【文章內(nèi)容簡介】 否合理是關(guān)鍵，如何設(shè)計傳動機構(gòu)使得銑刀的兩個運動能同時進行，又能加工不同規(guī)格的鋼管，直接決定了倒棱機的加工范圍、加工精度及加工效率。 新型銑頭倒棱機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 新型倒棱機的加工參數(shù)對于大口徑、大壁厚鋼管加工的要求主要集中在以下幾個方面：鋼管直徑Φ426mmΦ800mm，精度177。5mm；鋼管壁厚5mm80mm，精度177。2mm；加工焊接坡角30176。60176。；鋼管彎曲度：≤；鋼管圓度誤差：≤%。材質(zhì)：低合金剛?cè)鏠235，合金鋼如38CrMoAlA，碳鋼如45鋼等。（1）石油天然氣管線管①技術(shù)標準:API 5L ISO 3183，GB/T 9711 ②鋼級A，B，X42，X46，X52，X56，X60，X65，X70，X80。（2）結(jié)構(gòu)用圓管技術(shù)標準：GB/T13793，JIS G 3444，JIS G 3445，ASTM A 513，EN 10219原材料：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼。GB/T 1591：Q235～Q460。所有規(guī)格屈服強度：最低：235MPa，最高：565MPa。 質(zhì)量要求：經(jīng)過鋼管銑頭倒棱機加工過的鋼管，無毛刺，平頭的端面、倒棱的端面光潔平整，鋼管表面光亮，不能損壞鋼管本體，各種標準[10]見下表。表 21 行業(yè)標準項目允許偏差鈍邊177。2mm角度177。間隙177。2mm粗糙度≤符合《特種設(shè)備安全管理制度》，設(shè)備應(yīng)配備防火等器材，杜絕生產(chǎn)中的安全隱患。 新型銑頭倒棱機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計新型銑頭倒棱機主要是由機械部分和控制部分組成。本章主要介紹倒棱機的機械部分，機械部分主要包括底座、移動底板、龍門架、大盤、夾緊裝置、仿型機構(gòu)和動力頭機構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)簡圖如22所示。固定底座10和龍門架11是倒棱機最基本的支撐件，倒棱機所有的機構(gòu)全部安裝在底座上，保證所有機構(gòu)在加工過程中相對位置的精確性，動力頭固定在移動底板9上，是整個倒棱機的動力系統(tǒng)，刀盤的銑削速度、徑向運動、大盤轉(zhuǎn)速等都是由其控制。動力頭由大盤自轉(zhuǎn)系統(tǒng)、刀盤主軸自轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)、刀盤徑向進給系統(tǒng)、保護支撐箱體等構(gòu)成，整個機械機構(gòu)部分主要完成以下幾個功能：（1） 大盤自轉(zhuǎn)：大盤自轉(zhuǎn)運動主要是由大盤自轉(zhuǎn)機構(gòu)2和大盤14共同完成。（2） 刀盤自轉(zhuǎn)：刀盤包括倒棱刀盤機構(gòu)5和端面刀盤機構(gòu)8，刀盤自轉(zhuǎn)運動主要由刀盤自轉(zhuǎn)齒輪機構(gòu)3和擺臂機構(gòu)13共同完成。（3） 刀盤徑向進給運動：刀盤徑向進給運動主要由刀盤徑向進給齒輪機構(gòu)徑向滾珠絲杠12及仿型臂機構(gòu)6共同完成。（4） 動力頭進給運動：主要由動力頭進給機構(gòu)1完成沿鋼管軸向的進給運動。大盤自轉(zhuǎn)和刀盤自轉(zhuǎn)組成刀盤繞鋼管的公轉(zhuǎn)運動，刀盤徑向進給運動和仿型臂機構(gòu)6組成刀盤繞鋼管的仿型運動。圖22 鋼管銑頭倒棱機總體結(jié)構(gòu)圖1. 動力頭進給機構(gòu) 大盤自轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計圖23 大盤自轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡圖 7龍門架 9移動底板固定底座1下表面固定在地面上，上表面安有兩根凹形滑塊導(dǎo)軌，移動底板9下表面安裝滑塊并和凹形導(dǎo)軌形成滑動配合，移動底板上安裝有龍門架7和大盤支撐裝置2，大盤8的一端通過一對球軸承安裝在支撐裝置2中，另一端安裝在龍門架7中，龍門架7中安裝輥輪，大盤8的外周與輥輪形成滾動配合，變頻電機5固定在保護箱體6上，變頻電機5通過鏈條4和固定在大盤8上的鏈齒輪3形成鏈傳動。