軸承套圈專用車床高效自動送料裝置

蔣立正，張苗，胡仲勝

(1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程分院，杭州 310053；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(jī)床、軸承加工自動線[1-2]，并取得了較大進(jìn)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(shí)現(xiàn)了從細(xì)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(zhuǎn)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(shè)備的重要組成部分。

該專用車床實(shí)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(jī)[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(yán)重的振動和噪聲，經(jīng)常因切削刀具損壞而導(dǎo)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(guān)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(jìn)行了重新設(shè)計。

1 送料裝置設(shè)計要求與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 設(shè)計要求

(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(dá)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。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

專用車床的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。自動送料裝置位于主機(jī)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(guān)，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(yīng)；另一方面，鋼管剛性差會導(dǎo)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(jī)

2 動態(tài)特性分析

細(xì)長鋼管在連續(xù)車削過程中構(gòu)成了鋼管-夾具-刀具的振動系統(tǒng)，在彈性力學(xué)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(jìn)行細(xì)長鋼管的模態(tài)分析，確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型；再進(jìn)行諧響應(yīng)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(yīng)(諧響應(yīng))，以計算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)。

2.1 模態(tài)分析

套圈專用車床在工作過程產(chǎn)生的振動主要有2種：細(xì)長鋼管自動送料裝置工作過程產(chǎn)生的振動和主軸回轉(zhuǎn)過程中主軸與細(xì)長鋼管的偏心引起的振動，細(xì)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(xì)長鋼管加工為例，利用Pro/E進(jìn)行建模，并導(dǎo)入ANSYS建立有限元模型，對細(xì)長鋼管的車削過程進(jìn)行模態(tài)分析。

基于以往的加工記錄，粗車套圈時進(jìn)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(zhuǎn)速。

在進(jìn)行模態(tài)分析時，ANSYS的基本參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)速n=500 r/min、激振頻率f=8.3 Hz。通過分析計算可知，當(dāng)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(dāng)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(jìn)行動力學(xué)分析，得到的各階振型見表1。

由表1可知，在細(xì)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(yuǎn)小于1，表明車削速度為500～800 r/min時不致引起共振，且遠(yuǎn)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?；诖耍谧詣铀土涎b置的設(shè)計中，在鋼管尾部添加了柔性夾持單元(圖2)。

2.2 諧響應(yīng)分析

為滿足設(shè)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(jié)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(yīng)分析可以借助模態(tài)分析保存的網(wǎng)格劃分模型，直接進(jìn)入求解器進(jìn)行諧響應(yīng)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(yīng)位移。以φ35 mm×φ45 mm×3 000 mm(d×D×L)的細(xì)長鋼管的割管下料為例，諧響應(yīng)分析得到的第1階頻率為18.206 Hz，最大響應(yīng)位移為11.7 μm(柔性支架)，最小響應(yīng)位移為0.59 μm。

基于上述分析，可進(jìn)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(jìn)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(jié)合當(dāng)前車床的送料工作要求，設(shè)計了一種新型自動送料裝置。

3 送料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 抑振裝置

抑振裝置結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(fù)位及減振的液壓緩沖器；液壓緩沖器與伸縮桿同軸設(shè)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(qū)動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括固定在轉(zhuǎn)動連接件下方的傘齒輪1、與之相嚙合傳動的傘齒輪2、轉(zhuǎn)軸及連接板等；擺動氣缸與傘齒輪2通過轉(zhuǎn)軸及聯(lián)軸器連接，實(shí)現(xiàn)換向傳動。

1—擺動氣缸；2—轉(zhuǎn)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(xì)長鋼管；11—轉(zhuǎn)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(dāng)擺動氣缸驅(qū)動轉(zhuǎn)動連接件時，驅(qū)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)不連續(xù)，抑制或反射部分彈性波，減少了鋼管高速回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時，噪聲和振動大大減小，而且長時間反復(fù)夾持也不會影響夾持精度。

3.2 夾緊送料裝置

夾緊送料裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括基座、鋼管送進(jìn)機(jī)構(gòu)(伺服電動機(jī)、絲杠螺母副、直線導(dǎo)軌副和油缸安裝座1等)、鋼管送料夾緊機(jī)構(gòu)(圓管1、圓管2、回轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)(圓管3、回轉(zhuǎn)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(jìn)機(jī)構(gòu)安裝在基座上，回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)夾緊油缸2；11—聯(lián)軸器；12—花鍵軸；13—花鍵套；14—鋼管送進(jìn)機(jī)構(gòu)；15—圓管1；16,19—絲杠支承座；17—絲杠螺母副；18—直線導(dǎo)軌副；20—伺服電動機(jī)；21—基座

當(dāng)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(qū)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(dāng)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(qū)動主軸夾具體向長鋼管軸線徑向收縮(松開)，達(dá)到夾緊鋼管的目的。當(dāng)鋼管送進(jìn)機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了鋼管送進(jìn)機(jī)構(gòu)、送料夾緊機(jī)構(gòu)和主軸端夾緊機(jī)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合，巧妙實(shí)現(xiàn)了長鋼管送料夾緊-再送料夾緊的往復(fù)精確輸送。由于鋼管送進(jìn)機(jī)構(gòu)采用伺服控制，可實(shí)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(fèi)等問題。進(jìn)一步減小了自動送料裝置的體積，使機(jī)構(gòu)更緊湊；采用彈簧夾頭夾緊長鋼管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削時，內(nèi)部安裝的各圓管可隨長鋼管一起旋轉(zhuǎn)，大大提高了切削加工的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

在細(xì)長鋼管切削運(yùn)動數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了鋼管-刀具-夾具動力學(xué)振動系統(tǒng)，進(jìn)行動態(tài)特性分析，計算了系統(tǒng)的激振響應(yīng)，初步確定了該動力學(xué)系統(tǒng)可能存在振動的原因。該方法可有效避免傳統(tǒng)費(fèi)時費(fèi)力的工藝性試驗(yàn)，為類似回轉(zhuǎn)機(jī)械的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有益的科學(xué)依據(jù)。

經(jīng)過幾個月的裝機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)表明，新研制的自動送料裝置在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)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(dá)±0.1 mm，大大減少了機(jī)械振動，噪聲達(dá)到設(shè)計要求。

相比氣動送進(jìn)存在噪聲大的缺點(diǎn)，液壓送進(jìn)動作簡單可靠、運(yùn)行平穩(wěn)、生產(chǎn)效率更高。在細(xì)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(zhì)量得到了用戶的肯定。