雷 超，賈 楠，楊曉東，閆 樂

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.西安理工大學工程訓練中心，陜西 西安 710048；3.陜西歷史博物館，陜西 西安 710061)

0 前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，特別是航空業(yè)和軌道交通、汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，我國對特鋼的需求快速增加，特別是對表面無缺陷、尺寸精度高的銀亮材的需求急劇提升，而高端銀亮材的生產(chǎn)設(shè)備基本依賴進口，存在使用成本高，維修不方便，技術(shù)改造困難，投入大周期長等問題，嚴重制約了我國銀亮材生產(chǎn)的規(guī)模化生產(chǎn)，因此銀亮材的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的國產(chǎn)化也成為了急需解決的問題[1,2]。

無心車床作為銀亮材生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，用于處理熱軋后棒材的表面缺陷，如細小裂紋和氧化層等，生產(chǎn)出較高表面粗糙度和尺寸精度的棒料，為后續(xù)深加工提供高精度原料。

目前，國內(nèi)已經(jīng)可以自主生產(chǎn)加工直徑200 mm以下棒料的無心車床，但是其加工精度和自動化程度依然與國外同類設(shè)備存在巨大差距，由于刀具磨損等導致棒材加工質(zhì)量穩(wěn)定性不高，或者需要人工根據(jù)生產(chǎn)棒料規(guī)格手動調(diào)整設(shè)備造成人工勞動強度大等問題。而對于加工直徑200 mm以上棒料的全自動化高端無心車床基本由國外進口，因此對高端全自動化的無心車床的研究并國產(chǎn)化成為必要的課題[3-5]。

而國產(chǎn)無心車床與進口高端無心車床的加工精度差距和自動化實現(xiàn)瓶頸均為加工刀具的自動化在線動態(tài)調(diào)整技術(shù)，也高端無心車床最為關(guān)鍵的核心技術(shù)之一。本文針對無心車床的刀具自動化在線動態(tài)調(diào)整技術(shù)問題提出了一種基于差速輪系的自動動態(tài)調(diào)整機構(gòu)，實現(xiàn)了無心車床在加工過程中的刀具在線動態(tài)調(diào)整功能，保證了棒材的加工質(zhì)量和精度，實現(xiàn)了無心車床的全自動化加工。

1 無心車床的結(jié)構(gòu)及工作流程

無心車床是采用被加工件運動而加工裝置固定的方式進行棒料外圓切削的。

棒料在輔助裝置的作用下沿軸向運動穿過主動力頭上的刀具位置，安裝在主動力頭上的若干把專用刀具的主動周向旋轉(zhuǎn)對被棒料進行無心車削。這種被加工件軸向運動，而加工刀具旋轉(zhuǎn)的加工方式，相較于傳統(tǒng)車床因加工件旋轉(zhuǎn)而刀具移動的加工方式，由于省去了人工上料、找正、夾緊等工序，極大的降低了工人的勞動強度，有利于棒料的批量連續(xù)生產(chǎn)。另外，由于在加工過程中，棒料是由前后兩組穩(wěn)定裝置夾緊固定，加工刀具位于中間位置，因此無心車床可適應(yīng)一定的棒料彎曲度，且對棒料長度沒有限制，具有對棒料的直線度要求較低的優(yōu)點。此種加工方式具有效率高，尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點，有利于大批量高效生產(chǎn)。[6-9]

1.1 無心車床結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，無心車床的主要部件包括夾送裝置、前穩(wěn)定裝置、主動力頭、后穩(wěn)定裝置、直徑測量裝置、拉出裝置、快速出料裝置等，各部件有不同的功能和基本結(jié)構(gòu)。

圖1 無心車床的主要部件

(1)夾送裝置。用于將棒料夾緊并軸向送進，提供棒料的運動動力。夾送裝置由夾送伺服電機驅(qū)動，通過減速器將轉(zhuǎn)動分配至自對中的兩對可旋轉(zhuǎn)的夾送輥上，夾送輥采用V型輥，通過油缸驅(qū)動夾在垂直方向上緊棒料，并在水平方向上通過轉(zhuǎn)動軸向送進棒料。

(2)前穩(wěn)定裝置。用于在主動力頭前部夾緊被加工件，起到固定作用，防止被加工件在加工過程中產(chǎn)生震動。前穩(wěn)定裝置采用兩個伺服油缸驅(qū)動，并通過四連桿結(jié)構(gòu)帶動穩(wěn)定輥夾緊棒料。

