普通車床加工馬鞍形曲面的工藝裝置設(shè)計(jì)與研究

張培彥 李丹丹 丁鳳琴

(鄭州旅游職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，河南 鄭州 450009)

鍋爐制造行業(yè)，在大容量、高參數(shù)電站鍋爐及余熱鍋爐的生產(chǎn)過程中，為了現(xiàn)場(chǎng)安裝，鍋筒、集箱上焊接有大量管接頭，鍋筒、集箱上的管接頭與之焊接時(shí)大多采用“騎座式”焊接結(jié)構(gòu)，即管接頭內(nèi)壁與鍋筒、集箱內(nèi)壁相貫。為了提高焊縫質(zhì)量，增大焊縫強(qiáng)度，按鍋爐制造標(biāo)準(zhǔn)要求，需要將管接頭端面預(yù)先加工成馬鞍形曲面全焊透型坡口，如圖1 所示:焊接時(shí)要求曲面坡口整齊光潔。常用的管接頭規(guī)格有φ76～159 mm、壁厚δ=6～16 mm，每臺(tái)鍋爐各種規(guī)格的管接頭總量多達(dá)數(shù)百個(gè)以上，占據(jù)了生產(chǎn)的一定比例。對(duì)此，速度時(shí)，可有效降低磨削區(qū)為了降低生產(chǎn)成本，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，在普通車床上不改變其任何結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計(jì)了工藝裝備，即可加工管接頭各種馬鞍形曲面坡口，滿足了生產(chǎn)需要。

1 馬鞍形曲面坡口的形狀與特點(diǎn)

鍋爐的鍋筒、集箱上焊接有大量的φ76～159 mm，壁厚δ=6～16 mm 的管接頭，管接頭與它們的焊接要求其內(nèi)壁與鍋筒或集箱內(nèi)壁相貫及吻合［2］，馬鞍形曲面的端部即馬鞍形曲線就是管接頭內(nèi)壁與鍋筒或集箱內(nèi)壁相互貫穿而形成的相貫線，隨著兩相貫形體的直徑大小不同相貫線各異，即隨著鍋筒、集箱、管接頭內(nèi)徑不同，管接頭的馬鞍形相貫線形狀也不同。圖2 畫出了鍋爐上幾種相貫體相貫線的一部分。

從圖2 可知，同一規(guī)格的管子與不同規(guī)格的集箱相交，兩管子的表面交線即相貫線形狀都是不同的，要想使兩相交的管子焊縫得到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求，必須使管接頭的相貫線規(guī)則與集箱充分吻合，這就給生產(chǎn)帶來很大難度。

2 目前管接頭馬鞍曲面生產(chǎn)工藝分析

目前國內(nèi)管接頭馬鞍形曲面坡口大多采用銑削、刨削和改造的專用仿形車床以及數(shù)控加工等方法，各種加工方法各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。刨削是不連續(xù)切削運(yùn)動(dòng)，有空行程，生產(chǎn)效率低，且刀具容易磨損［3］;數(shù)控機(jī)床費(fèi)用高且管接頭馬鞍曲面編程麻煩;改造的專用仿形車成本較高，且機(jī)床改造后只能用于加工管接頭，機(jī)床閑置時(shí)間較長;有些企業(yè)采用銑床銑削管接頭馬鞍曲面，但由于現(xiàn)有設(shè)備條件的限制，銑削不能滿足所有規(guī)格管接頭馬鞍形曲面的生產(chǎn)加工，所以生產(chǎn)過程中，銑床銑削管接頭馬鞍形曲面后，再采用手工氣體切割加工坡口，然后用手動(dòng)砂輪打磨，手工氣切出的馬鞍形曲面坡口形狀不規(guī)則，坡口表面質(zhì)量較差，管接頭與和它相貫的圓柱面不能很好吻合，施焊后焊縫不合要求，產(chǎn)生焊接缺陷，焊接質(zhì)量得不到保障，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。

針對(duì)以上情況，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀，結(jié)合管接頭不同馬鞍形曲面的特點(diǎn)，我們研究了在普通車床上不改變機(jī)床結(jié)構(gòu)，通過增加工藝裝置車削各種馬鞍形管接頭曲面坡口的加工方法。

