低频扭转振动攻牙机系统的特点

攻丝几乎是小螺孔加工唯一切实可行的工艺方法。随着科学技术的不断发展,对机械零件性能的要求日益提高,1Cr18Ni9Ti、TC4、GH4169及淬硬钢等难加工材料被大量采用。这些难加工材料的小孔攻丝更加困难,传统攻丝普遍存在攻丝扭矩大、丝锥磨损快、易折断、螺纹精度低及废品率高等问题。振动攻牙机具有传统攻丝无法比拟的优点,诸如减小攻丝扭矩、提高螺纹精度、增强切削液的作用效果及提高丝锥使用寿命等,该技术实现的关键在于研制性能好、成本低及通用性好的振动攻丝系统。

我们基于单片机控制步进电机驱动主轴沿圆周方向振动的方式,研制了低频扭转振动攻丝系统,攻制螺孔范围M1—M8,对多种难加工材料进行振动攻丝,均取得了良好的效果。

1、低频扭转振动攻丝系统的组成

振动攻丝系统的组成如图1所示。

该系统为整体台式结构,步进电机既是主运动源,又是扭转振动源,电机输出扭矩18Nm,采用单片机控制,可实现频率范围为5Hz—100Hz,角振幅范围为2.88°—14.4°,进给采用丝锥自动引进式。扭矩信号由测力仪测定,经YD-21动态电阻应变仪、滤波放大电路及A/D数据采集卡由计算机存储并实时显示。浮动平台可实现快速装夹工件、方便对刀及消除加工中丝锥的径向跳动。

2、机械结构的设计

主轴组件是攻牙机实现旋转运动的关键组件,它直接影响攻牙机的性能。主轴组件如图2所示。步进电机通过滑套上的键B6×6×10传递扭矩给主轴并实现主运动与扭转振动,齿轮轴与套筒上的齿条啮合实现进给运动。主轴通过莫式2#锥与丝锥夹头连接。

丝锥夹头是实现丝锥的正确装夹、提高螺纹加工精度和生产效率的重要机床辅具。依据振动攻牙机结构限制,设计了弹性夹头与通用夹头两种形式,见图3及图4。弹性夹头可实现M3、M6及M8三种丝锥的装夹,通用夹头可实现M1—M8丝锥的装夹。

攻牙机主轴的综合径向跳动量是主轴组件的径向误差与丝锥夹头的径向误差的叠加,其数值的大小直接影响攻牙机的加工性能。丝锥夹头加工了多个,其中弹性夹头共计8个,通用夹头共计2套。主轴以转速rc=15r/min,用百分表检测主轴径向跳动fscr,检测结果如表1所示。表中的f-为径向跳动最小值,f+为径向跳动最大值。

检测结果表明,用通用夹头时主轴径向跳动量相对较小,最小值为30μm。这是由于加工莫式2#锥时,通用夹头的结构形式可使加工基准与设计基准一致,提高了加工精度。

3、控制系统的设计

通过51系列单片机控制步进电机,控制系统的构成原理图如图5所示。单片机是整个控制系统的核心,它通过调用各种参数实现对端口的控制,并负责整个系统的协调。输入键盘及LED显示是人机交互信息的主要渠道。控制参数包括加工方式及正在加工的状态,实时与控制核心交互信息。通过急停模块可实现电机的快速反转后停止。

根据硬件系统结构和低频振动攻丝的特点,采用汇编语言(ASM)编制了控制软件,控制系统软件功能模块的结构如图6所示。手动输入工艺参数可以实现传统攻丝和振动攻丝,并可通过参数集合模块调用经试验验证较好的工艺参数组合进行加工。

输入的工艺参数需依据步进电机特性,经控制参数调整模块转化为可执行的控制参数。

4、振动攻丝试验

为了检验振动攻丝系统的性能与攻丝效果,分别对1Cr18Ni9Ti、TC4、GH4169及正火45钢等材料进行振动攻丝及传统攻丝试验,采用机油滴注润滑。

传统攻丝中由于刀齿的切削抗力大于振动攻丝中的切削抗力,导致轴向力增大,在轴向力的作用下会在螺纹一侧表面产生“过切”,且较大的刀齿切削力会使螺纹齿尖处产生撕裂(见图9)。而振动攻丝所获得的螺纹齿形均平直完整规则,精度好(见图10)。

螺纹塞规(精度6H)检测,通端均可顺利旋入螺孔,止端最大旋入量约为1/3扣,检测合格。

5、结语

(1)主轴的综合径向跳动精度30μm,弹性夹头与通用夹头可实现M1-M8丝锥的快速、可靠装夹;

(2)采用单片机控制步进电机实现扭转振动和主运动,用汇编语言编写的子功能模块及服务监控模块均符合设计与使用要求;

(3)设计了滤波放大电路、扭矩测量系统可对不同测量范围和不同滤波要求的扭矩信号进行前处理,通过计算机采集并可实时显示;

(4)振动攻丝所获得的螺纹齿形均平直完整规则,精度好。