■寧波海天塑機集團有限公司 （浙江 315800） 潘曉敏 張洪斌 黃發(fā)明

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1.加工問題現(xiàn)狀

車間要求機床適用于φ18mm到φ80mm管徑范圍任意規(guī)格，首先確定由部門自主研發(fā)設(shè)計一款適用φ18mm到φ80mm管徑規(guī)格通用性自動化倒內(nèi)、外角及平端面的專用機床。由于需要滿足并優(yōu)化車間的要求，而且該項目史無前例、無據(jù)可查，設(shè)計過程面臨很大的困難和挑戰(zhàn)。決定從以下10大問題點進行突破。

（1）要適應(yīng)φ18mm到φ80mm管徑范圍任意規(guī)格。規(guī)格相當(dāng)雜，而且隨著注塑機不斷更新?lián)Q代，油管管徑規(guī)格也會隨之變動，所以對專機設(shè)計要求不能定死幾檔規(guī)格，必須能接受在所需范圍內(nèi)對任意規(guī)格的加工。

（2）管件裝夾自定心和自動化。

（3）要適應(yīng)不同長度的管件，保證切削余量一致。

（4）顛覆傳統(tǒng)刀具結(jié)構(gòu)固有概念。刀具既要實現(xiàn)管件倒內(nèi)角、倒外角與平端面一次切削成型，又要適應(yīng)φ18mm到φ80mm管徑范圍任意規(guī)格，且任一規(guī)格管徑對應(yīng)的刀盤和成型刀片都要統(tǒng)一不變，便于制造與采購。

（5）為了保證刀具在機床上快速更換，需最高效實現(xiàn)裝卸。

（6）既要刀具旋轉(zhuǎn)和直線進給按步驟相應(yīng)實現(xiàn)又要使整體結(jié)構(gòu)緊湊且互不干涉。

（7）裝夾、刀具旋轉(zhuǎn)和刀具進給動力源的提供。

（8）如何保證切削進給時平穩(wěn)而有效。

（9）直線進給時需要分為先行快速行程和后行慢速行程以及后退快速行程。

（10）機床采用臥式床身，要使排屑暢通，保證床身不積屑、安全生產(chǎn)以及便于清理。

2.新設(shè)計機床的工作原理

針對前面提到的10大難點，制定了如圖1所示的方案。為了防止工件旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的管件端部周期性擺動，在總體方案中，采用工件用雙V形塊相對固定、刀具旋轉(zhuǎn)進給的結(jié)構(gòu)；采取工件固定方式，同時也是為了長短不一的管件有個統(tǒng)一的限位，結(jié)構(gòu)設(shè)計為刀具做直線進給動作，并且將刀具旋轉(zhuǎn)與直線運動集于一體，運動穩(wěn)定性好，同時結(jié)構(gòu)合理，不浪費床身面積。大致分為自動抱合夾緊機構(gòu)、自動限位機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)主軸的刀架推進機構(gòu)、刀具刀架結(jié)構(gòu)、幾大動力機構(gòu)以及其他輔助部件組成。每一步的動作程序、時間延時及信號反饋等依托PLC控制完成。最大程度減少人為操作帶來的種種問題。

3.新設(shè)計機床的結(jié)構(gòu)特點

（1）針對第1問題點，首先要突破V形塊組夾持范圍的局限性。普通V形塊組合相對夾持管件時，如果V形的開口處與另一V形開口處即將相并，此時該V形塊組處于最小夾持極限，我們要做的就是如何突破最小夾持極限。

如圖2所示，第1V形塊與第2V形塊左右相配，分別設(shè)計了嵌入體（凸口，11和21分別為各自V形塊的第1嵌入體）和槽口（凹口，12和22分別為各自V形塊的第1槽口），對應(yīng)的嵌入體和槽口相匹配并相互進入穿過，即實現(xiàn)對應(yīng)的V形開口處互相通過，將最小夾持范圍極限突破并進一大步縮小，通過計算機放樣排布，選用角度為90°，V形開口尺寸為80mm，能保證所需管徑范圍都可以有效夾持，如此就解決了大范圍管徑通用的難題。

