萬能管件快速自動倒內外角及平端面機床設計應用

■寧波海天塑機集團有限公司 （浙江 315800） 潘曉敏 張洪斌 黃發明

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1.加工問題現狀

車間要求機床適用于φ18mm到φ80mm管徑范圍任意規格，首先確定由部門自主研發設計一款適用φ18mm到φ80mm管徑規格通用性自動化倒內、外角及平端面的專用機床。由于需要滿足并優化車間的要求，而且該項目史無前例、無據可查，設計過程面臨很大的困難和挑戰。決定從以下10大問題點進行突破。

（1）要適應φ18mm到φ80mm管徑范圍任意規格。規格相當雜，而且隨著注塑機不斷更新換代，油管管徑規格也會隨之變動，所以對專機設計要求不能定死幾檔規格，必須能接受在所需范圍內對任意規格的加工。

（2）管件裝夾自定心和自動化。

（3）要適應不同長度的管件，保證切削余量一致。

（4）顛覆傳統刀具結構固有概念。刀具既要實現管件倒內角、倒外角與平端面一次切削成型，又要適應φ18mm到φ80mm管徑范圍任意規格，且任一規格管徑對應的刀盤和成型刀片都要統一不變，便于制造與采購。

（5）為了保證刀具在機床上快速更換，需最高效實現裝卸。

（6）既要刀具旋轉和直線進給按步驟相應實現又要使整體結構緊湊且互不干涉。

（7）裝夾、刀具旋轉和刀具進給動力源的提供。

（8）如何保證切削進給時平穩而有效。

（9）直線進給時需要分為先行快速行程和后行慢速行程以及后退快速行程。

（10）機床采用臥式床身，要使排屑暢通，保證床身不積屑、安全生產以及便于清理。

2.新設計機床的工作原理

針對前面提到的10大難點，制定了如圖1所示的方案。為了防止工件旋轉導致的管件端部周期性擺動，在總體方案中，采用工件用雙V形塊相對固定、刀具旋轉進給的結構；采取工件固定方式，同時也是為了長短不一的管件有個統一的限位，結構設計為刀具做直線進給動作，并且將刀具旋轉與直線運動集于一體，運動穩定性好，同時結構合理，不浪費床身面積。大致分為自動抱合夾緊機構、自動限位機構、旋轉主軸的刀架推進機構、刀具刀架結構、幾大動力機構以及其他輔助部件組成。每一步的動作程序、時間延時及信號反饋等依托PLC控制完成。最大程度減少人為操作帶來的種種問題。

3.新設計機床的結構特點

（1）針對第1問題點，首先要突破V形塊組夾持范圍的局限性。普通V形塊組合相對夾持管件時，如果V形的開口處與另一V形開口處即將相并，此時該V形塊組處于最小夾持極限，我們要做的就是如何突破最小夾持極限。

如圖2所示，第1V形塊與第2V形塊左右相配，分別設計了嵌入體（凸口，11和21分別為各自V形塊的第1嵌入體）和槽口（凹口，12和22分別為各自V形塊的第1槽口），對應的嵌入體和槽口相匹配并相互進入穿過，即實現對應的V形開口處互相通過，將最小夾持范圍極限突破并進一大步縮小，通過計算機放樣排布，選用角度為90°，V形開口尺寸為80mm，能保證所需管徑范圍都可以有效夾持，如此就解決了大范圍管徑通用的難題。

（2）針對第2問題點，需要管徑中心線與刀盤中心線重合，才能保證倒角的質量，前提需要管件夾持自定心，必須實現這組V形塊相對同步運行。通過自主研究開發和取長補短，并仿生模擬很多形式的結構，在布局位置、合理性以及動力源有機結合度方面比較和整合后，最終設計1種新型的雙連桿傳動機構，設計初始首先確定動力輸出源只可一處，避免多輸出源產生傳輸速率誤差不可控造成的同步誤差。