3 車削馬鞍形曲面工藝裝置的組成與工作原理

3.1 裝置的組成

該裝置主要組成如圖3 所示［1］。此裝置中，端面凸輪6 是關(guān)鍵零件，它的結(jié)構(gòu)與形狀如圖4 所示［4］。

圖4b 中的橫坐標(biāo)代表角度，縱坐標(biāo)代表圓柱面素線長度。端面凸輪端面展開曲線即為管接頭的馬鞍形相貫線，馬鞍形曲線就是管接頭內(nèi)壁與集箱內(nèi)壁相互貫穿而形成的相貫線。隨著兩相貫形體的直徑大小不同相貫線各異，這就使得車削不同的馬鞍形曲線需要不同的端面凸輪。圖5 是幾種規(guī)格管子相交的相貫線，也是端面凸輪展開曲線，按這些曲線可以加工出各種凸輪，車削不同馬鞍曲面時(shí)，只需要更換與之對(duì)應(yīng)的凸輪。車削過程中工件旋轉(zhuǎn)一圈同時(shí)軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩次，即可車出與相貫線一致的“馬鞍形”曲線。

3.2 裝置的工作原理

將該裝置通過機(jī)架13 安裝于C630 車床的床身導(dǎo)軌上，如圖3 所示，端面凸輪6 由定位鍵5 和定位銷固定在機(jī)架13 上，兩個(gè)導(dǎo)向輪7 通過端蓋15 由導(dǎo)向鍵8、螺釘、定位銷等與軸向滑套14 聯(lián)接在一起成為一剛體構(gòu)件，端蓋15 由導(dǎo)向鍵8 與傳動(dòng)軸2 周向固定，端蓋15 可以沿傳動(dòng)軸2 上的導(dǎo)向鍵8 作軸向移動(dòng)，兩個(gè)導(dǎo)向輪7 由預(yù)壓緊彈簧9 的彈力壓緊在端面凸輪6 的凸輪端面上。傳動(dòng)軸2 通過聯(lián)軸器1 與車床主軸三爪卡盤聯(lián)接，傳動(dòng)軸2 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是由車床主軸的旋轉(zhuǎn)經(jīng)過機(jī)床三爪卡盤、聯(lián)軸器帶動(dòng)，導(dǎo)向輪7、軸向滑套14 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過導(dǎo)向鍵8 由傳動(dòng)軸2 傳遞，軸向滑套14 帶動(dòng)三爪卡盤12 及工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向輪通過彈簧9 的作用力、端蓋15 使其始終壓緊在凸輪6的端面上，當(dāng)導(dǎo)向輪沿著凸輪端面旋轉(zhuǎn)時(shí)，因凸輪端面的曲線形狀在軸線方向位移不同，使得導(dǎo)向輪通過端蓋15 推動(dòng)軸向滑套14 及三爪卡盤12 作直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向輪沿凸輪端面旋轉(zhuǎn)一周，帶動(dòng)軸向滑套14 及三爪卡盤12 往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩次，最終實(shí)現(xiàn)車床主軸旋轉(zhuǎn)一周，工件旋轉(zhuǎn)一圈并同時(shí)在軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩次，從而在工件端面車削出馬鞍形曲面坡口。通過調(diào)換不同端面凸輪，可以車削出與之對(duì)應(yīng)的管接頭馬鞍形曲面坡口。

4 結(jié)語

(1)通過對(duì)以上裝置的研究與設(shè)計(jì)，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)、調(diào)試與應(yīng)用，在普通車床上可以車削各種形狀的管接頭馬鞍形曲線或曲面，車削的馬鞍形曲面坡口規(guī)則、圓滑，表面質(zhì)量好，與相貫體表面吻合狀況好，容易施焊，焊接后質(zhì)量易得到保證。原來銑削、刨削加工一個(gè)不同規(guī)格的管接頭馬鞍形曲面坡口，需要5～10 min，現(xiàn)在只需要2～5 min 時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率。

(2)該工藝裝置結(jié)構(gòu)緊湊，與機(jī)床聯(lián)接、安裝、調(diào)試方便，性能穩(wěn)定、安全、可靠，不用時(shí)可以卸下，不影響機(jī)床的正常使用，降低了生產(chǎn)成本。

［1］黃純穎.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［2］章勤，林安.管接頭馬鞍形坡口加工數(shù)控車床研制［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，1996(5):86 -89.

［3］趙學(xué)，吳凱，馮立杰，等，法蘭接管馬鞍曲面的加工方法研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(14):3287 -3289.

［4］黃素英，王會(huì)枝，郭育琨.馬鞍形管接頭車削工藝及夾具設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)鍋爐，2011(2):63.