數(shù)控管螺紋加工機(jī)床主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于富琳

摘要：隨著我國(guó)石油工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)石油鋼管的需求，在數(shù)量上越來(lái)越多，質(zhì)量上要求越來(lái)越高，數(shù)控管螺紋機(jī)床是冶金、石油鉆探工業(yè)、化工等行業(yè)極為重要的管螺紋加工設(shè)備，對(duì)上述行業(yè)的發(fā)展有著直接的影響。

關(guān)鍵詞：管螺紋加工機(jī)床：主軸箱

1.機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

數(shù)控管螺紋加工機(jī)床的主傳動(dòng)采用交流調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)由皮帶輪傳給主軸變速箱，通過(guò)一對(duì)雙聯(lián)滑移齒輪變檔。主軸箱內(nèi)有兩級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，主軸在Ⅰ擋 200 ～400r/min 及Ⅱ擋 400～ 800 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速。主軸兩檔機(jī)械變速由變檔油缸推動(dòng)滑移齒輪實(shí)現(xiàn)。變檔時(shí)主電機(jī)低速搖擺，當(dāng)齒輪嚙合后，壓下行程開(kāi)關(guān)，命令電機(jī)停止搖擺并起動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。應(yīng)具有無(wú)級(jí)調(diào)速和恒速切削性能，主軸起動(dòng)、停止迅速。為便于調(diào)整，主軸應(yīng)備有空擋。在該檔位，可人工扳動(dòng)平旋盤，自由調(diào)整其位置。主軸剎車由主電機(jī)自行剎車來(lái)實(shí)現(xiàn)。螺紋切削是通過(guò)與主軸 1：1 傳動(dòng)的主軸編碼器發(fā)出同步脈沖訊號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。裝配調(diào)整簡(jiǎn)單，動(dòng)剛度高，精度可靠。

主軸箱內(nèi)齒輪的和軸承的潤(rùn)滑，采用齒輪泵潤(rùn)滑。在主軸箱內(nèi)Ⅰ軸的右端的鏈輪，通過(guò)鏈條帶動(dòng)齒輪泵旋轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑油由齒輪泵送至主軸箱頂部的分油器，再分別分到各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)。油池利用主軸箱內(nèi)底面儲(chǔ)油。

機(jī)床主要部件有床身（Z軸）、主軸箱、數(shù)控平旋盤（X軸）、擋料緩沖裝置、液壓動(dòng)力夾具、自動(dòng)上下料裝置、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)運(yùn)屑器等。

2.主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，管螺紋車床主軸箱大多采用單主軸的結(jié)構(gòu)模式，這種結(jié)構(gòu)使得切削刀具的可切削方位受到很大限制。即使使用了可轉(zhuǎn)位的切削頭，也不具有多刀具同時(shí)切削的功能，有些先進(jìn)的方案其結(jié)構(gòu)普遍是將主軸做成中空機(jī)結(jié)構(gòu)。同樣不能解決可切削方位受限的問(wèn)題。

考慮到以上主軸結(jié)構(gòu)的局限性，為擴(kuò)展管螺紋車床的功能，完成大口徑管件的加工要求，設(shè)計(jì)了三聯(lián)齒輪嵌套主軸結(jié)構(gòu)。如圖2-1為基于SOLIDWORKS的一個(gè)三維模型構(gòu)想。

2.1三聯(lián)齒輪嵌套結(jié)構(gòu)

該同軸三聯(lián)齒輪嵌套的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，其主要由三聯(lián)齒輪3、4、5嵌套主軸1而成。

其中，主軸1的結(jié)構(gòu)形式與普通的管螺紋車床主軸結(jié)構(gòu)相類似。由變頻電機(jī)通過(guò)V帶輪驅(qū)動(dòng)換檔齒輪13，換擋齒輪13嚙合主傳動(dòng)大齒輪12，從而使主軸1按照一定的速度旋轉(zhuǎn)。這是機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給輸入齒輪3，齒輪3通過(guò)三聯(lián)齒輪4，5、6將動(dòng)力傳遞到進(jìn)給輸出軸7從而帶動(dòng)刀具作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)實(shí)為機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

如圖2-3所示，由于采用變頻電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主軸1還有c軸功能，即主軸周向任意位置可控，實(shí)現(xiàn)了主軸分度和準(zhǔn)停換刀的功能。

2.2多刀具獨(dú)立進(jìn)給機(jī)構(gòu)

該設(shè)計(jì)機(jī)床花盤上轉(zhuǎn)載有6把刀具，每一個(gè)刀具都和花盤輸出軸10相連接?？偣灿?個(gè)連接刀具的花盤輸出軸10，其中每?jī)蓚€(gè)都和同一個(gè)三聯(lián)齒輪嚙合。這樣，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每?jī)蓚€(gè)花盤刀具軸10可以實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。若需要兩組刀具軸作相關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)（如：需一組刀具停止進(jìn)給，另兩組刀具徑向進(jìn)給），通過(guò)分別控制兩個(gè)進(jìn)給主軸的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)。

特別地，由于進(jìn)給軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了刀具軸分度和準(zhǔn)停換刀的功能。當(dāng)進(jìn)給齒輪自轉(zhuǎn)速度和大齒輪8的公轉(zhuǎn)速度在圓周向相同時(shí)，花盤刀具軸10即被鎖死。以防止進(jìn)給軸10在切削反力的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，破壞加工精度。

3.結(jié)束語(yǔ)

（1）采用同軸三聯(lián)齒輪嵌套機(jī)構(gòu)配合伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用切削單元可以大大擴(kuò)展管螺紋車床的加工能力。

（2）專用切削單元?dú)んw還分擔(dān)了切削反力所產(chǎn)生的部分扭矩，提高了機(jī)床的整體剛性，也間接保證了工件的加工精度。

（3）三套進(jìn)給機(jī)構(gòu)的采用，使得管螺紋車床在切削過(guò)程中，有效地利用了刀具功能，有效地保證了所需要的運(yùn)動(dòng)并簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)。