（2）針對第2問題點，需要管徑中心線與刀盤中心線重合，才能保證倒角的質(zhì)量，前提需要管件夾持自定心，必須實現(xiàn)這組V形塊相對同步運行。通過自主研究開發(fā)和取長補短，并仿生模擬很多形式的結(jié)構(gòu)，在布局位置、合理性以及動力源有機結(jié)合度方面比較和整合后，最終設(shè)計1種新型的雙連桿傳動機構(gòu)，設(shè)計初始首先確定動力輸出源只可一處，避免多輸出源產(chǎn)生傳輸速率誤差不可控造成的同步誤差。

夾持結(jié)構(gòu)為左右滑動式，通過氣缸推動產(chǎn)生夾持動力，分別由導(dǎo)向桿、固定板、滑塊、第1V形塊、第2V形塊、曲柄、深溝球軸承、固定架、連桿、連桿座和氣缸組成。

根據(jù)圖3所示，滑塊在導(dǎo)向桿上運動，滑塊相背的一側(cè)均設(shè)置有推動槽，兩個推動槽分別伸入有曲柄的一端，曲柄中部均與固定架轉(zhuǎn)動連接，曲柄另一端與連桿的一端轉(zhuǎn)動連接，連桿另一端與連桿座轉(zhuǎn)動連接，連桿座中部與氣缸的活塞桿頭部固定連接，氣缸的活塞桿運動方向與導(dǎo)向桿垂直且活塞桿運動方向所在的直線經(jīng)過第1V形塊和第2V形塊嵌合的對稱中心。采用這種結(jié)構(gòu)通過氣缸活塞桿的移動拉動滑塊移動，以此來控制第1V形塊和第2V形塊的卡緊和分離，使得無論管件的管徑如何變化，管件被夾持中心線始終位于同一位置，方便管件夾緊之后的加工。另外，曲柄上與推動槽配合處設(shè)置有深溝球軸承，用于減少曲柄與推動槽處配合的磨損。

圖1

至此，實現(xiàn)了V形塊組同步運行，夾緊定位機構(gòu)實現(xiàn)了管件與動力頭上的刀盤中心的同軸度要求，從而保證倒角的均勻性。通過電氣控制實現(xiàn)氣缸運動和保壓，實現(xiàn)裝夾自動化且夾持力得到保證。

（3）針對第3問題點，在設(shè)計總方案時，設(shè)計確認刀具行程可調(diào)整，試樣之后批量生產(chǎn)時將進行限位以保證工件質(zhì)量的一致，但是不管何時，任一工件待加工處位置必須固定不變。另外，設(shè)計的限位裝置需要在機床工作前起效；工件夾緊后，要在機床工作時失效，為刀具行程讓路，使刀具與夾持限位不干涉。自動夾緊機構(gòu)安裝在切削裝置前端，在該機構(gòu)固定板朝刀具一側(cè)（結(jié)合圖3和圖1夾持與刀具之間），固定一組小氣缸作為動力源，小氣缸將推動滑塊限位進行運動，滑塊擋于V形塊前方，在管件夾持之前，滑塊作為靠山限位，將管件端面貼到滑塊面，待V形塊夾持住管件后，再次起動小氣缸推動滑塊退出V形塊前方區(qū)域，為刀具行程騰出空間，一個循環(huán)完成管件加工面限位的工作。另外，小氣缸安裝時，活塞桿退出V形塊方向，以保證處于有效限位狀態(tài)下，活塞桿大部分是進入到氣缸腔體內(nèi)的，目的是使滑塊處于工作狀態(tài)時活塞桿穩(wěn)穩(wěn)的被氣缸前蓋所導(dǎo)向，大大加長氣缸的使用壽命。

圖2 新型大范圍夾持V形塊組

（4）針對第4問題點，目前1副刀具只能實現(xiàn)單功能，如果不改變現(xiàn)狀，1次加工將需要更換3次刀具，在實際操作中不現(xiàn)實。

設(shè)計新型刀具的總思路是以刀盤中軸線為中心，120°方向3個角度各均布倒內(nèi)角刀、倒外角刀及平端面刀，且每把刀都能沿120°方向做直線移動并能固定。

