用于非煤礦山鑿巖連接套加工的內(nèi)旋風(fēng)銑設(shè)計(jì)與改造

湯樂軍

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司，江蘇 南京 210041)

1 問題的提出

長(zhǎng)期以來，內(nèi)螺紋的加工一直是困擾鑿巖釬具生產(chǎn)的難題，許多釬具生產(chǎn)廠家的內(nèi)波形螺紋加工通常采用成型刀、靠模，有的生產(chǎn)廠家甚至使用內(nèi)R和外R兩把刀具分別進(jìn)行車削加工，這些加工方法不僅工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低，而且精度和表面粗糙度很難符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，最關(guān)鍵的問題是在加工過程中產(chǎn)生了接刀痕，熱處理淬火后易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致鑿巖連接套在使用過程中的早期失效(主要表現(xiàn)為斷裂)，直接影響著連接套的使用壽命。

我廠是GB/T 6482—2007 鑿巖用螺紋連接釬桿、連接套以及GB/T 6480—2002 鑿巖用硬質(zhì)合金釬頭的專業(yè)鑿巖釬具生產(chǎn)廠家，和其他釬具的生產(chǎn)廠家一樣，也長(zhǎng)期受到內(nèi)波形螺紋的加工的困擾。經(jīng)過多次的摸索和嘗試，最終決定使用旋風(fēng)切削的加工方法完成內(nèi)波形螺紋的加工，見圖1、圖2。

圖1 鑿巖連接套Fig.1 Drilling coupling sleeve

圖2 內(nèi)波形螺紋尺寸放大Fig.2 Size enlarging of the inner waveform thread

如圖3所示，用于波形螺紋切削的旋風(fēng)切削中心與車床主軸的中心有一個(gè)偏距e。此時(shí)車床主軸帶動(dòng)工件慢速旋轉(zhuǎn)，假設(shè)安裝在拖板上的銑軸箱的旋風(fēng)切削刀桿處于靜止?fàn)顟B(tài)，主軸的旋轉(zhuǎn)通過掛輪、進(jìn)給箱、絲桿后，帶動(dòng)拖板作平移運(yùn)動(dòng)，旋風(fēng)切削刀桿的軸線與合金刀頭的軸線的交點(diǎn)則相對(duì)于主軸形成一個(gè)給定螺距(螺距通過進(jìn)給箱所設(shè)定)、偏心距為e的螺旋軌跡。當(dāng)?shù)稐U在電機(jī)的帶動(dòng)下，刀尖進(jìn)行高速切削作用時(shí)，則形成以這個(gè)螺旋軌跡為圓心軌跡，以硬質(zhì)合金刀具的刀尖距旋風(fēng)切削刀桿軸線的距離為半徑的一系列連續(xù)的圓，這一系列連續(xù)圓的外輪廓最終形成如圖2所示，符合GB/T 6482—2007和 GB/T 6480—2002所要求的內(nèi)波形螺紋。

旋風(fēng)切削加工出的內(nèi)波形螺紋，在加工過程中是一把合金刀具連續(xù)切削，切削速度快、切削量小，加工過程不存在任何的接刀痕，表面粗糙度Ra能達(dá)到0.8 μm，這樣的加工精度、表面粗糙度對(duì)需要滲碳淬火的非煤礦山鑿巖釬具使用壽命的提高有著非常重要的意義。

圖3 波形內(nèi)螺紋旋風(fēng)銑削機(jī)床Fig.3 Whirlwind milling machine with theinner waveform thread 1—床身；2—銑軸箱；3—旋風(fēng)切削刀桿；4—硬質(zhì)合金刀；5—主軸箱；6—進(jìn)給箱；7—掛輪安裝位置

2 設(shè)計(jì)概述

按照技術(shù)部門提出的設(shè)計(jì)要求，用于鑿巖連接套加工的旋風(fēng)銑削機(jī)床的技術(shù)性能需同時(shí)滿足以下技術(shù)要求：①表面粗糙度Ra≤1.6 μm；②加工時(shí)間≤10 min；③經(jīng)過簡(jiǎn)單的調(diào)整，需同時(shí)具有加工R38、R32，內(nèi)、外共4個(gè)類型的波形螺紋的能力;④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作、維修方便，滿足較高的可靠性和安全性要求。

