0 引言

      隨著製造業的發展， 國內閥門體這種批量較（jiào）大的零件， 其製造精度和質量穩定（dìng）性（xìng）的要求也在不斷提高。經過反（fǎn）複調研， 作者了解到目前的閥門製造業對閥門（mén）體的加工基本是采用多（duō）台普通車床進行分序加工， 需多次（cì）定位（wèi）裝夾加工， 操作者多次上下料， 加工效率低、零件（jiàn）成品合格率低。隨著國內數控機床應用的飛速發展和（hé）普（pǔ）及， 專門（mén）針對閥門體開發設計一種一次裝夾定位多工序複合加工的（de）數控閥門專用機（jī）床越來（lái）越（yuè）成為閥門（mén）製造業（yè）用戶的迫切需求。

      1 機床總體方案設計構想

      閘閥是（shì）一種應用（yòng）非（fēi）常廣泛的閥門， 其閥門體材料為（wéi）鑄鐵， 流過（guò）介質為液體， 尤其以水作為介（jiè）質時， 因（yīn）鏽蝕損壞， 屬易耗件， 市場需求量極大。圖1 為一典型閥門體（tǐ）零件圖， 零件呈“T” 字形， 須加工左右法藍端麵、水（shuǐ）線、內（nèi）部閥芯密封麵， 加工質量要求主要集（jí）中於（yú）閥門兩內端密（mì）封（fēng）麵的對稱度、平行度和表麵質量（liàng）。

      數（shù）控專用機（jī）床的設（shè）計關鍵在於如何實現針對零件（jiàn）的多工序、多台設備反複裝夾定位加工多工序、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（jiā）工（gōng）效率、零件質量穩定性， 同時在設計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床設計中。

      長期以來， 閥門體的加工用5 台普通（tōng）車床完成一件閥門體的所（suǒ）需加工工序， C1： 加工上端（duān）麵； C2： 加工（gōng）左端麵、锪水線（xiàn）及倒角； C3： 加工右（yòu）端麵、锪水線（xiàn）及倒角； C4： 加工右（yòu）端內密封麵及倒（dǎo）角； C5： 加工左端內密封麵及（jí）倒角， 加（jiā）工節拍大約28 分鍾/件， 其中80%的時間用（yòng）於零件的輔助定位（wèi）裝夾上， 按一個班8 小時計算， 一個班計（jì）一個月僅能生產500 多件。同時由於多次定位裝夾， 定位基準和使用基準（zhǔn）不一致， 加（jiā）工後其主要工作麵對（duì）稱度要求難以控製， 零件尺寸一致性較（jiào）差。由於操作工人加工過程中人為（wéi）的因素， 因此零件質量穩（wěn）定性差、加工經濟性也（yě）較差。總體設計方案如圖2 所示， 采用立式（shì）加（jiā）工中心底座結構， 去掉（diào）原機床立柱， 保留兩個移動軸， 在（zài）原立柱部分安裝兩個主軸動力頭， 移動工作台上安裝回轉台（tái）， 夾具裝夾工件置於回轉台上， 靠轉台轉位180°， 從而實現對零件的雙麵加工。

      從典（diǎn）型零件（圖（tú）1） 可見， 技術（shù）要（yào）求較一般， 精度等級不高， 主要是兩內端麵的密封性， 因此為保證密封麵（miàn）的平行度， 考慮用鏜床的徑向刀架原理來加工內端麵，問題的關鍵是如何開發一種較適合車床使用相（xiàng）應規格較小的徑向（xiàng）刀架。考慮（lǜ）到（dào）采用最少的裝夾次數， 實現多工序加工， 設計考（kǎo）慮了以下兩個工藝方案： ①銑外端麵（miàn）、锪水線； 鏜內端麵、倒角， 加工（gōng）節拍（pāi）大約5 分鍾/件；②锪水線、倒角； 鏜外端麵、內（nèi）端麵， 加工（gōng）節拍大約6分鍾/件。這兩種方案在一（yī）次裝（zhuāng）夾的過程（chéng）中， 能解決上述C2~C5 四個加工工序在一台（tái）機床（chuáng）上加（jiā）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， 針對該企業的實際情況、考慮到生產成本等綜合因素， 決定選用工藝方案②， 采用此方（fāng）案按一個（gè）班8 小時計算， 一個月一班能生產2400 多件閥門體（tǐ）。與原加（jiā）工方（fāng）案對比從產量上比原來增加了380%。

      2 平旋（xuán）盤技術在車床主軸上（shàng）的應（yīng）用

      在總體設計方案確定後（hòu）， 考慮到閥門體內密封（fēng）麵加工技術要求對零件裝配（pèi）使用至關重（chóng）要， 按設計及工藝方案， 要加工零件的內端麵， 工件不旋轉（zhuǎn）， 刀架就必須邊（biān）旋（xuán）轉邊（biān）作徑向（xiàng）運（yùn）動。結合模塊化設計考慮， 以車（chē）床主軸單元作為（wéi）模塊化動力頭單元， 將鏜床（chuáng）的平旋盤技術應用（yòng）到車床主軸係單元中成為設計的重點環節之（zhī）一。

