助支承。為保證加工麵的表麵粗糙度（dù）， 確定進給量為0.1mm/r， 絲杆（gǎn）螺距定為2mm， 平旋盤的傳動比（bǐ）：

      TⅢ= TⅤ×i=0.53×1/22×1/2.35=0.01N·m

      III 軸傳遞扭矩小， 因此選用（yòng）XDL1 小型離合器（qì）足夠。

      3 機床的切削試驗

      通過以上幾個方麵重（chóng）點設計， 配上大森數控係統、液壓、潤滑係統、防護外罩， STC100valve 數控閥門專用機床試製裝調完成後（hòu）， 對用（yòng）戶提供的試件進行了大量的加（jiā）工試切， 目的在於摸索理想的切削參數和對機床的功能和（hé）可靠性進行有效（xiào）的試驗和考核， 受篇幅（fú）所限， 試切的詳（xiáng）細過程和試驗（yàn）數據不再敷述， 僅對試切情況（kuàng）作一個簡單的總結。

      （1） 試切條（tiáo）件（jiàn）： ①試件為某公司（sī）提供的閥門（mén）；②主軸頭1 轉速600rpm；主軸頭2 轉速200～400rpm；③刀具為組合刀具；④液壓夾具係統工作油壓0.8MPa；回轉台工作油壓2.5 MPa。

      （2）加（jiā）工能力。锪水線和倒角切削力不大，在此主要介紹鏜端麵的情況。①主軸（zhóu）轉速n=200mm， 切削深度ap=1.5mm 時， 切削工況較為平（píng）穩； ②主軸轉速n=400mm， 切削深度ap=2.5mm 時，切（qiē）削工況較為惡（è）劣，夾具剛（gāng）性有點不夠， 但主軸電機和平旋盤各零件均未過載（zǎi）， 仍能（néng）完成加工。

      （3）加工精度。①主軸轉速（sù）n=200mm，切削深度ap=1.5mm 時， 兩內端麵的對稱度≤0.06mm， 切削表麵光整； ②主軸轉速（sù）n=400mm， 切削深度ap=2.5mm時， 兩內端麵的對稱度≤0.10mm， 切削表麵有明顯波痕。

      4 機床研發總結

      根據數控閥門專用機床（chuáng）的設計試（shì）製和試切加工情況（kuàng）， 證明總體設計方案和開（kāi）發的（de）車床用平旋盤（pán）都是較為成（chéng）功的。閥門專用機床從（cóng）提高（gāo）加工的自動化程度、提高加工精度和提高加工（gōng）效率三個方麵滿足了閥門加工對設備的要求， 具有較好的性價比。同時成功地將模（mó）塊化設計理念（niàn）應（yīng）用到專用機床設（shè）計中，可以和立式加（jiā）工中心進行模塊化兼容。2008 年4月， STC100valve 數控閥門專用機床參展了CCMT2008 第五屆中（zhōng）國數控機床展覽會， 引起了相（xiàng）關（guān）閥門生產廠家的極大興趣。目前改進設計試製（zhì）完（wán）成，機（jī）床（chuáng）投入生產試用階段。其中（zhōng）的平旋盤（pán）技術於2010 年5月獲得國家專利， STC100valve 數控閥門專用機床將成為閥門加工的主力設備。