新型刀具總成如圖4所示，倒內(nèi)角刀、倒外角刀以及平端面刀分別固定到倒內(nèi)角移動刀座、倒外角移動刀座和平端面移動刀座的刀座螺孔上，每組移動刀座各設(shè)3到4個刀座螺孔，由此增大了刀具的調(diào)整范圍，并且刀座上分別設(shè)計斜面臺階，為各自相對應(yīng)的刀具提供定位和切削角度。各移動刀座分別嵌入新型刀盤角度均分的軌道槽內(nèi)，由刀座調(diào)節(jié)螺釘通過刀盤通孔連接刀座螺孔（見圖5）帶動各個刀座沿軌道槽導(dǎo)向進行調(diào)節(jié)，最后利用螺釘通過螺孔將移動刀座固定，以實現(xiàn)一副刀具應(yīng)對不同直徑規(guī)格的管件對刀功能，而且所有切削功能包含在1副刀具內(nèi)，通過新型刀具的設(shè)計，大大提升了管件加工的切削效率，降低了刀具生產(chǎn)成本，解決了傳統(tǒng)刀具的弊端。

（5）針對第5問題點，刀具快速裝卸設(shè)計原理如圖6所示，在主軸端部內(nèi)心固定磁性限位塊，并且在磁性限位塊前端設(shè)置有圓柱銷，在刀盤背面設(shè)計有與圓柱銷相配合的凹槽，圓柱銷起到撥叉的作用，主軸旋轉(zhuǎn)依靠圓柱銷帶動刀盤凹槽旋轉(zhuǎn)做切削運動。由于刀具直線進給切削時，刀盤受力方向是往磁性限位塊的，也就是說反方向有些許磁吸力足以保證刀盤不脫落即可，如此也便于刀盤的拆卸。采用這種結(jié)構(gòu)使刀盤與主軸能夠方便的進行拆裝，使刀盤調(diào)節(jié)更加方便。

圖3

（6）針對第6問題點，從刀具運動軌跡來說，旋轉(zhuǎn)運動軌跡作為圓周切削，直線運動軌跡作為進給切削，加工管件時刀具運動軌跡二者缺一不可。

如圖7所示，主軸的旋轉(zhuǎn)力來源與皮帶輪，固定主軸以及軸承的腔體如果要做直線運動，按照傳統(tǒng)設(shè)計會在下方加裝滑軌，缺點較明顯，結(jié)構(gòu)過于松散，空間占用較大，切削受力軸線與直線進給軸線不在同一水平面上，會導(dǎo)致切削圓周受力不均等問題出現(xiàn)。于是我們在主軸的軸承與腔體之間新增設(shè)計主軸套，與腔體過渡配合，在主軸套的尾部設(shè)計1副軸承支撐的內(nèi)花鍵聯(lián)接滾筒套，其內(nèi)花鍵與主軸尾部的外花鍵相配合，花鍵作用就是既能保證旋轉(zhuǎn)力的傳輸，又使主軸直線運動順滑不受阻力。直線運動需要依托動力推動，主軸套連接著撥板，考慮到撥板推動軸線與主軸中心線未能在同一中心線，推動時會導(dǎo)致受力傾斜，所以在殼體上方設(shè)置1根導(dǎo)柱，并在撥板與導(dǎo)柱接觸部分加設(shè)耐磨銅套與導(dǎo)柱過渡配合，通過動力源施加到撥板時，主軸套帶著主軸與主軸端部的刀具平穩(wěn)的做直線運動，實現(xiàn)了刀具直線進給在機械傳動上的平穩(wěn)傳動。

