蔣立正,張苗,胡仲勝
(1.浙江機電職業(yè)技術學院 機械工程分院,杭州 310053;2.浙江工業(yè)大學 機械工程學院,杭州 310014;3.浙江精力軸承科技有限公司,浙江 臺州 318054)
近年來,為滿足大批量、高精度、高效率、低成本的生產(chǎn)要求,國內(nèi)許多軸承制造企業(yè)研發(fā)了各類高效能的軸承加工專用機床、軸承加工自動線[1-2],并取得了較大進展。浙江某軸承制造企業(yè)研制了一種軸承套圈專用車床,實現(xiàn)了從細長鋼管自動下料到車削端面、內(nèi)外滾道等系列軸承套圈車削工序的連續(xù)加工,可大大縮減加工時間和物料流轉周期,提高套圈的加工效率。其中,自動送料裝置是該專用套圈加工設備的重要組成部分。
該專用車床實現(xiàn)全自動生產(chǎn)須配備自動送料裝置,并確保自動送料裝置的送料動作快、振動小、過程平穩(wěn),不影響送料的精度。若直接采用市售的棒材送料機[3],不但存在與車床的匹配問題,而且在使用過程中存在諸多問題:(1)車削過程伴有嚴重的振動和噪聲,經(jīng)常因切削刀具損壞而導致刀桿一起損壞,影響套圈加工精度,造成報廢率升高,有時甚至造成主軸箱等關鍵部件的損壞[4];(2)料頭長度約200 mm,鋼管原材料利用率不高。因此,對該車床自動送料裝置進行了重新設計。
(1)送料鋼管長度范圍為3~4 m;
(2)送料鋼管的外徑范圍為30~60 mm;
(3)送料精度達到±0.1 mm;
(4)送料長度隨意可調(diào),并滿足生產(chǎn)需要;
(5)采用開環(huán)控制系統(tǒng),要求送料裝置具有較好的剛性;
(6)與車床主軸的加工協(xié)同性較好;
(7)噪聲不能超過60 dB。
專用車床的整體結構如圖1所示。自動送料裝置位于主機尾部,由抑振裝置和夾緊送料裝置組成,以液壓為動力源,執(zhí)行自動送料、夾緊等動作。自動送料裝置的工作性能與被加工鋼管尺寸緊密相關,鋼管懸伸越長,存在的偏心影響越大,將加大車加工過程中的振動響應;另一方面,鋼管剛性差會導致固有頻率降低,造成加工過程中的振動與噪聲。
1—主軸專用夾具夾持部;2—油缸夾持部;3—柔性夾持架;4—鋼管抑振裝置;5—夾緊送料裝置;6—主機
細長鋼管在連續(xù)車削過程中構成了鋼管-夾具-刀具的振動系統(tǒng),在彈性力學中屬于多約束超長彈性受簡諧力作用問題。借助ANSYS有限元分析軟件,先進行細長鋼管的模態(tài)分析,確定結構的固有頻率和振型;再進行諧響應分析,即分析在周期載荷下系統(tǒng)中產(chǎn)生的持續(xù)周期響應(諧響應),以計算出結構在幾種頻率下的響應。
套圈專用車床在工作過程產(chǎn)生的振動主要有2種:細長鋼管自動送料裝置工作過程產(chǎn)生的振動和主軸回轉過程中主軸與細長鋼管的偏心引起的振動,細長鋼管的夾持位置如圖2所示。
1—柔性夾持單元;2—柔性夾持架;3—送料油缸夾持部;4—主軸專用夾具夾持部;5—刀具;6—被加工段
以常用的長3.5 m,外徑60 mm的細長鋼管加工為例,利用Pro/E進行建模,并導入ANSYS建立有限元模型,對細長鋼管的車削過程進行模態(tài)分析。
基于以往的加工記錄,粗車套圈時進刀量為0.15~0.35 mm,車削速度為500~800 r/min,刀具施加在鋼管上的激振頻率為
(1)
式中:n為鋼管車削時的工作轉速。