根據(jù)技術(shù)部門提出技術(shù)要求，改造以C6140車床為基礎(chǔ)，從機(jī)械和電氣兩方面進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，確定了旋風(fēng)銑削機(jī)床加工連接套的總體設(shè)計(jì)方案，以內(nèi)螺紋旋風(fēng)銑為例，確定了如圖4所示的金加工流程。

圖4 內(nèi)螺紋旋風(fēng)銑工作流程Fig.4 Workflow flowchart of whirlwind milling machine with the inner waveform thread

3 機(jī)械部分的改造

3.1 溜板與絲杠部分的改造

由于鑿巖連接套的波形螺紋為左旋螺紋，溜板箱的工進(jìn)方向是從內(nèi)往外加工，為保證波形內(nèi)螺紋頂徑的加工精度，一般需要在連接套的內(nèi)孔留有適量的加工余量，如果按照正常的裝夾方式，先用卡盤夾緊連接套，然后將刀桿快進(jìn)至連接套靠近主軸端時(shí)，勢(shì)必造成合金刀尖的損壞。為了保護(hù)合金刀具，只能先將連接套以自由狀態(tài)放置在刀桿上，合金刀位于連接套的外側(cè)，至卡盤夾持位置時(shí)，再用卡盤夾緊連接套。

為了保證工人的操作安全，C6140車床在毛坯快進(jìn)至卡盤過程中，主軸必須處于靜止?fàn)顟B(tài)，光杠帶動(dòng)溜板箱快進(jìn)，卡盤夾緊連接套，工進(jìn)時(shí)再將進(jìn)給箱調(diào)整為螺紋加工狀態(tài)，按照設(shè)定的螺距進(jìn)行螺紋加工。在工件加工時(shí)間一定的前提下，由于快進(jìn)、快退時(shí)間較長(zhǎng)，且中途需2次調(diào)整進(jìn)給箱，這樣不僅增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也不能滿足技術(shù)部門對(duì)連接套整個(gè)加工時(shí)間的要求。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過PLC進(jìn)行設(shè)定，若在絲桿的末端加裝步進(jìn)電機(jī)，則絲杠帶動(dòng)溜板的快進(jìn)、快退速度可以在一定范圍內(nèi)任意設(shè)定，以最大程度提高溜板快進(jìn)和快退的速度，達(dá)到縮短輔助時(shí)間的目的。

雖然旋風(fēng)切削加工的工件表面粗糙度理論上能達(dá)到Ra=0.8 μm，但如果這臺(tái)普通車床的絲杠的間隙調(diào)整以及磨損等方面存在問題，將直接影響表面粗糙度Ra值，故決定使用滾珠絲杠代替原車床的梯形絲杠。

與此同時(shí)，由于原車床的拖板形狀不能安裝銑軸箱，故需重新制造、加工了一塊拖板。該拖板除了安裝有銑軸箱外，滾珠絲杠的絲杠螺母也安裝在該拖板的剛性連接件上。最終采用如圖5所示為改造后的溜板與絲杠。

圖5 改造后溜板與絲杠Fig.5 Improved slide plate and ball screw 1—步進(jìn)電機(jī)；2—滾珠絲杠連接套；3—新制的溜板箱；4—新制的溜板；5—滾珠絲杠；6—進(jìn)給箱

3.2 掛輪箱部分的改造

C6140車床進(jìn)給箱的動(dòng)力由床頭箱的X軸通過掛輪部分的過橋齒輪傳給進(jìn)給箱，經(jīng)過絲杠部分改造后的進(jìn)給箱調(diào)整為螺紋加工狀態(tài)，在不切斷床頭箱的X軸與進(jìn)給箱的輸入軸之間傳動(dòng)的情況下，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)又處于快進(jìn)或快退運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，勢(shì)必造成步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力源與和床頭箱的X軸輸出的動(dòng)力源對(duì)進(jìn)給箱的運(yùn)動(dòng)干涉，直接導(dǎo)致進(jìn)給箱、床頭箱內(nèi)部相關(guān)齒輪損壞。