大盤8的自轉(zhuǎn)運動直接通過調(diào)節(jié)變頻電機5的速度來實現(xiàn)。 刀盤自轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計新型鋼管銑頭倒棱機刀盤主軸動力分為端面銑刀主軸動力系統(tǒng)與倒棱銑刀主軸動力系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)完全一樣，主要是通過齒輪配合來實現(xiàn)，如圖24所示。圖24 刀盤自轉(zhuǎn)機構(gòu)圖 圖24中，為了描述清楚刀盤自轉(zhuǎn)傳遞過程，大盤自轉(zhuǎn)機構(gòu)以及進給傳遞機構(gòu)沒有畫出，進給傳遞機構(gòu)在下文進行介紹。套筒6通過一對圓柱球軸承12套在大盤上，套筒兩端分別和齒輪齒輪7通過鍵配合，保證齒輪齒輪7與套筒6運動的同步性。電機座1固定在移動底板12上，變頻電機2固定在電機座1上且通過聯(lián)軸器3和齒輪1配合，齒輪1和齒輪2嚙合，齒輪7和齒輪8嚙合，齒輪8和刀盤動力輸入軸9通過鍵配合，這樣動力經(jīng)過齒輪配合通過輸入軸9將動力傳遞到擺臂機構(gòu)10中。由圖24可知，擺臂機構(gòu)10關(guān)于大盤中心是成180176。對稱安裝的，輸入軸9的轉(zhuǎn)速和刀盤機構(gòu)所需的轉(zhuǎn)速經(jīng)過計算（見第三章），考慮到零件的尺寸和在大盤所占用的空間，采用二級減速機構(gòu)，一級減速n1=2，二級減速n2=。表 22 齒輪規(guī)格級別Z1Z2m/mma/mm第一級521043234第二級461203249 a 二級減速機構(gòu) b 擺臂機構(gòu)固定圖25刀盤動力及刀盤進給結(jié)構(gòu)簡圖 結(jié)合圖24，圖25a為擺臂機構(gòu)10的放大圖，動力從輸入軸9通過中間軸13傳遞到輸出軸14，兩根輸出軸14直接分別連接倒棱刀盤、端面刀盤。擺臂固定座16固定在大盤15上，由于輸入軸9相對大盤15圓心位置不變，因此擺臂機構(gòu)10可以繞輸入軸9所在的軸心轉(zhuǎn)動。通過合理的齒輪配合，刀盤的自轉(zhuǎn)運動也可以通過調(diào)節(jié)變頻電機實現(xiàn)。 刀盤機構(gòu)的設(shè)計，刀盤機構(gòu)包括倒棱刀盤和銑端面刀盤機構(gòu)，分別安裝在兩根成180176。分布的動力輸出軸上，由于倒棱需要銑刀與鋼管形成一定角度，所以倒棱銑頭部分要隨工作條件改變倒棱加工坡角，端面銑頭部分要有一個調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)刀與鋼管的距離以適應(yīng)不同加工要求，同時在加工鋼管時應(yīng)稍微落后倒棱刀盤，如圖26所示。圖26 改進后刀盤位置圖(1) 倒棱刀盤機構(gòu)：倒棱刀盤采用音叉式萬能銑頭，如圖27所示，其軸可在水平與垂直兩個面內(nèi)做回轉(zhuǎn)運動的銑頭裝置。機械萬能銑頭安裝在數(shù)控機床上可以完成任意角度斜面的銑削、鉆孔、攻絲等加工，大大擴張機床的加工能力。銑頭通過一個過渡連接墊與機床動力輸入軸連接（根據(jù)用戶機床接口尺寸定做），主軸箱體A軸和銑頭水平旋轉(zhuǎn)C兩軸通過端齒盤或蝸輪蝸桿手動分度定位，T型槽螺栓吊緊銑頭，銑頭手動松拉刀。 圖27 音叉式萬能銑頭音叉式萬能銑頭的工作參數(shù)：①上頭方式為人工手動端齒盤定位；②傳動比n=1：1，效率η=；③最大轉(zhuǎn)速1000rpm；最大輸出功率15kw；?m；④A軸旋轉(zhuǎn)角度：177。110176。；C軸旋轉(zhuǎn)角度：360176。(2) 銑端面刀盤機構(gòu)：銑端面刀盤機構(gòu)主軸、端面銑刀和調(diào)節(jié)裝置。根據(jù)鋼管的壁厚選擇端面銑刀3，將其裝在刀柄裝置2內(nèi)的主軸上，主軸通過聯(lián)軸器5和自轉(zhuǎn)動力輸出軸1聯(lián)接，外面安裝調(diào)節(jié)裝置4調(diào)節(jié)銑刀的伸長量，來配合倒棱銑刀角度的調(diào)整，結(jié)構(gòu)簡圖28所示。圖28 端面刀盤簡圖1. 刀盤動力輸出軸 刀盤徑向進給機構(gòu)的設(shè)計圖29 刀盤徑向進給機構(gòu) 結(jié)合圖24，保護箱體7和龍門架8固定在移動底板14上，套筒12通過一對球軸承安裝在大盤11上。