夾持結構為左右滑動式，通過氣缸推動產生夾持動力，分別由導向桿、固定板、滑塊、第1V形塊、第2V形塊、曲柄、深溝球軸承、固定架、連桿、連桿座和氣缸組成。

根據圖3所示，滑塊在導向桿上運動，滑塊相背的一側均設置有推動槽，兩個推動槽分別伸入有曲柄的一端，曲柄中部均與固定架轉動連接，曲柄另一端與連桿的一端轉動連接，連桿另一端與連桿座轉動連接，連桿座中部與氣缸的活塞桿頭部固定連接，氣缸的活塞桿運動方向與導向桿垂直且活塞桿運動方向所在的直線經過第1V形塊和第2V形塊嵌合的對稱中心。采用這種結構通過氣缸活塞桿的移動拉動滑塊移動，以此來控制第1V形塊和第2V形塊的卡緊和分離，使得無論管件的管徑如何變化，管件被夾持中心線始終位于同一位置，方便管件夾緊之后的加工。另外，曲柄上與推動槽配合處設置有深溝球軸承，用于減少曲柄與推動槽處配合的磨損。

圖1

至此，實現了V形塊組同步運行，夾緊定位機構實現了管件與動力頭上的刀盤中心的同軸度要求，從而保證倒角的均勻性。通過電氣控制實現氣缸運動和保壓，實現裝夾自動化且夾持力得到保證。

（3）針對第3問題點，在設計總方案時，設計確認刀具行程可調整，試樣之后批量生產時將進行限位以保證工件質量的一致，但是不管何時，任一工件待加工處位置必須固定不變。另外，設計的限位裝置需要在機床工作前起效；工件夾緊后，要在機床工作時失效，為刀具行程讓路，使刀具與夾持限位不干涉。自動夾緊機構安裝在切削裝置前端，在該機構固定板朝刀具一側（結合圖3和圖1夾持與刀具之間），固定一組小氣缸作為動力源，小氣缸將推動滑塊限位進行運動，滑塊擋于V形塊前方，在管件夾持之前，滑塊作為靠山限位，將管件端面貼到滑塊面，待V形塊夾持住管件后，再次起動小氣缸推動滑塊退出V形塊前方區域，為刀具行程騰出空間，一個循環完成管件加工面限位的工作。另外，小氣缸安裝時，活塞桿退出V形塊方向，以保證處于有效限位狀態下，活塞桿大部分是進入到氣缸腔體內的，目的是使滑塊處于工作狀態時活塞桿穩穩的被氣缸前蓋所導向，大大加長氣缸的使用壽命。

圖2 新型大范圍夾持V形塊組

（4）針對第4問題點，目前1副刀具只能實現單功能，如果不改變現狀，1次加工將需要更換3次刀具，在實際操作中不現實。

設計新型刀具的總思路是以刀盤中軸線為中心，120°方向3個角度各均布倒內角刀、倒外角刀及平端面刀，且每把刀都能沿120°方向做直線移動并能固定。

新型刀具總成如圖4所示，倒內角刀、倒外角刀以及平端面刀分別固定到倒內角移動刀座、倒外角移動刀座和平端面移動刀座的刀座螺孔上，每組移動刀座各設3到4個刀座螺孔，由此增大了刀具的調整范圍，并且刀座上分別設計斜面臺階，為各自相對應的刀具提供定位和切削角度。各移動刀座分別嵌入新型刀盤角度均分的軌道槽內，由刀座調節螺釘通過刀盤通孔連接刀座螺孔（見圖5）帶動各個刀座沿軌道槽導向進行調節，最后利用螺釘通過螺孔將移動刀座固定，以實現一副刀具應對不同直徑規格的管件對刀功能，而且所有切削功能包含在1副刀具內，通過新型刀具的設計，大大提升了管件加工的切削效率，降低了刀具生產成本，解決了傳統刀具的弊端。

（5）針對第5問題點，刀具快速裝卸設計原理如圖6所示，在主軸端部內心固定磁性限位塊，并且在磁性限位塊前端設置有圓柱銷，在刀盤背面設計有與圓柱銷相配合的凹槽，圓柱銷起到撥叉的作用，主軸旋轉依靠圓柱銷帶動刀盤凹槽旋轉做切削運動。由于刀具直線進給切削時，刀盤受力方向是往磁性限位塊的，也就是說反方向有些許磁吸力足以保證刀盤不脫落即可，如此也便于刀盤的拆卸。采用這種結構使刀盤與主軸能夠方便的進行拆裝，使刀盤調節更加方便。