為了解決進(jìn)給箱逆向傳動(dòng)的問題，設(shè)計(jì)在進(jìn)給箱輸入軸前端安裝了1個(gè)電磁離合器，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠快進(jìn)或快退時(shí)，電磁離合器失電，切斷床頭箱的X軸與進(jìn)給箱的輸入軸之間的傳動(dòng)，當(dāng)電磁離合器得電后，由于進(jìn)給箱一直處于螺紋加工狀態(tài)，進(jìn)給箱輸入軸接受床頭箱X軸通過過橋齒輪傳來的動(dòng)力，帶動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)進(jìn)行旋風(fēng)銑螺紋加工。

由于在進(jìn)給箱輸入軸前端安裝了1個(gè)電磁離合器，進(jìn)給箱輸入軸、過橋齒輪軸、床頭箱動(dòng)力輸出的X軸均需重新制造，進(jìn)給箱輸入軸齒輪、過橋齒輪、床頭箱X軸輸出齒輪仍使用原機(jī)床齒輪。改造后掛輪箱見圖6。

3.3 刀桿及銑軸箱的設(shè)計(jì)與改造

按照前面所述的旋風(fēng)切削原理，旋風(fēng)切削中心與車床主軸的中心必須平行，同時(shí)有1個(gè)偏距e，偏距e的方向在理論上可以設(shè)定為任意方向。由于拖板與機(jī)床導(dǎo)軌在長(zhǎng)期工作過程中會(huì)產(chǎn)生一定的磨損，會(huì)造成偏距e數(shù)值的變化，為了消除磨損產(chǎn)生的e值的變化，研究將偏距e設(shè)計(jì)在機(jī)床主軸正上方，當(dāng)產(chǎn)生磨損導(dǎo)致e值減小時(shí)，可以方便地通過銑軸箱底部墊銅皮的方法進(jìn)行調(diào)整。

圖6 改造后掛輪箱Fig.6 Improved wheel box 1—電磁離合器；2—進(jìn)給箱輸入軸；3—進(jìn)給箱輸入軸齒輪；4—掛輪部分的過橋齒輪軸；5—掛輪部分的過橋齒輪；6—床頭箱X軸；7—床頭箱X軸輸出齒輪

設(shè)計(jì)制造的銑軸箱由如圖7所示的幾部分組成。從進(jìn)風(fēng)裝置吹入的壓縮空氣在銑削內(nèi)螺紋過程中起到冷卻合金刀頭以及排屑的作用。當(dāng)?shù)稐U安裝插入時(shí)，拉桿通過螺紋連接拉緊刀桿，防止切削過程中刀桿脫落。刀桿頂端安裝有用于螺紋銑削的合金刀頭。銑軸箱主軸的銑削端通過兩個(gè)圓錐滾子軸承和一個(gè)平面軸承安裝在銑軸箱前端，這樣可以很好地保證銑軸箱主軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)精度，另一端通過一個(gè)圓錐滾子軸承安裝在銑軸箱后端用兩件圓螺母并緊后，將主軸安裝在銑軸箱上。銑軸箱主軸的前端圓盤設(shè)計(jì)有4-M12的螺紋孔，主要用于拆除加工波形內(nèi)螺紋的刀桿后，安裝加工波形外螺紋的銑頭，這樣可以方便地進(jìn)行內(nèi)、外螺紋加工過程的快速轉(zhuǎn)換。

圖7 設(shè)計(jì)制造的銑軸箱Fig.7 Design and manufacture of milling axle box 1—進(jìn)風(fēng)冷卻裝置；2—拉桿；3—銑削電機(jī)；4—銑軸箱蓋；5—銑軸箱；6—銑軸箱主軸；7—波形內(nèi)螺紋刀桿；8—合金刀頭

4 電氣部分的改造

依據(jù)內(nèi)螺紋旋風(fēng)銑工作流程圖和機(jī)械部分的動(dòng)作要求，采用了如圖8所示的控制原理框圖進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