電機座1固定移動底板14上，伺服電機2固定在電機座1上，通過聯(lián)軸器3與齒輪1配合，雙聯(lián)排齒輪6通過一對球軸承5安裝在套筒12上，齒輪1與雙聯(lián)排齒輪6的的左側(cè)齒輪嚙合，齒輪2與雙聯(lián)排齒輪6的右側(cè)齒輪嚙合，通過徑向動力輸入軸9將動力傳遞到徑向滾珠絲杠10中。結(jié)合圖24和29可知，二級減速機構(gòu)和錐齒輪進給調(diào)節(jié)機構(gòu)分別以大盤成180176。對稱安裝的，圖24中，動力經(jīng)輸入軸9傳遞到擺臂機構(gòu)10中，進而傳遞到輸出軸14（圖25a）上，一根輸出軸14上接倒棱刀盤機構(gòu)，另一根輸出軸14上接端面刀盤機構(gòu)；圖210中，擺臂聯(lián)接座7和彈簧滑塊4相連，彈簧滑塊4和進給機構(gòu)中絲杠螺母外套6的末端相連，通過錐齒輪機構(gòu)2可以控制絲杠機構(gòu)的運動，進而起到調(diào)節(jié)加工范圍的作用。圖210 新型倒棱機正視圖 7 .擺臂聯(lián)接座 通過圖210可以看出刀盤的動力輸入軸9相對大盤圓心的位置是固定的，擺臂機構(gòu)11的轉(zhuǎn)動中心和刀盤動力輸入軸9同軸心，因此擺臂機構(gòu)11可以繞輸入軸9的位置轉(zhuǎn)動，二級減速機構(gòu)箱體的結(jié)構(gòu)是：一端與彈簧滑塊4相連接，二級減速機構(gòu)的箱體的聯(lián)接座7通過可轉(zhuǎn)動的軸連接在彈簧滑塊上4上，彈簧滑塊4套在絲杠螺母外套6上，可以在運動過程中進行微調(diào)，通過調(diào)節(jié)圖29中控制進給伺服電機2來調(diào)節(jié)銑刀箱體轉(zhuǎn)動的角度，進而調(diào)節(jié)銑刀在徑向的進給通過控制張開角度的不同來適應(yīng)加工加工不同管徑的鋼管。 仿型機構(gòu)的設(shè)計及仿型原理鋼管在加工、運輸、儲存過程中會導(dǎo)致鋼管變形等問題，為保證加工質(zhì)量，倒棱加工過程中應(yīng)添加仿型機構(gòu)[7]，解決由于鋼管圓度誤差引起的加工問題，結(jié)構(gòu)簡圖如211所示。圖211 仿型機構(gòu) 仿形機構(gòu)主要由仿型臂連桿機構(gòu)調(diào)節(jié)裝置9和輥輪10組成，仿型臂4和擺臂機構(gòu)外壁3通過螺栓緊固7連接在一起，擺臂機構(gòu)聯(lián)接座2和徑向進給機構(gòu)上的螺母聯(lián)接塊1連接在一起，直線傳感器10可以將鋼管圓度誤差轉(zhuǎn)換為位移變化信號[50]傳遞到圖29中的伺服電機2中。圖212 直線傳感器軌跡圖（虛線）開始加工前，首先調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)裝置9使與連桿機構(gòu)8相連的直線傳感器10壓緊鋼管5外表面。開始加工時直線傳感器10首先在1位置，當直線傳感器10運動到2位置時，由于鋼管變形較大，直線傳感器10會采集到鋼管徑向的變化量，將變化量變?yōu)樾盘杺鬟f到圖29中的伺服電機2中，伺服電機2將接收到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣刃盘杺鞒?，通過齒輪機構(gòu)傳遞到徑向進給滾珠絲杠中，帶動整個擺臂機構(gòu)根據(jù)鋼管變形繞轉(zhuǎn)動中心12進行微調(diào)直至完成仿型加工。 機頭進給機構(gòu)的設(shè)計動力頭進給運動是倒棱機基本運動之一，其與主銑削運動相比，只能沿直線運動，速度比較小，但對速度控制要求精確，速度大體分為空載快進、銑削工進、延時加工、空載快退四個速度。實際工作中機床的進給傳動主要有機械傳動、液壓傳動和電氣傳動三種方式[14]：（1）機械傳動：結(jié)構(gòu)簡單，傳遞動力損耗少，易于維修和維護，但是自動化程度低。（2）液壓傳動：工作原理以液體為介質(zhì)，經(jīng)過控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動工作機構(gòu)實現(xiàn)直線往復(fù)運動。其優(yōu)點是工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計較簡單；體積較小，可以自潤滑、磨損小、使用壽命長；自動化程度較高。缺點是對油溫變化較敏感，影響工作穩(wěn)定性；液壓傳動中的泄漏和液體的熱脹冷縮無法保證嚴格的傳動比；零部件制造精度高，維護費用昂貴。