(3)主動力頭。用于車削被加工件，是無心車床的主要部件。主動力頭采用大功率變頻電機通過齒輪傳動帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤上安裝有若干把專用刀具用于車削棒料外圓。

(4)后穩(wěn)定器。用于在主動力頭后部夾緊被加工件，起到固定作用，防止被加工件在加工過程中產(chǎn)生震動。后穩(wěn)定器與前穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)類似，采用伺服油通過四連桿結(jié)構(gòu)帶動穩(wěn)定輥夾緊被加工件。

(5)直徑測量裝置。用于實時檢測加工后的被加工件精度以動態(tài)調(diào)整主動力頭的刀具位置，保證加工質(zhì)量，是實現(xiàn)無心車床的自動化控制的環(huán)節(jié)。

(6)拉出裝置。用于棒料尾部將要脫離夾送裝置時，夾緊并拉出棒料，保證棒料的持續(xù)軸向運動。拉出機構(gòu)通過油缸夾緊被加工件，由伺服電機驅(qū)動拉出機構(gòu)本體并在導軌上做軸向運動拉出棒料，在拉出過程中速度與夾送裝置保持同步。

(7)快速出料裝置。用于棒料加工完成后將棒料快速送出無心車床?？焖倮鲅b置采用油缸驅(qū)動夾緊輥夾緊棒料后，夾緊輥由液壓馬達驅(qū)動快速旋轉(zhuǎn)，將棒料送出。

1.2 無心車床的工作流程

夾送裝置送進棒料前，穩(wěn)定器夾緊棒料，主動力頭旋轉(zhuǎn)切削棒料外圓后，穩(wěn)定器夾緊棒料，直徑測量裝置測量加工后的直徑精度,拉出裝置夾緊棒料，并拉出加工完成后由快速出料裝置出料夾緊裝置夾送新的棒料。無心車床在加工棒料時循環(huán)該流程，可實現(xiàn)對棒料的不間斷高速加工。

2 無心車床刀具動態(tài)調(diào)整機構(gòu)

無心車床的加工棒材的過程中，主動力頭上的刀具動態(tài)調(diào)整機構(gòu)是保證被加工件精度和質(zhì)量的關(guān)鍵，是國內(nèi)外無心車床的主要技術(shù)差距所在，同時也是無心車床實現(xiàn)高度自動化的必要條件[10,11]。

針對此技術(shù)問題，本文設(shè)計了一種無心車床刀具的動態(tài)調(diào)整機構(gòu)，如圖2所示。本調(diào)整機構(gòu)的核心在于差速輪系，通過差速輪系中伺服電機所帶動的太陽輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)調(diào)整刀具的進給或者退回。

圖2 無心車床刀具動態(tài)調(diào)整機構(gòu)

無心車床的傳動系統(tǒng)分動力傳動部分和調(diào)刀傳動部分兩個部分。

動力傳動部分由驅(qū)動電機、驅(qū)動齒輪、機床主軸、刀盤和刀具組成。驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)帶動驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動齒輪與機床主軸固結(jié)將動力輸出至機床主軸，機床主軸與刀盤連接并帶動刀盤上的刀具做周向轉(zhuǎn)動，用于切削棒材表面，去除表面缺陷。

調(diào)刀傳動部分由調(diào)刀伺服電機、差動輪系、輸出齒輪、復(fù)合齒輪、齒輪絲杠等組成。調(diào)刀伺服電機帶動差動輪系的太陽輪轉(zhuǎn)動，差動輪系的外輪齒輪與驅(qū)動齒輪嚙合，輸出齒輪安裝在差動輪系的行星架上與復(fù)合齒輪嚙合。輸出齒輪的轉(zhuǎn)動速度由調(diào)刀伺服電機與驅(qū)動齒輪的共同作用決定，可在機床主軸上自由轉(zhuǎn)動。復(fù)合齒輪是一個同時具有徑向齒圈和端面齒輪的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其徑向齒圈用于和輸出齒輪嚙合，端面齒則用于和齒輪絲杠的齒輪部分嚙合驅(qū)動齒輪絲杠旋轉(zhuǎn)。齒輪絲杠的轉(zhuǎn)動則通過絲杠螺母副驅(qū)動刀具在刀盤上徑向移動，達到刀具調(diào)整的目的。

在調(diào)刀傳動部分中，差動輪系作為傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵，需要進行特殊設(shè)計達到調(diào)刀功能。為了使無心車床在工作過程中刀具可在線動態(tài)調(diào)整，需滿足以下兩點：