圖4

（7）針對第7問題點，有運動就需要動力，應(yīng)對不同功能的實現(xiàn)，需要根據(jù)實際情況設(shè)計制定不同的動力源。推動V形塊組的曲臂連桿機構(gòu)在V形塊夾緊管件時需要一定時間受力，也就說動力源需要保壓。另外考慮到倒角平端面切削力并不大，最終選用氣壓動力源，既經(jīng)濟又環(huán)保，能夠長時間保壓受力，通過壓力設(shè)定，氣壓動力源重復(fù)穩(wěn)定。刀具旋轉(zhuǎn)是做圓周運動，通過切削力分析和選型，確定選擇三相異步電動機Y100L1-4作為刀具旋轉(zhuǎn)動力源。刀具進給動力源，選用條件也同夾持動力源一樣，由于切削力不大，從適用性以及經(jīng)濟性角度出發(fā)，也同樣選用氣壓動力，依靠氣缸活塞桿連接并推拉撥板實現(xiàn)刀具直線進給運動。

圖5

（8）針對第8個問題點，對于這款機床的直線進給來說，空氣動力會帶來一種缺陷，空氣在氣缸腔體內(nèi)受壓會產(chǎn)生一定的壓縮比，所以切削時會導(dǎo)致不穩(wěn)定，對管件的加工質(zhì)量以及機床使用和刀具壽命都會產(chǎn)生影響。用油壓就沒有這樣的缺陷，但是油壓存在經(jīng)濟成本高、不環(huán)保、液壓站需要占據(jù)更多的空間以及增加1套液壓系統(tǒng)等諸多不利。基于此，氣壓和油壓二者我們分別取此長補彼短，在總體結(jié)構(gòu)上還是采用氣壓方式，在機床右下角放置1套滿油的儲油缸與推進氣缸相連接，氣源第1步先通過儲油缸，將儲油缸內(nèi)的液壓油推到推進氣缸內(nèi)，相當(dāng)于說推進氣缸無桿腔內(nèi)的介質(zhì)不再是空氣而是液壓油，該方法俗稱氣推油，這樣一來無需購買液壓站，即可實現(xiàn)進給動力的穩(wěn)定可靠。

考慮到機械傳動的穩(wěn)定性，如果單設(shè)計主軸做旋轉(zhuǎn)運動加上主軸套做直線運動，若主軸套的徑向沒有導(dǎo)向支撐的話，對于直線運動，特別是在切削過程中，主軸套徑向擺動會對整體造成從點到面的不穩(wěn)定影響，所以設(shè)計直線導(dǎo)向，而且在導(dǎo)向設(shè)計中，雙導(dǎo)向是較為穩(wěn)定的一種選擇，故在主軸套對應(yīng)的殼體兩邊上分別設(shè)計了導(dǎo)向組合，由殼體上的導(dǎo)向孔、導(dǎo)向桿和過渡連接板組成，導(dǎo)向組合在直線進給時抵消了主軸套的徑向擺動，使得刀具整個切削過程穩(wěn)定可靠，保證加工的管件質(zhì)量合格?？紤]到刀具切削時主軸套是伸出于殼體內(nèi)腔的，所以在過渡連接板上方加裝擋屑板，即使主軸套伸出殼體，也能保證鐵屑進入不到殼體內(nèi)腔，保護結(jié)構(gòu)不受損壞。

圖6

圖7

（9）針對第9個問題點，機床操作的安全是重中之重，工件1.凹槽 2.刀盤 3.圓柱銷 4.磁性限位塊 5.主軸

1.腳踏開關(guān) 2.傾斜落料通道 3.方形落料孔 4.夾緊機構(gòu) 5.主軸套6.主軸 7.導(dǎo)柱 8.銅套 9.撥板 10.皮帶輪 11.滾筒套裝夾和刀具裝夾時，工件和刀具都需要保持一段安全距離，但在機床工作時，這段安全距離顯得比較尷尬，為了機床工作不在這段距離上浪費過多時間，所以制定了直線進給起動后需要分為先行快速行程（快進到位）和在即將接觸工件時改用后行慢速行程（工進切削），最后后退快速行程（快退歸位）的設(shè)計計劃。