在進行模態(tài)分析時,ANSYS的基本參數(shù)設置如下:材料為GCr15、彈性模量E=210 GPa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7 800 kg/m3;主軸轉速n=500 r/min、激振頻率f=8.3 Hz。通過分析計算可知,當鋼管尾部不添加任何支承(圖2中柔性夾持單元)時,各階振型頻率分別為:8.33,8.33,51.6,51.72,141.19和142.64 Hz,由于激振頻率與第1,2階固有頻率之比接近于1,極可能產(chǎn)生共振。
當在鋼管尾部添加柔性夾持單元時,在ANSYS中建立有限元模型,進行動力學分析,得到的各階振型見表1。
由表1可知,在細長鋼管尾部有支承的情況下,第1,2階振型的固有頻率為53.1 Hz,激振頻率與第1階固有頻率之比遠小于1,表明車削速度為500~800 r/min時不致引起共振,且遠超出共振區(qū),即切削參數(shù)的選擇是合理的[5]。
表1 鋼管(尾部添加支承)切削過程的各階振型
由上述分析可知,鋼管限定的自由度越多,其第1階振型的頻率值就越大,產(chǎn)生共振的可能性就越低。基于此,在自動送料裝置的設計中,在鋼管尾部添加了柔性夾持單元(圖2)。
為滿足設計要求,自動送料裝置的第1階固有頻率通常大于4/3激振頻率[6],即f4/3=11.1 Hz。
根據(jù)切削工藝參數(shù),可得到不同加工狀態(tài)下的切削力,結果見表2[7]。
表2 不同加工工序的切削力F N
由切削力可得激振力方程為
F(t)=Fsin(2πft)。
(2)
諧響應分析可以借助模態(tài)分析保存的網(wǎng)格劃分模型,直接進入求解器進行諧響應計算。按照如圖2所示的工況施加約束和載荷,分析在工作頻率為11.1 Hz的情況下,激振力F(t)引起的響應位移。以φ35 mm×φ45 mm×3 000 mm(d×D×L)的細長鋼管的割管下料為例,諧響應分析得到的第1階頻率為18.206 Hz,最大響應位移為11.7 μm(柔性支架),最小響應位移為0.59 μm。
基于上述分析,可進一步對抑振裝置(柔性支承架)、送料油缸夾持部及主軸專用夾具的位置、柔性裝置的阻尼特性等對系統(tǒng)產(chǎn)生振動的影響進行分析,限于篇幅此處不作展開,另文闡述。動態(tài)特性分析可以為自動送料裝置的有效避振提供參考,結合當前車床的送料工作要求,設計了一種新型自動送料裝置。
抑振裝置結構如圖3所示,主要包括基座、卡盤支座、三爪卡盤、擺動氣缸等。卡盤支座固定在基座上,卡盤支座上固定三爪卡盤,卡爪沿卡盤盤體中心均布并與轉動連接件聯(lián)動,卡爪上固定柔性抑振單元。柔性抑振單元基于非線性彈簧阻尼減振原理,包括固定在夾爪安裝板上的直線軸承、基于直線軸承配合的伸縮桿。伸縮桿外端固定限位板,以防止伸縮桿脫離直線軸承,伸縮桿的底部安裝橡膠滾輪;限位板上固定有使伸縮桿復位及減振的液壓緩沖器;液壓緩沖器與伸縮桿同軸設置。另外,基座上固定有能使各卡爪向卡盤盤體中心前后徑向移動的驅動機構,驅動機構包括固定在轉動連接件下方的傘齒輪1、與之相嚙合傳動的傘齒輪2、轉軸及連接板等;擺動氣缸與傘齒輪2通過轉軸及聯(lián)軸器連接,實現(xiàn)換向傳動。