圖8 控制原理框圖Fig.8 Control principle block diagram

根據(jù)前述機(jī)械部分的設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動(dòng)內(nèi)旋風(fēng)銑的滾珠絲杠步進(jìn)電機(jī)需使用帶有脈沖輸出的PLC進(jìn)行控制，綜合電氣元件的控制要求，參考西門子PLC的選型手冊(cè)，選擇S7-200系列的CPU 226 CN DC/DC/DC的PLC。該型號(hào)的PLC Y0.0和Y0.1可以設(shè)置為2個(gè)脈沖輸出端口，故將端口Y0.0通過 PLC 的程序設(shè)置為脈沖輸出端口，用以控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，Y0.1設(shè)置為方向信號(hào)端口，Y0.2設(shè)置為使能信號(hào)端口，最終實(shí)現(xiàn)溜板的快進(jìn)、快退功能。

原機(jī)床主軸經(jīng)1臺(tái)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過床頭箱2個(gè)操作桿的不同位置調(diào)整后，實(shí)現(xiàn)主軸的變速功能。為了實(shí)現(xiàn)加工全過程的自動(dòng)控制，故采用在床頭箱固定變速比，由PLC通過USS通訊控制變頻器實(shí)現(xiàn)加工過程中的交流調(diào)速功能。

根據(jù)《GB 12266—1990 機(jī)械加工設(shè)備一般安全要求》的規(guī)定，除了在PLC程序設(shè)置相應(yīng)的連鎖、互鎖外，上述各相應(yīng)的接觸器之間也設(shè)置了連鎖、互鎖。在全自動(dòng)工作狀態(tài)，啟動(dòng)按鈕設(shè)置為2個(gè)功能，第一次按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)進(jìn)入無需人工干預(yù)的全自動(dòng)工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障，再次按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，設(shè)備則在系統(tǒng)不斷電的情況下，實(shí)現(xiàn)全部運(yùn)動(dòng)部件的停車。當(dāng)在全自動(dòng)工作狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕依然無法實(shí)現(xiàn)停車時(shí)，則應(yīng)該按下緊急按鈕，此時(shí)設(shè)備通過進(jìn)線斷路器切斷整個(gè)設(shè)備的電源，最大程度地保證安全。

其他電氣設(shè)備的控制功能由PLC的程序通過執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令得以實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 語

(1)簡(jiǎn)述了用于鑿巖連接套內(nèi)波形螺紋加工的旋風(fēng)銑的設(shè)計(jì)和改造過程。按照本設(shè)計(jì)改造的旋風(fēng)銑加工的連接套和鑿巖釬頭的內(nèi)波形螺紋質(zhì)量有了較大提高，經(jīng)我單位內(nèi)部進(jìn)行的綜合比對(duì)試驗(yàn)，相同的礦山地質(zhì)條件，相同的操作工，使用該設(shè)備加工的產(chǎn)品使用壽命較使用普通車床加工的連接套和鑿巖釬頭提高了近15%,同時(shí)還具有連接可靠、拆卸方便、不過分削弱連接套和鑿巖釬頭強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

(2)該設(shè)備已投入使用多年，經(jīng)測(cè)定，內(nèi)、外波形螺紋表面粗糙度Ra達(dá)到0.8 μm，加工時(shí)間為6 min。通過原機(jī)床進(jìn)給箱的螺距設(shè)置，可以加工各種螺距的波形螺紋。當(dāng)拆除了刀桿，安裝銑頭后，再將外波形螺紋旋風(fēng)銑的PLC程序下載到PLC后，即可實(shí)現(xiàn)外波形螺紋的加工。

(3)該設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作、維修方便的優(yōu)點(diǎn)，滿足設(shè)備關(guān)于可靠性和安全性方面的要求，加工精度符合關(guān)于鑿巖釬具的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，加工時(shí)間和表面粗糙度完全符合技術(shù)部門提出的設(shè)計(jì)要求，是鑿巖釬具波形螺紋加工的理想選擇。

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