錐形帶孔零件外形精加工的完全自動化

摘 要：在機加工過程中自動化加工成為提高加工效率和降低勞動強度一種有效的手段，工件機械加工自動化時，可分為半自動，全自動和完全自動。各種自動化系統(tǒng)必須根據(jù)具體的零件進行設(shè)計，文章主要介紹錐形零件外形精加工的完全自動化工作原理，結(jié)構(gòu)組成以及在實際加工中的運用。

關(guān)鍵詞：自動化；半自動；全自動；完全自動；機械手；分選裝置

中圖分類號：TH161.11 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）6-0086-04

工件機加工自動化時，可分為半自動、全自動、完全自動三種形態(tài)。半自動化加工是工件的裝卸利用手作業(yè)，只是加工過程自動化。全自動化又稱滑槽形式或倉匣形式的自動化，只以手工將工件裝填于滑槽或倉匣，裝卸、加工全部自動化的機構(gòu)。完全自動化是用有工件整列能力的進料器、漏斗等對滑槽或倉匣供給工件，而且可一次對進料器或漏斗供給大量工件。

現(xiàn)國內(nèi)的自動化加工，大部分屬于半自動化或全自動化形式，但是隨著各類數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)工件加工完全自動化已成為工件加工的趨勢。完全自動化不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且能夠保證加工的工件質(zhì)量，降低操作者的勞動強度。

本文介紹錐形零件外形精加工的完全自動化主要包括：PLC控制系統(tǒng)，液壓驅(qū)動系統(tǒng)和自動化執(zhí)行部件系統(tǒng)。

PLC控制部件：該部件能讓各個部件實現(xiàn)預(yù)定動作的控制系統(tǒng)（PLC），在設(shè)計充分考慮各動作之間的時間先后順序、邏輯關(guān)系、合作協(xié)調(diào)關(guān)系等；

自動送料、自動退料部分：送料采用液壓油缸送料，自動退料采用彈簧退料；

拉緊部分：使用液壓油缸作為拉緊動力。

液壓控制部件：在車內(nèi)錐自動車床中，項目組經(jīng)過反復(fù)試驗、研究決定采用液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動力。液壓系統(tǒng)具有控制簡便，驅(qū)動可靠，噪音小，動作迅速等有特點；

1 工藝分析

1.1 受力情況的分析

考慮到效率，我們擬采用漲芯式夾緊錐形帶孔零件，因為錐形帶孔零件底孔較小，車槽時切削力較大，漲芯式夾緊就存在芯軸剛性不夠的問題，所以必須盡量的減小切削力和車床的振動，以保證錐形帶孔零件的尺寸精度。

下面就受力情況對加工的參數(shù)進行分析：

切削力Fc，與切削速度方向一致，是計算刀具強度、機床功率的主要依據(jù)。

進給力Ff，與刀具運動方向一致。

由于切槽力比車內(nèi)錐的切削力大的多，所以在進行設(shè)計計算時，主要考慮的是切槽力，車內(nèi)錐的切削力忽略不計。

影響切削力的因素主要有以下幾個方面：工件材料、 進給量f、背吃刀量ap、前角Yo、主偏角和刀尖圓弧半徑、刀具材料、切削液。

根據(jù)以上影響因素，錐形帶孔零件材料為20 CrMnTi的擠壓料或棒料，因為該材料比較粘刀，車床必須使用較高的轉(zhuǎn)速，在保證進給量f的情況下，增大前角Yo和主偏角Kr，減小刀尖圓弧半徑Rε的情況下，可以減小切削力和振動，使切削更輕快。

為了保證錐形帶孔零件外錐尺寸精度，初步選用硬度較高、耐磨的涂層刀片。

1.2 加工參數(shù)的確定

要保證生產(chǎn)效率，進給量f應(yīng)達(dá)到目前錐形帶孔零件粗車外錐時的進給量（700 mm/min），要保證粗糙度，必須選擇合適的進給量，0.05～0.15 mm/r為f的臨界值，盡量接近這個范圍，則粗糙度越小，所以要使用700 m/min的進給量，主軸轉(zhuǎn)速在4 667～14 000 r/min之間較好。

20 CrMnTi為塑性材料，為避開積屑瘤和鱗刺生成的切削速度范圍，對于涂層刀具來說，應(yīng)采用較高的切削速度（Vc>1.6 m/s）。

為達(dá)到較高的切削速度，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，我們使用了車床的最高轉(zhuǎn)速1 600 r/min，在該速度下，錐形帶孔零件錐面的切削速度范圍為1.5 m/s

所以，在理論上說，主軸轉(zhuǎn)速為4 667～14 000 r/min的情況下，使用較小的刀尖圓弧半徑（小切削量可提高刀片壽命，減小背向力，滿足漲芯式夾具芯軸剛性不足的要求，保證加工的精度），以車代磨是可以達(dá)到目前粗車外錐的進給速度的（粗車外錐進給量為700 mm/min），并可保證錐形帶孔零件的粗糙度和尺寸精度。

因為刀具壽命的限制，為保證最佳的經(jīng)濟性，我們的加工參數(shù)為電主軸3 000 r/min，選用1.2刀尖圓弧半徑，進給量為500 mm/min（即0.167 mm/r，基本符合0.05～0.15 mm/r區(qū)間，按進給量計算也可選擇3 333 r/min的主軸轉(zhuǎn)速），實際和理論基本一致。