      平旋盤機構在鏜床、臥式鏜銑加工中心應用較（jiào）為成熟， 但將之開發設計應用車（chē）床主軸上（shàng）使用（yòng）， 目前國內仍然很少見。國外有專門的廠家將平旋盤開（kāi）發為（wéi）機床的功能附件， 但價格太高， 綜合考慮機床的價格後選擇自（zì）己設計有針對性、能（néng）滿足（zú）加工需求的平（píng）旋盤（pán）。針（zhēn）對所加工通徑準100mm 閥門體零件， 作（zuò）為模塊化設計（jì）， 可以與A2-6 號主軸標準單元相匹配， 考慮到轉動慣量不能太大， 初步（bù）設計平（píng）旋盤規格為直（zhí）徑準（zhǔn）350mm。

      （1）平旋盤方案設計。實現刀架的直線運動可用齒輪齒（chǐ）條機構或絲杆螺母機構， 絲（sī）杆螺母傳動結構簡單、能實現很大（dà）的傳動降（jiàng）速比、傳動平穩、而且隻要用較小的轉矩（jǔ）， 就能獲得較大的（de）軸向牽引力、當螺旋升角小於摩擦角時（shí）， 還具有自鎖（suǒ）作用。為得（dé）到較大的降速比平旋盤內（nèi）部的傳動采用齒輪和蝸輪（lún）蝸杆傳動（dòng）。采（cǎi）用XDL1 電磁離合器控製刀架進給運動的接通和斷開， 離合（hé）器斷開時， 主軸旋轉， 而（ér）刀架不移動， 對刀完成後， 離合（hé）器接通（tōng）， 主軸（zhóu）旋轉同時經過齒（chǐ）輪、蝸杆（gǎn）蝸（wō）輪副、絲（sī）杆螺母， 實現刀架徑向運（yùn）動， 端麵加工完成（chéng）， 離合（hé）器斷開， 退刀。徑向刀架的移動極限位置（zhì）用接近（jìn）開（kāi）關控製。最終確定的平旋盤結（jié）構如圖3 所示。

      設定主軸的旋（xuán）轉方向為順時針旋轉（從（cóng）機床正麵看） ， 則蝸杆的旋（xuán）向是右旋， 絲杆（gǎn）旋向（xiàng）為右旋， 刀架滑板從右向左運動， 因此將絲杆的左支承定為主要支承， 右支（zhī）承為輔助支承（chéng）。為保證加工麵的表麵粗糙（cāo）度， 確定進給量為（wéi）0.1mm/r， 絲杆螺距定為2mm， 平旋盤的（de）傳動比：

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

      III 軸傳遞扭（niǔ）矩（jǔ）小， 因此選用XDL1 小型（xíng）離合器足夠。

      3 機床的切削試驗（yàn）

      通過以（yǐ）上幾個方麵重點設（shè）計， 配上大（dà）森數控係統、液（yè）壓、潤滑係統、防護外罩， STC100valve 數控閥門專用機（jī）床（chuáng）試製裝調完成後， 對用戶提供的試件進行了大量的加工試切， 目的在於摸索理想的切削參數和對機床的功能和可（kě）靠性進行有效的試驗和考核， 受篇幅所限， 試切的詳細（xì）過程和試驗數據不再敷述， 僅對試切情況作一個簡單的總結（jié）。

      （1） 試切條件： ①試（shì）件為某公司提供的閥門；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（jiá）具係統工作油壓0.8MPa；回轉台工作油壓2.5 MPa。

      （2）加工能力。锪水線和倒角（jiǎo）切削力（lì）不大，在此主要介紹鏜（táng）端麵的情況。①主軸轉速n=200mm， 切削深度（dù）ap=1.5mm 時， 切削工況較為平穩； ②主軸轉速n=400mm， 切削深度ap=2.5mm 時，切削工況較為惡劣，夾具剛性有點不夠， 但主軸電機和平旋盤各零件均（jun1）未過載（zǎi）， 仍能完成加工。

      （3）加工精度。①主軸轉速n=200mm，切削（xuē）深度ap=1.5mm 時， 兩內（nèi）端麵的對稱度≤0.06mm， 切削（xuē）表麵光整； ②主軸轉速n=400mm， 切削深（shēn）度ap=2.5mm時， 兩（liǎng）內端麵的對稱（chēng）度（dù）≤0.10mm， 切削表麵有明顯波痕。

      4 機床研發總結

      根（gēn）據數控閥門專用機床的設計試（shì）製和（hé）試切加工情況， 證明總體設計方案和開（kāi）發的車床用平旋盤都是較為成功的。閥門專（zhuān）用機床從提高加工的自動化程度、提高加工精度和提高（gāo）加工效率（lǜ）三個方麵滿足了閥門加工（gōng）對設備的要求， 具有較好的性價比。同時（shí）成功地將（jiāng）模（mó）塊化設計理念應用到專用機床設計中，可以（yǐ）和立（lì）式加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 第五屆中國（guó）數控機床展覽會， 引（yǐn）起了相關閥門生產廠家的極大興趣。目前改進設計試製完成，機床投入生產試用（yòng）階段。其中的平旋盤技（jì）術於2010 年5月獲得國家專（zhuān）利， STC100valve 數控閥門專用機床將成為閥門加工的主力設備。