1—擺動氣缸;2—轉軸;3—橡膠滾輪;4—伸縮桿;5—限位板;6—夾具安裝板;7—卡爪;8—三爪卡盤;9—卡盤支座;10—細長鋼管;11—轉動連接件;12—傘齒輪2;13—傘齒輪1;14—連接板;15—基座;16—直線軸承;17—液壓緩沖座;18—支承座
當擺動氣缸驅動轉動連接件時,驅動卡爪向卡盤盤體中心徑向移動,使鋼管夾緊區(qū)緩慢回縮,在液壓緩沖器等的作用下,使卡盤卡爪夾緊工件的方式轉變?yōu)槿嵝詩A緊。而且夾持滾輪采用橡膠輪,利用其內(nèi)部摩擦阻尼特性,使振動能量傳遞結構不連續(xù),抑制或反射部分彈性波,減少了鋼管高速回轉產(chǎn)生的摩擦,有效減小了振動。此夾緊方式不僅在長鋼管高速旋轉時,噪聲和振動大大減小,而且長時間反復夾持也不會影響夾持精度。
夾緊送料裝置結構如圖4所示,主要包括基座、鋼管送進機構(伺服電動機、絲杠螺母副、直線導軌副和油缸安裝座1等)、鋼管送料夾緊機構(圓管1、圓管2、回轉夾緊油缸1、送料彈簧夾頭和送料夾具體等)、鋼管主軸端夾緊機構(圓管3、回轉夾緊油缸2、主軸彈簧夾頭和主軸夾具體等)及花鍵副(花鍵軸和花鍵套)。鋼管送進機構安裝在基座上,回轉夾緊油缸1,2分別固定在油缸安裝座1,2上,圓管1與送料夾具體通過螺紋連接后一起被固定在夾緊油缸1的尾部,花鍵軸、圓管2和彈簧夾頭1通過螺紋連接。
1—長鋼管;2—回轉夾緊油缸1;3—油缸安裝座1;4—送料彈簧夾頭;5—油缸安裝座2;6—圓管3;7—主軸彈簧夾頭;8—主軸夾具體;9—送料夾具體;10—回轉夾緊油缸2;11—聯(lián)軸器;12—花鍵軸;13—花鍵套;14—鋼管送進機構;15—圓管1;16,19—絲杠支承座;17—絲杠螺母副;18—直線導軌副;20—伺服電動機;21—基座
當夾緊油缸1工作時,帶動花鍵軸、圓管2及送料彈簧夾頭向前(后)移動,驅動送料夾具體向長鋼管軸線徑向收縮(松開),從而夾緊鋼管。同理,圓管3與主軸夾具體通過螺紋連接,當夾緊油缸2工作時,帶動圓管3及主軸彈簧夾頭向前(后)移動,驅動主軸夾具體向長鋼管軸線徑向收縮(松開),達到夾緊鋼管的目的。當鋼管送進機構移動時,可以改變送料油缸夾持部及主軸專用夾具夾持部間的位置距離(圖2)。
該自動送料裝置實現(xiàn)了鋼管送進機構、送料夾緊機構和主軸端夾緊機構的有機結合,巧妙實現(xiàn)了長鋼管送料夾緊-再送料夾緊的往復精確輸送。由于鋼管送進機構采用伺服控制,可實現(xiàn)精確送料,從根本上解決了人工送料存在的鋼管料頭浪費等問題。進一步減小了自動送料裝置的體積,使機構更緊湊;采用彈簧夾頭夾緊長鋼管進行旋轉切削時,內(nèi)部安裝的各圓管可隨長鋼管一起旋轉,大大提高了切削加工的穩(wěn)定性。
在細長鋼管切削運動數(shù)學模型的基礎上,構建了鋼管-刀具-夾具動力學振動系統(tǒng),進行動態(tài)特性分析,計算了系統(tǒng)的激振響應,初步確定了該動力學系統(tǒng)可能存在振動的原因。該方法可有效避免傳統(tǒng)費時費力的工藝性試驗,為類似回轉機械的具體結構設計提供有益的科學依據(jù)。
經(jīng)過幾個月的裝機運行試驗表明,新研制的自動送料裝置在生產(chǎn)實踐中得到了很好的應用,與改造前相比,每根鋼管少切料頭150 mm以上,送料精度可達±0.1 mm,大大減少了機械振動,噪聲達到設計要求。
相比氣動送進存在噪聲大的缺點,液壓送進動作簡單可靠、運行平穩(wěn)、生產(chǎn)效率更高。在細長鋼管的車削過程中借助該自動送料裝置,使套圈的加工質量得到了用戶的肯定。