湯樂軍

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司，江蘇 南京 210041)

1 問題的提出

長期以來，內螺紋的加工一直是困擾鑿巖釬具生產(chǎn)的難題，許多釬具生產(chǎn)廠家的內波形螺紋加工通常采用成型刀、靠模，有的生產(chǎn)廠家甚至使用內R和外R兩把刀具分別進行車削加工，這些加工方法不僅工藝復雜、生產(chǎn)效率低，而且精度和表面粗糙度很難符合國家相關標準的要求，最關鍵的問題是在加工過程中產(chǎn)生了接刀痕，熱處理淬火后易產(chǎn)生裂紋，導致鑿巖連接套在使用過程中的早期失效(主要表現(xiàn)為斷裂)，直接影響著連接套的使用壽命。

我廠是GB/T 6482—2007 鑿巖用螺紋連接釬桿、連接套以及GB/T 6480—2002 鑿巖用硬質合金釬頭的專業(yè)鑿巖釬具生產(chǎn)廠家，和其他釬具的生產(chǎn)廠家一樣，也長期受到內波形螺紋的加工的困擾。經(jīng)過多次的摸索和嘗試，最終決定使用旋風切削的加工方法完成內波形螺紋的加工，見圖1、圖2。

圖1 鑿巖連接套Fig.1 Drilling coupling sleeve

圖2 內波形螺紋尺寸放大Fig.2 Size enlarging of the inner waveform thread

如圖3所示，用于波形螺紋切削的旋風切削中心與車床主軸的中心有一個偏距e。此時車床主軸帶動工件慢速旋轉，假設安裝在拖板上的銑軸箱的旋風切削刀桿處于靜止狀態(tài)，主軸的旋轉通過掛輪、進給箱、絲桿后，帶動拖板作平移運動，旋風切削刀桿的軸線與合金刀頭的軸線的交點則相對于主軸形成一個給定螺距(螺距通過進給箱所設定)、偏心距為e的螺旋軌跡。當?shù)稐U在電機的帶動下，刀尖進行高速切削作用時，則形成以這個螺旋軌跡為圓心軌跡，以硬質合金刀具的刀尖距旋風切削刀桿軸線的距離為半徑的一系列連續(xù)的圓，這一系列連續(xù)圓的外輪廓最終形成如圖2所示，符合GB/T 6482—2007和 GB/T 6480—2002所要求的內波形螺紋。

旋風切削加工出的內波形螺紋，在加工過程中是一把合金刀具連續(xù)切削，切削速度快、切削量小，加工過程不存在任何的接刀痕，表面粗糙度Ra能達到0.8 μm，這樣的加工精度、表面粗糙度對需要滲碳淬火的非煤礦山鑿巖釬具使用壽命的提高有著非常重要的意義。

圖3 波形內螺紋旋風銑削機床Fig.3 Whirlwind milling machine with theinner waveform thread 1—床身；2—銑軸箱；3—旋風切削刀桿；4—硬質合金刀；5—主軸箱；6—進給箱；7—掛輪安裝位置

2 設計概述

按照技術部門提出的設計要求，用于鑿巖連接套加工的旋風銑削機床的技術性能需同時滿足以下技術要求：①表面粗糙度Ra≤1.6 μm；②加工時間≤10 min；③經(jīng)過簡單的調整，需同時具有加工R38、R32，內、外共4個類型的波形螺紋的能力;④結構簡單，操作、維修方便，滿足較高的可靠性和安全性要求。

根據(jù)技術部門提出技術要求，改造以C6140車床為基礎，從機械和電氣兩方面進行了總體設計，確定了旋風銑削機床加工連接套的總體設計方案，以內螺紋旋風銑為例，確定了如圖4所示的金加工流程。

圖4 內螺紋旋風銑工作流程Fig.4 Workflow flowchart of whirlwind milling machine with the inner waveform thread

3 機械部分的改造

3.1 溜板與絲杠部分的改造

由于鑿巖連接套的波形螺紋為左旋螺紋，溜板箱的工進方向是從內往外加工，為保證波形內螺紋頂徑的加工精度，一般需要在連接套的內孔留有適量的加工余量，如果按照正常的裝夾方式，先用卡盤夾緊連接套，然后將刀桿快進至連接套靠近主軸端時，勢必造成合金刀尖的損壞。為了保護合金刀具，只能先將連接套以自由狀態(tài)放置在刀桿上，合金刀位于連接套的外側，至卡盤夾持位置時，再用卡盤夾緊連接套。

