舰船用舵键槽的铣削加工

2019-11-27 62

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图1 舵零件示意图

舵(图1)是舰船上的重要零件之一，其对称键槽既有尺寸精度要求，又有形位公差要求，而且其键槽长达575mm。如何有效地对其键槽进行加工一直困扰着许多企业。长期以来，实际加工时都是采用C630、C650 机床改制成悬臂铣，手工加工后，再进行研配，不仅劳动强度大，耗时长(加工时间长达1 个月)，而且对操作者要求高，使质量难以保证。为此，我们设计了专用铣键槽机床，较好地解决了舵键槽的加工。

1 设计方案的制定

键槽加工采用的工艺方案:用规格Ø30mm左右的粗齿立铣刀粗铣键槽，然后用Ø30mm左右的细齿立铣刀精铣键槽侧面，再用飞刀铣削键槽的底面，最后研配键槽侧面(该工序根据试加工情况确定是否采用)。
舵键槽切削参数表切削参数粗铣精铣侧面飞刀铣削切削速度(r/mm)150180150进给量(mm/齿)0.150.10 切削深度(mm)3.50.50.25

铣削时，立铣刀与飞刀一直在不连续地进行切削。当刀齿周期性地依次切入金属时，从切入到切出，引起切削力周期性的变化。舵零件材料为ZB55，经正火处理，基体硬度为220～280HB，其铣削力较之普通碳钢要大。键槽过长，悬臂铣削头悬伸较长，悬臂系统的刚性从结构上不容易得到大的提高。为了充分发挥立铣刀的切削性能，提高生产效率，选择较为合适的切削速度、进给量、切削深度及铣刀直径显得尤为重要。否则，造成切削功率增大，铣削电动机负荷超载，发生闷车，损坏刀具设备。为稳妥起见，我们在常规推荐切削参数的基础上，增加了一个保险系数。同时，切削速度及进给量均采用变频调速电动机实行无级调速，以便在实际铣削过程中，根据不同材料选用不同刀具及工步，并合理选择切削深度、每齿进给量及切削速度。关于铣刀直径的选择，考虑到悬臂铣削刚性问题，尽量选用小直径铣刀。因为直径过大，切削力矩增大，易造成切削振动。而直径过小，铣刀刚性差，生产效率低。设计时选择Ø30mm左右的立铣刀作为动力参数设计依据。加工上述舵键槽拟采用如下表所示的切削参数。

由于键槽在锥孔的内壁上且底面为锥面，所以铣削的进给方向应与锥孔的母线方向一致，与舵零件锥孔中心线的夹角等于舵锥孔圆锥角的一半。通过回转并平移工件中心来适应铣削进给方向，通过垂直方向手动进给辅以高精度的光栅读数来保证键槽的宽度及相互间位置度。

1.摆线针轮减速机 2.滚珠丝杠副 3、9.调整螺钉
4.齿轮减速机 5.垂直移动手轮 6.旋转铣头
7.铣刀 8.垂直拖板 10.刻度盘 11. 横向移动手轮
12.中拖板 13.纵向移动手轮 14.变换手柄
图2 机床结构简图(俯视)

2 专机的主要结构及操作

图2为铣键槽机床的结构简图。它由四个部分组成:纵向进给、横向切深、垂直进刀和主运动机构。

纵向进给机构实现铣削纵向自动走刀，由摆线针轮减速机1(BWY-23-2.2kW)通过一对齿轮传动滚珠丝杠副2推动旋转铣头6沿纵向移动。为方便机床的调整及保护变频器，增加一对双联滑移齿轮通过变换手柄14实现手动与机动的转换。变频器调定的频率范围为35～50Hz，自动走刀速度范围为30～325mm/min。

横向切深机构控制键槽深度，垂直进刀机构保证键槽宽度。二者都是通过丝杠螺母、横向移动手轮11、垂直移动手轮5手动实现。由于键槽宽度尺寸精度为H8级，垂直进刀时通过精密光栅读数保证键宽要求。键槽深度由横向手轮刻度圈确定。横向及垂直拖板都设有调整螺钉3和9，在加工过程中锁紧以消除间隙。

主运动机构实现铣刀旋转运动，它由齿轮减速机4(TCJY132F-335-3)通过弹性圈柱销联轴器传到传动轴，经一对锥齿轮(齿数比1:1)传到主轴。由于键槽宽90H8，而铣刀为Ø30mm，设计时，减速机、铣刀主轴箱等与垂直拖板紧固联接，并随垂直进给而移动。为铣削对称键槽，铣刀主轴箱必须实现180°旋转并定位。减速机电动机经变频器变频，使主轴转速60～320r/min范围内可调。

具体操作过程为：夹紧工件校正，粗铣一端键槽，旋转工作台安装工件并移动，消除各部分间隙并锁紧，旋转铣刀主轴箱180°，粗铣另一端键槽。换细齿立铣刀，精铣键槽侧面，垂直移动固定拖板铣键槽另一侧面，同理换向铣对称键槽两侧面。

实际铣削加工表明，精铣侧面铣刀转速应比预定速度低才能满足侧面粗糙度的要求。专机设计满足了舵零件的加工要求，而且其键槽底面无需飞刀铣削就达到了用户要求，比设计预想的效果好。

3 设计及操作注意事项

悬臂较长，而且铣削过程是一个断续切削的过程，机械冲击使切削力有波动，因此，设计过程中应充分考虑各部分结构的刚性、刀具直径及切削参数的选择。在操作过程中，手动横向进刀及垂直进刀后必须锁紧移动拖板以消除间隙。
ZG55的切削加工性能差，切削负荷大，工件的夹紧机构刚性要好，夹紧力要大，并使工件在铣削过程中夹持稳固。否则工件松动，会造成加工表面粗糙，铣刀崩刃，严重时会损坏刀体、工件甚至机床。
铣削的旋转方向及纵向进给方向的选择应尽可能使铣刀径向抗力方向向下，以避免横向拖板与床身因为铣刀径向抗力方向的变化而造成间隙。

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