(1)當?shù)毒卟恍枰獎幼鲿r，需保證刀具徑向固定，穩(wěn)定可靠，不產(chǎn)生滑移，因此需保證在不做刀具調(diào)整時，驅(qū)動齒輪與復(fù)合齒輪不產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，即差動輪系對復(fù)合齒輪的轉(zhuǎn)動速度不產(chǎn)生影響。

(2)當?shù)毒咝枰{(diào)整時，使驅(qū)動齒輪與復(fù)合齒輪產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，即差動輪系對復(fù)合齒輪的轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，從而驅(qū)動齒輪絲杠轉(zhuǎn)動，并驅(qū)動刀具移動，實現(xiàn)刀具調(diào)整功能。

因此本機構(gòu)設(shè)計的差動輪系的功能為：刀具不需要調(diào)整時，使調(diào)刀伺服電機靜止不動時，即差動輪系的太陽輪固定時，差動輪系轉(zhuǎn)化為行星輪系[12-17]，驅(qū)動齒輪至復(fù)合齒輪的總傳動比為1，即可保證刀具的徑向固定。

驅(qū)動齒輪至復(fù)合齒輪的總傳動比可寫為

(1)

令總傳動比i為1，可以得到行星輪系的速比要求為

(2)

由于驅(qū)動齒輪和復(fù)合齒輪均安裝在機床主軸上，且輸出齒輪與差速輪系外圈齒輪同心，為方便設(shè)計并符合機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的緊湊性要求，本文選用NGW形式的行星輪系。

已知NGW行星輪系內(nèi)部齒數(shù)的速比計算公式為

(3)

其中,zA為太陽輪齒數(shù);zB為外輪內(nèi)圈齒數(shù)。

式(2)可寫為

(4)

此時，通過行星輪系及調(diào)刀機構(gòu)的齒輪齒數(shù)配比，使其滿足公式(4)，即可保證當伺服電機靜止不動，即差動輪系的太陽輪固定時，無心車床工作時刀具的徑向位置固定，刀具位置不做調(diào)整。

當?shù)毒叩奈恢眯枰{(diào)整時，調(diào)刀伺服電機轉(zhuǎn)動，即差動輪系的太陽輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動時，差動輪系的速比與其內(nèi)部齒數(shù)關(guān)系可寫為

(5)

根據(jù)太陽輪的轉(zhuǎn)速nA不同，從公式(5)可以得到三種情況。

因此，當無心車床在持續(xù)加工棒材的過程中，伺服電機驅(qū)動差動輪系的太陽輪通過靜止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等三種模式可分別實現(xiàn)對刀具的固定、進給和退回的三種控制，實現(xiàn)了對棒材加工刀具的在線動態(tài)調(diào)整。

3 調(diào)刀機構(gòu)的自動化控制

當直徑測量裝置檢測到被加工后棒材因為刀具磨損等原因產(chǎn)生尺寸偏差時或根據(jù)不同規(guī)格棒材需要刀具位置調(diào)整時，可通過自動化程序控制調(diào)刀伺服電機對刀具進行不停機的在線動態(tài)調(diào)整，其調(diào)整流程如圖3所示[18-20]。

圖3 刀具動態(tài)調(diào)整流程圖

通過該控制方法對刀具進行在線動態(tài)調(diào)整，對刀具進行在線刀具補償，可保證切削后棒料的直徑在整個加工過程中一直處于要求的公差范圍內(nèi)，也可根據(jù)棒材規(guī)格調(diào)整刀具開口尺寸，適應(yīng)新的棒材加工規(guī)格。這樣，切削刀具自動化動態(tài)在線調(diào)整的關(guān)鍵瓶頸就得以解決，實現(xiàn)了無心車床的整機的全機自動化控制，確保無心車床的全自動化，高質(zhì)量，高效來料加工。

4 結(jié)束語

針對無心車床動態(tài)調(diào)刀功能設(shè)計的基于差動輪系的動態(tài)調(diào)刀機構(gòu)，可實現(xiàn)無心車床的在線動態(tài)刀具調(diào)整，用于在線補償?shù)毒吣p和自動刀具位置調(diào)整，提高了無心車床的加工精度，并基于自動調(diào)刀功能實現(xiàn)無心車床的高度自動化，降低了人工勞動強度，保證無心車床的加工質(zhì)量，高生產(chǎn)效率。