圖3

（6）針對第6問題點，從刀具運動軌跡來說，旋轉運動軌跡作為圓周切削，直線運動軌跡作為進給切削，加工管件時刀具運動軌跡二者缺一不可。

如圖7所示，主軸的旋轉力來源與皮帶輪，固定主軸以及軸承的腔體如果要做直線運動，按照傳統設計會在下方加裝滑軌，缺點較明顯，結構過于松散，空間占用較大，切削受力軸線與直線進給軸線不在同一水平面上，會導致切削圓周受力不均等問題出現。于是我們在主軸的軸承與腔體之間新增設計主軸套，與腔體過渡配合，在主軸套的尾部設計1副軸承支撐的內花鍵聯接滾筒套，其內花鍵與主軸尾部的外花鍵相配合，花鍵作用就是既能保證旋轉力的傳輸，又使主軸直線運動順滑不受阻力。直線運動需要依托動力推動，主軸套連接著撥板，考慮到撥板推動軸線與主軸中心線未能在同一中心線，推動時會導致受力傾斜，所以在殼體上方設置1根導柱，并在撥板與導柱接觸部分加設耐磨銅套與導柱過渡配合，通過動力源施加到撥板時，主軸套帶著主軸與主軸端部的刀具平穩的做直線運動，實現了刀具直線進給在機械傳動上的平穩傳動。

圖4

（7）針對第7問題點，有運動就需要動力，應對不同功能的實現，需要根據實際情況設計制定不同的動力源。推動V形塊組的曲臂連桿機構在V形塊夾緊管件時需要一定時間受力，也就說動力源需要保壓。另外考慮到倒角平端面切削力并不大，最終選用氣壓動力源，既經濟又環保，能夠長時間保壓受力，通過壓力設定，氣壓動力源重復穩定。刀具旋轉是做圓周運動，通過切削力分析和選型，確定選擇三相異步電動機Y100L1-4作為刀具旋轉動力源。刀具進給動力源，選用條件也同夾持動力源一樣，由于切削力不大，從適用性以及經濟性角度出發，也同樣選用氣壓動力，依靠氣缸活塞桿連接并推拉撥板實現刀具直線進給運動。

圖5

（8）針對第8個問題點，對于這款機床的直線進給來說，空氣動力會帶來一種缺陷，空氣在氣缸腔體內受壓會產生一定的壓縮比，所以切削時會導致不穩定，對管件的加工質量以及機床使用和刀具壽命都會產生影響。用油壓就沒有這樣的缺陷，但是油壓存在經濟成本高、不環保、液壓站需要占據更多的空間以及增加1套液壓系統等諸多不利。基于此，氣壓和油壓二者我們分別取此長補彼短，在總體結構上還是采用氣壓方式，在機床右下角放置1套滿油的儲油缸與推進氣缸相連接，氣源第1步先通過儲油缸，將儲油缸內的液壓油推到推進氣缸內，相當于說推進氣缸無桿腔內的介質不再是空氣而是液壓油，該方法俗稱氣推油，這樣一來無需購買液壓站，即可實現進給動力的穩定可靠。

考慮到機械傳動的穩定性，如果單設計主軸做旋轉運動加上主軸套做直線運動，若主軸套的徑向沒有導向支撐的話，對于直線運動，特別是在切削過程中，主軸套徑向擺動會對整體造成從點到面的不穩定影響，所以設計直線導向，而且在導向設計中，雙導向是較為穩定的一種選擇，故在主軸套對應的殼體兩邊上分別設計了導向組合，由殼體上的導向孔、導向桿和過渡連接板組成，導向組合在直線進給時抵消了主軸套的徑向擺動，使得刀具整個切削過程穩定可靠，保證加工的管件質量合格。考慮到刀具切削時主軸套是伸出于殼體內腔的，所以在過渡連接板上方加裝擋屑板，即使主軸套伸出殼體，也能保證鐵屑進入不到殼體內腔，保護結構不受損壞。