（3）電氣傳動[13]：是指用電動機把電能轉(zhuǎn)換成機械能的傳動方式，由于電動機電能容易控制，電氣傳動不僅可以實現(xiàn)機床的自動化，還可以使機床的機械結(jié)構(gòu)簡單，已經(jīng)成為絕大部分機床所采用的傳動方式，最常見的電氣傳動方式就是“伺服電動機+滾珠絲杠”，伺服電動機可以將電壓、電流信號精確的轉(zhuǎn)換成馬達的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，滾珠絲杠又可以將伺服電動機的螺旋轉(zhuǎn)動精確轉(zhuǎn)換為直線運動，因此本文采用電氣傳動方式設(shè)計動力頭的進給運動。動力頭進給機構(gòu)采用伺服電動機、減速機、滾珠絲杠組。由于加工過程中進給速度較小，采用可調(diào)速的伺服電動機和減速機來控制進給速度；機頭進給的穩(wěn)定性是加工過程中刀具銑削穩(wěn)定性的前提，如果進給速度過快，可能導(dǎo)致機器震動或銑刀崩刃，影響加工精度，因此采用滾珠絲杠直接和減速機相連，減少配合間隙保證進給過程的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖213所示。圖213 機頭進給機構(gòu) 進給伺服電動機1通過減速機2和聯(lián)軸器3直接相連，滾珠絲杠5通過圓錐滾子軸承裝配在支座4中，支座4固定在固定底座上，滾珠絲杠的螺母6與移動底座7相連。伺服電動機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使?jié)L珠沿滾道滾動形成移動副，進而實現(xiàn)移動底座的往復(fù)運動。滾珠絲杠副可以加預(yù)緊力,由于預(yù)緊力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加預(yù)緊力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)；滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動爬行現(xiàn)象[14],能保證實現(xiàn)精確的微進給，提高了傳動效率和系統(tǒng)運動的剛度。 夾緊機構(gòu)的設(shè)計鋼管在批量生產(chǎn)時誤差是不可避免的，由于誤差會導(dǎo)致鋼管有一定的彎曲，導(dǎo)致鋼管在圓度和直線度中心可能與加工回轉(zhuǎn)中心不在同一直線上，導(dǎo)致鋼管夾緊固定的位置也會有一定的誤差，為保證加工質(zhì)量和加工面的垂直度，鋼管加工端必須采用固定加緊，如果鋼管過長，另一端和鋼管中間位置應(yīng)設(shè)計浮動夾緊，保證鋼管在加工過程中的穩(wěn)定性[15]。圖214 加緊示意圖夾具的夾緊定位是否準確、加緊力的大小是否合適直接決定鋼管加工的質(zhì)量，因此夾緊機構(gòu)應(yīng)滿足以下條件：①定位準確，保證加工位置不變；②夾緊機構(gòu)合理可靠，在加工過程中既要滿足工件不動條件，又要保證夾緊力不至于太大夾壞工件；③操作方便、簡單、自動化程度高[12]。常用的加緊裝置有液壓夾緊，電磁夾緊和氣動夾緊，其中液壓加緊裝置結(jié)構(gòu)簡單，夾緊力大，不足是夾緊速度比較慢，不易于快速裝夾定位；電磁加緊加緊速度最快，但工作原理比較復(fù)雜，設(shè)備制造安裝復(fù)雜，成本較高；本文固定加緊采用雙向氣動加緊，其傳遞效率高，夾緊力較大，夾緊速度快，穩(wěn)定性較高，用戶通過閱讀安裝說明和示意圖，15分鐘左右即可完成安裝全過程，既可為廣大用戶節(jié)約高昂的安裝費和制作成本，也為用戶提高了機床運營效率，安裝調(diào)試方便特別適合倒棱機等大型設(shè)備的應(yīng)用。 圖215 夾緊機構(gòu)主視圖和軸測圖 夾緊機構(gòu)外殼4固定在整個倒棱機的固定底座上，夾具中心軸線與圖22中大盤14的轉(zhuǎn)動中心的軸線重合，保證夾緊鋼管時鋼管的軸線與大盤轉(zhuǎn)動軸線重合，2個夾具固定座3如圖成180176。對稱固定在夾緊機構(gòu)外殼4上，固定座3上安裝徑向氣缸5和夾緊氣缸6。當鋼管到達指定加工位置時2個徑向氣缸5向中心靠攏，同時4個夾緊氣缸6沿導(dǎo)軌推動4個夾塊沿導(dǎo)軌1運動，加緊鋼管，如圖215所示。 其他輔助機構(gòu)的設(shè)計銑削過程中所消耗的功很大部分