為了保證工人的操作安全，C6140車床在毛坯快進至卡盤過程中，主軸必須處于靜止狀態(tài)，光杠帶動溜板箱快進，卡盤夾緊連接套，工進時再將進給箱調整為螺紋加工狀態(tài)，按照設定的螺距進行螺紋加工。在工件加工時間一定的前提下，由于快進、快退時間較長，且中途需2次調整進給箱，這樣不僅增加了工人的勞動強度，同時也不能滿足技術部門對連接套整個加工時間的要求。

步進電機的轉速可以通過PLC進行設定，若在絲桿的末端加裝步進電機，則絲杠帶動溜板的快進、快退速度可以在一定范圍內任意設定，以最大程度提高溜板快進和快退的速度，達到縮短輔助時間的目的。

雖然旋風切削加工的工件表面粗糙度理論上能達到Ra=0.8 μm，但如果這臺普通車床的絲杠的間隙調整以及磨損等方面存在問題，將直接影響表面粗糙度Ra值，故決定使用滾珠絲杠代替原車床的梯形絲杠。

與此同時，由于原車床的拖板形狀不能安裝銑軸箱，故需重新制造、加工了一塊拖板。該拖板除了安裝有銑軸箱外，滾珠絲杠的絲杠螺母也安裝在該拖板的剛性連接件上。最終采用如圖5所示為改造后的溜板與絲杠。

圖5 改造后溜板與絲杠Fig.5 Improved slide plate and ball screw 1—步進電機；2—滾珠絲杠連接套；3—新制的溜板箱；4—新制的溜板；5—滾珠絲杠；6—進給箱

3.2 掛輪箱部分的改造

C6140車床進給箱的動力由床頭箱的X軸通過掛輪部分的過橋齒輪傳給進給箱，經(jīng)過絲杠部分改造后的進給箱調整為螺紋加工狀態(tài)，在不切斷床頭箱的X軸與進給箱的輸入軸之間傳動的情況下，當步進電機又處于快進或快退運動狀態(tài)時，勢必造成步進電機產(chǎn)生的動力源與和床頭箱的X軸輸出的動力源對進給箱的運動干涉，直接導致進給箱、床頭箱內部相關齒輪損壞。

為了解決進給箱逆向傳動的問題，設計在進給箱輸入軸前端安裝了1個電磁離合器，當步進電機帶動絲杠快進或快退時，電磁離合器失電，切斷床頭箱的X軸與進給箱的輸入軸之間的傳動，當電磁離合器得電后，由于進給箱一直處于螺紋加工狀態(tài)，進給箱輸入軸接受床頭箱X軸通過過橋齒輪傳來的動力，帶動滾珠絲杠運動進行旋風銑螺紋加工。

由于在進給箱輸入軸前端安裝了1個電磁離合器，進給箱輸入軸、過橋齒輪軸、床頭箱動力輸出的X軸均需重新制造，進給箱輸入軸齒輪、過橋齒輪、床頭箱X軸輸出齒輪仍使用原機床齒輪。改造后掛輪箱見圖6。

3.3 刀桿及銑軸箱的設計與改造

按照前面所述的旋風切削原理，旋風切削中心與車床主軸的中心必須平行，同時有1個偏距e，偏距e的方向在理論上可以設定為任意方向。由于拖板與機床導軌在長期工作過程中會產(chǎn)生一定的磨損，會造成偏距e數(shù)值的變化，為了消除磨損產(chǎn)生的e值的變化，研究將偏距e設計在機床主軸正上方，當產(chǎn)生磨損導致e值減小時，可以方便地通過銑軸箱底部墊銅皮的方法進行調整。

圖6 改造后掛輪箱Fig.6 Improved wheel box 1—電磁離合器；2—進給箱輸入軸；3—進給箱輸入軸齒輪；4—掛輪部分的過橋齒輪軸；5—掛輪部分的過橋齒輪；6—床頭箱X軸；7—床頭箱X軸輸出齒輪