為了實現(xiàn)上述的設(shè)計計劃，必須在動力輸入的速率上做變化差，而且將在一個特定的位置產(chǎn)生，在上述條件框定下，來分析制定方案。因機床直線進給所用的動力源是氣推油，所以首先確定選用FKC-G03*A機械式流量控制閥（見圖8）來實現(xiàn)。將該控制閥安裝于直線進給導(dǎo)向桿下方，并在導(dǎo)向桿上安裝可調(diào)節(jié)的限位撥塊，根據(jù)刀具實際位置調(diào)節(jié)固定撥塊，撥塊撥動圓柱三角槽前刀具走的是快速推進行程，一旦觸到三角槽將進入慢速切削模式，由于切削余量小，所以圓柱三角槽轉(zhuǎn)動90°的行程足夠大于切削余量，然后達到90°后開始快速回退到刀具起始零點，一個節(jié)拍循環(huán)完成一個切削動作。

（10）針對第10個問題點，在刀盤與夾緊機構(gòu)之間下方的床身上設(shè)置方形落料孔，在落料孔下方固定有傾斜落料通道，落料通道出口位于床身側(cè)壁，操作人員可在落料通道出口處放置碎屑收集箱，方便碎屑收集和清除。

另外在刀盤上方設(shè)有可跟隨刀盤直線進給的擋屑板，起到防止細小鐵屑進入主軸套與殼體配合之間間隙的作用，保證刀具直線的穩(wěn)定進給。

圖8

4.自控系統(tǒng)

至此，10個問題點在萬能管件快速自動倒內(nèi)、外角及平端面機床得到解決并優(yōu)化突破。為了方便整機的控制，床身旁邊還設(shè)置有腳踏開關(guān)，踩下腳踏開關(guān)后，以PLC為中心的控制系統(tǒng)開始傳輸信號，第1步信號傳遞到氣缸，起動氣缸完成機床第1步動作V形塊組夾緊管件，當(dāng)夾持力達到一定系數(shù)時，感應(yīng)氣壓的傳感器將檢測到的信號反饋至PLC控制系統(tǒng)傳輸?shù)?步信號至小氣缸，小氣缸無桿腔受壓工作將推動滑塊限位離開管件待加工區(qū)域，待滑塊限位完全離開時，處于小氣缸內(nèi)的位置感應(yīng)器將信號反饋至PLC控制系統(tǒng)傳輸?shù)?步信號至三相異步電動機Y100L1-4，起動電動機的同時PLC控制系統(tǒng)傳輸?shù)?步信號至氣推油進氣受壓，推動撥板連接的主軸套上的刀盤，使刀具既做旋轉(zhuǎn)又做直線快速推進，當(dāng)限位撥塊行進至FKC-G03*A機械式流量控制閥的圓柱三角槽，刀具開始做慢速進給切削，到位后圓柱三角槽角度歸位，刀具快速返回起始點，殼體上的位置感應(yīng)器感應(yīng)到撥塊回位將信號反饋至PLC控制系統(tǒng)傳輸?shù)?步信號至氣缸換向閥，V形塊組松開管件解除夾持，感應(yīng)氣壓的力矩繼電器再次反饋信號至PLC控制系統(tǒng)傳輸最后一步信號至小氣缸，滑塊限位行至待加工區(qū)域，等待下一個管件來將其做靠山定位。以此為1個工作節(jié)拍，使得整個倒角及平端面工序?qū)崿F(xiàn)了真正的自動化。整個機床的控制部分都是通過PLC編程實現(xiàn)，只要按下啟動按鈕，即可實現(xiàn)機床單循環(huán)運作狀態(tài)，完成后機器自動停止運行。

5.結(jié)語

該機床采用PLC控制，人工一次上料，可實現(xiàn)任一管徑在范圍尺寸內(nèi)自動完成倒內(nèi)、外角及平端面工作，整個過程無需人工干預(yù)。從實際工藝試驗得到的各項數(shù)據(jù)表明，由于系統(tǒng)性能穩(wěn)定以及自動化程度高，所以操作簡便，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，提高了生產(chǎn)效率，降低了操作人員的勞動強度，自動排屑改善了作業(yè)環(huán)境。

至此，結(jié)束了海天塑機利用手持式磨頭對油管每端進行人工倒角工作的歷史，填補了油管倒角平端面通用自動化加工的空白，從根本上提高油管裝配質(zhì)量并解放了生產(chǎn)力，并且該項目已經(jīng)申報國家專利4項，其中發(fā)明專利2項、實用新型專利2項。