圖6

圖7

（9）針對第9個問題點，機床操作的安全是重中之重，工件1.凹槽 2.刀盤 3.圓柱銷 4.磁性限位塊 5.主軸

1.腳踏開關 2.傾斜落料通道 3.方形落料孔 4.夾緊機構 5.主軸套6.主軸 7.導柱 8.銅套 9.撥板 10.皮帶輪 11.滾筒套裝夾和刀具裝夾時，工件和刀具都需要保持一段安全距離，但在機床工作時，這段安全距離顯得比較尷尬，為了機床工作不在這段距離上浪費過多時間，所以制定了直線進給起動后需要分為先行快速行程（快進到位）和在即將接觸工件時改用后行慢速行程（工進切削），最后后退快速行程（快退歸位）的設計計劃。

為了實現上述的設計計劃，必須在動力輸入的速率上做變化差，而且將在一個特定的位置產生，在上述條件框定下，來分析制定方案。因機床直線進給所用的動力源是氣推油，所以首先確定選用FKC-G03*A機械式流量控制閥（見圖8）來實現。將該控制閥安裝于直線進給導向桿下方，并在導向桿上安裝可調節的限位撥塊，根據刀具實際位置調節固定撥塊，撥塊撥動圓柱三角槽前刀具走的是快速推進行程，一旦觸到三角槽將進入慢速切削模式，由于切削余量小，所以圓柱三角槽轉動90°的行程足夠大于切削余量，然后達到90°后開始快速回退到刀具起始零點，一個節拍循環完成一個切削動作。

（10）針對第10個問題點，在刀盤與夾緊機構之間下方的床身上設置方形落料孔，在落料孔下方固定有傾斜落料通道，落料通道出口位于床身側壁，操作人員可在落料通道出口處放置碎屑收集箱，方便碎屑收集和清除。

另外在刀盤上方設有可跟隨刀盤直線進給的擋屑板，起到防止細小鐵屑進入主軸套與殼體配合之間間隙的作用，保證刀具直線的穩定進給。

圖8

4.自控系統

至此，10個問題點在萬能管件快速自動倒內、外角及平端面機床得到解決并優化突破。為了方便整機的控制，床身旁邊還設置有腳踏開關，踩下腳踏開關后，以PLC為中心的控制系統開始傳輸信號，第1步信號傳遞到氣缸，起動氣缸完成機床第1步動作V形塊組夾緊管件，當夾持力達到一定系數時，感應氣壓的傳感器將檢測到的信號反饋至PLC控制系統傳輸第2步信號至小氣缸，小氣缸無桿腔受壓工作將推動滑塊限位離開管件待加工區域，待滑塊限位完全離開時，處于小氣缸內的位置感應器將信號反饋至PLC控制系統傳輸第3步信號至三相異步電動機Y100L1-4，起動電動機的同時PLC控制系統傳輸第4步信號至氣推油進氣受壓，推動撥板連接的主軸套上的刀盤，使刀具既做旋轉又做直線快速推進，當限位撥塊行進至FKC-G03*A機械式流量控制閥的圓柱三角槽，刀具開始做慢速進給切削，到位后圓柱三角槽角度歸位，刀具快速返回起始點，殼體上的位置感應器感應到撥塊回位將信號反饋至PLC控制系統傳輸第5步信號至氣缸換向閥，V形塊組松開管件解除夾持，感應氣壓的力矩繼電器再次反饋信號至PLC控制系統傳輸最后一步信號至小氣缸，滑塊限位行至待加工區域，等待下一個管件來將其做靠山定位。以此為1個工作節拍，使得整個倒角及平端面工序實現了真正的自動化。整個機床的控制部分都是通過PLC編程實現，只要按下啟動按鈕，即可實現機床單循環運作狀態，完成后機器自動停止運行。

5.結語

該機床采用PLC控制，人工一次上料，可實現任一管徑在范圍尺寸內自動完成倒內、外角及平端面工作，整個過程無需人工干預。從實際工藝試驗得到的各項數據表明，由于系統性能穩定以及自動化程度高，所以操作簡便，產品質量可靠，提高了生產效率，降低了操作人員的勞動強度，自動排屑改善了作業環境。

至此，結束了海天塑機利用手持式磨頭對油管每端進行人工倒角工作的歷史，填補了油管倒角平端面通用自動化加工的空白，從根本上提高油管裝配質量并解放了生產力，并且該項目已經申報國家專利4項，其中發明專利2項、實用新型專利2項。