設計制造的銑軸箱由如圖7所示的幾部分組成。從進風裝置吹入的壓縮空氣在銑削內螺紋過程中起到冷卻合金刀頭以及排屑的作用。當?shù)稐U安裝插入時，拉桿通過螺紋連接拉緊刀桿，防止切削過程中刀桿脫落。刀桿頂端安裝有用于螺紋銑削的合金刀頭。銑軸箱主軸的銑削端通過兩個圓錐滾子軸承和一個平面軸承安裝在銑軸箱前端，這樣可以很好地保證銑軸箱主軸在旋轉時的運動精度，另一端通過一個圓錐滾子軸承安裝在銑軸箱后端用兩件圓螺母并緊后，將主軸安裝在銑軸箱上。銑軸箱主軸的前端圓盤設計有4-M12的螺紋孔，主要用于拆除加工波形內螺紋的刀桿后，安裝加工波形外螺紋的銑頭，這樣可以方便地進行內、外螺紋加工過程的快速轉換。

圖7 設計制造的銑軸箱Fig.7 Design and manufacture of milling axle box 1—進風冷卻裝置；2—拉桿；3—銑削電機；4—銑軸箱蓋；5—銑軸箱；6—銑軸箱主軸；7—波形內螺紋刀桿；8—合金刀頭

4 電氣部分的改造

依據(jù)內螺紋旋風銑工作流程圖和機械部分的動作要求，采用了如圖8所示的控制原理框圖進行電路設計。

圖8 控制原理框圖Fig.8 Control principle block diagram

根據(jù)前述機械部分的設計要求，驅動內旋風銑的滾珠絲杠步進電機需使用帶有脈沖輸出的PLC進行控制，綜合電氣元件的控制要求，參考西門子PLC的選型手冊，選擇S7-200系列的CPU 226 CN DC/DC/DC的PLC。該型號的PLC Y0.0和Y0.1可以設置為2個脈沖輸出端口，故將端口Y0.0通過 PLC 的程序設置為脈沖輸出端口，用以控制步進電機的旋轉速度，Y0.1設置為方向信號端口，Y0.2設置為使能信號端口，最終實現(xiàn)溜板的快進、快退功能。

原機床主軸經(jīng)1臺交流電機驅動，通過床頭箱2個操作桿的不同位置調整后，實現(xiàn)主軸的變速功能。為了實現(xiàn)加工全過程的自動控制，故采用在床頭箱固定變速比，由PLC通過USS通訊控制變頻器實現(xiàn)加工過程中的交流調速功能。

根據(jù)《GB 12266—1990 機械加工設備一般安全要求》的規(guī)定，除了在PLC程序設置相應的連鎖、互鎖外，上述各相應的接觸器之間也設置了連鎖、互鎖。在全自動工作狀態(tài)，啟動按鈕設置為2個功能，第一次按下啟動按鈕后，系統(tǒng)進入無需人工干預的全自動工作狀態(tài)，當設備出現(xiàn)故障，再次按下啟動按鈕時，設備則在系統(tǒng)不斷電的情況下，實現(xiàn)全部運動部件的停車。當在全自動工作狀態(tài)，按下啟動按鈕依然無法實現(xiàn)停車時，則應該按下緊急按鈕，此時設備通過進線斷路器切斷整個設備的電源，最大程度地保證安全。

其他電氣設備的控制功能由PLC的程序通過執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令得以實現(xiàn)。

5 結 語

(1)簡述了用于鑿巖連接套內波形螺紋加工的旋風銑的設計和改造過程。按照本設計改造的旋風銑加工的連接套和鑿巖釬頭的內波形螺紋質量有了較大提高，經(jīng)我單位內部進行的綜合比對試驗，相同的礦山地質條件，相同的操作工，使用該設備加工的產(chǎn)品使用壽命較使用普通車床加工的連接套和鑿巖釬頭提高了近15%,同時還具有連接可靠、拆卸方便、不過分削弱連接套和鑿巖釬頭強度等優(yōu)點。

(2)該設備已投入使用多年，經(jīng)測定，內、外波形螺紋表面粗糙度Ra達到0.8 μm，加工時間為6 min。通過原機床進給箱的螺距設置，可以加工各種螺距的波形螺紋。當拆除了刀桿，安裝銑頭后，再將外波形螺紋旋風銑的PLC程序下載到PLC后，即可實現(xiàn)外波形螺紋的加工。

(3)該設備還具有結構簡單，操作、維修方便的優(yōu)點，滿足設備關于可靠性和安全性方面的要求，加工精度符合關于鑿巖釬具的相關國家標準，加工時間和表面粗糙度完全符合技術部門提出的設計要求，是鑿巖釬具波形螺紋加工的理想選擇。

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