1.3 設(shè)計方案

自動加工涉及方案如圖1所示。運動方式是：送料部件啟動，送料部件的穿心桿穿過料倉錐形帶孔零件內(nèi)孔，將料倉內(nèi)錐形帶孔零件推出送入機床主軸上的脹套，在送入的過程中，錐形帶孔零件大頭端面壓住自動退料裝置，自動退料裝置（彈簧裝置）隨著錐形帶孔零件一起前進直至錐形帶孔零件大端面與脹套端面貼合為止。在運動過程中當(dāng)送料部件的穿心桿頂住脹套內(nèi)拉桿端面時，穿心桿被壓縮回收。錐形帶孔零件送到位后，送料部件回程，開始進行機加工。

在車外錐時，通過機床本身的拖板運動帶動分離器撥動板運動，撥動分離器內(nèi)的錐形帶孔零件，讓錐形帶孔零件落入料倉，為下一次送料做準(zhǔn)備。

車削完成后，拉緊裝置松開，退料裝置在彈簧力的作用下將工作錐形帶孔零件彈出，錐形帶孔零件落入車床下面的接料盤。

2 進料器

2.1 進料器結(jié)構(gòu)

進料器的工件外形如圖2所示，組成部分如圖3所示：標(biāo)識1為料倉，作為待整形零件的存放處，標(biāo)識2為待整形的工件，標(biāo)識3為整形導(dǎo)向軸，標(biāo)識4為整形橡膠片，標(biāo)識5為整形棘輪。整個機構(gòu)與水平面成a度。

2.2進料器工作原理

錐形工件通過進料器的整形作用，調(diào)整為錐面小頭朝下方向，為實現(xiàn)工件的自動送料做準(zhǔn)備。

整形棘輪在電機的驅(qū)動下帶動整形橡膠片攪動料倉內(nèi)的工件，使錐形工件方向發(fā)生改變，當(dāng)在兩根整形導(dǎo)向軸上的工件被攪動至小頭向下時，工件落入整形導(dǎo)向軸，方向不對的工件不能進入整形導(dǎo)向軸。同時整形導(dǎo)向軸的轉(zhuǎn)動增加與落入的工件的摩擦力，使落入的工件沿整形導(dǎo)向軸向下運動，進入滑槽。

3 車外錐主要技術(shù)特征

3.1 切削力和切削功率的計算

3.2 拉緊結(jié)構(gòu)

3.2.1 拉緊力計算

拉緊油缸拉緊后的拉緊力F0，在脹套的錐面上產(chǎn)生一個垂直于脹套錐面的壓力F1，F(xiàn)1的反作用力F1'在切削方向的分力F'應(yīng)該大于或等于切削力Fc。

因為錐形帶孔零件質(zhì)量較小，可不考慮自身重力的影響，脹套為小頭脹緊（四片式），可不考慮背向力Fp的影響。錐形帶孔零件受力最大位置為切槽處，則根據(jù)力矩平衡得：

3.2.2 拉緊結(jié)構(gòu)

當(dāng)拉緊活塞工作時，脹套中的拉桿受拉力作用，脹開脹套，拉緊錐形帶孔零件。根據(jù)計算出的拉緊力可以確定拉緊油缸的受力面積和選取拉緊軸承。

綜合考慮受力情況和具體的安裝結(jié)構(gòu)，初步確定拉緊軸承選用推力球軸承，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示：

已知：油壓P=1.5 MPa，活塞桿直徑r=20 mm，拉緊力F0=3 186 N，活塞直徑為R。

根據(jù)F0'選取推力球軸承51 203，其基本額定載荷為Ca=17 KN， Coa=27.2 KN

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，20世紀(jì)70年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1 K邏輯程序不到1 ms。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結(jié)果送給PLC的控制器。

錐形零件外形精加工的完全自動化PLC控制流程圖如圖6所示。

5 液壓驅(qū)動系統(tǒng)

使用液壓力具有控制簡便，驅(qū)動可靠，噪音小，動作迅速等有特點。

液壓部件連接結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

5.1 液壓泵的選擇

根據(jù)《機械設(shè)計手冊（5）》和系統(tǒng)的工況，選擇外嚙合齒輪泵。

工作時最大載荷F0'=7 653 N，根據(jù)手冊可以確定液壓系統(tǒng)工作壓力為1.5～2 MPa。

根據(jù)送料、切槽和拉緊油缸的參數(shù)以及項目要求的加工效率，在切槽時系統(tǒng)的流量最大QMAX=0.26 L/s（18.72 L/min）。根據(jù)手冊可知：

泵的流量Q≥K×QMAX（K為泄漏系數(shù)，一般取1.2）

則：Q≥18.75 L

故選擇CB-B20外嚙合齒輪泵，該泵參數(shù)見表1：

5.2 液壓控制閥的選擇

系統(tǒng)中的控制閥主要包括溢流閥、電磁換向閥和調(diào)速閥。工作中液壓執(zhí)行活塞的換向選擇二位四通電磁閥換向，在切槽油路上增加了一個調(diào)速閥，以便準(zhǔn)確調(diào)整切槽的進給速度和切槽切削量。

6 發(fā)展方向

實現(xiàn)了機械自動裝料、自動夾緊、自動車削、自動卸料和料屑分離等功能，自動化程度高，技術(shù)含量高，一人可以控制2～3臺車床，可以說是向少人或無人化生產(chǎn)邁進了一大步，并且很大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，更有利于提高企業(yè)形象，加強企業(yè)競爭力，鞏固企業(yè)地位。

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