錐形帶孔零件外形精加工的完全自動化

摘 要：在機加工過程中自動化加工成為提高加工效率和降低勞動強度一種有效的手段，工件機械加工自動化時，可分為半自動，全自動和完全自動。各種自動化系統必須根據具體的零件進行設計，文章主要介紹錐形零件外形精加工的完全自動化工作原理，結構組成以及在實際加工中的運用。

關鍵詞：自動化；半自動；全自動；完全自動；機械手；分選裝置

中圖分類號：TH161.11 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）6-0086-04

工件機加工自動化時，可分為半自動、全自動、完全自動三種形態。半自動化加工是工件的裝卸利用手作業，只是加工過程自動化。全自動化又稱滑槽形式或倉匣形式的自動化，只以手工將工件裝填于滑槽或倉匣，裝卸、加工全部自動化的機構。完全自動化是用有工件整列能力的進料器、漏斗等對滑槽或倉匣供給工件，而且可一次對進料器或漏斗供給大量工件。

現國內的自動化加工，大部分屬于半自動化或全自動化形式，但是隨著各類數控機床的廣泛應用，實現工件加工完全自動化已成為工件加工的趨勢。完全自動化不僅可以提高生產效率，而且能夠保證加工的工件質量，降低操作者的勞動強度。

本文介紹錐形零件外形精加工的完全自動化主要包括：PLC控制系統，液壓驅動系統和自動化執行部件系統。

PLC控制部件：該部件能讓各個部件實現預定動作的控制系統（PLC），在設計充分考慮各動作之間的時間先后順序、邏輯關系、合作協調關系等；

自動送料、自動退料部分：送料采用液壓油缸送料，自動退料采用彈簧退料；

拉緊部分：使用液壓油缸作為拉緊動力。

液壓控制部件：在車內錐自動車床中，項目組經過反復試驗、研究決定采用液壓系統作為驅動力。液壓系統具有控制簡便，驅動可靠，噪音小，動作迅速等有特點；

1 工藝分析

1.1 受力情況的分析

考慮到效率，我們擬采用漲芯式夾緊錐形帶孔零件，因為錐形帶孔零件底孔較小，車槽時切削力較大，漲芯式夾緊就存在芯軸剛性不夠的問題，所以必須盡量的減小切削力和車床的振動，以保證錐形帶孔零件的尺寸精度。

下面就受力情況對加工的參數進行分析：

切削力Fc，與切削速度方向一致，是計算刀具強度、機床功率的主要依據。

進給力Ff，與刀具運動方向一致。

由于切槽力比車內錐的切削力大的多，所以在進行設計計算時，主要考慮的是切槽力，車內錐的切削力忽略不計。

影響切削力的因素主要有以下幾個方面：工件材料、 進給量f、背吃刀量ap、前角Yo、主偏角和刀尖圓弧半徑、刀具材料、切削液。

根據以上影響因素，錐形帶孔零件材料為20 CrMnTi的擠壓料或棒料，因為該材料比較粘刀，車床必須使用較高的轉速，在保證進給量f的情況下，增大前角Yo和主偏角Kr，減小刀尖圓弧半徑Rε的情況下，可以減小切削力和振動，使切削更輕快。

為了保證錐形帶孔零件外錐尺寸精度，初步選用硬度較高、耐磨的涂層刀片。

1.2 加工參數的確定

要保證生產效率，進給量f應達到目前錐形帶孔零件粗車外錐時的進給量（700 mm/min），要保證粗糙度，必須選擇合適的進給量，0.05～0.15 mm/r為f的臨界值，盡量接近這個范圍，則粗糙度越小，所以要使用700 m/min的進給量，主軸轉速在4 667～14 000 r/min之間較好。

20 CrMnTi為塑性材料，為避開積屑瘤和鱗刺生成的切削速度范圍，對于涂層刀具來說，應采用較高的切削速度（Vc>1.6 m/s）。

為達到較高的切削速度，在保證系統穩定的條件下，我們使用了車床的最高轉速1 600 r/min，在該速度下，錐形帶孔零件錐面的切削速度范圍為1.5 m/s

所以，在理論上說，主軸轉速為4 667～14 000 r/min的情況下，使用較小的刀尖圓弧半徑（小切削量可提高刀片壽命，減小背向力，滿足漲芯式夾具芯軸剛性不足的要求，保證加工的精度），以車代磨是可以達到目前粗車外錐的進給速度的（粗車外錐進給量為700 mm/min），并可保證錐形帶孔零件的粗糙度和尺寸精度。

因為刀具壽命的限制，為保證最佳的經濟性，我們的加工參數為電主軸3 000 r/min，選用1.2刀尖圓弧半徑，進給量為500 mm/min（即0.167 mm/r，基本符合0.05～0.15 mm/r區間，按進給量計算也可選擇3 333 r/min的主軸轉速），實際和理論基本一致。

1.3 設計方案

自動加工涉及方案如圖1所示。運動方式是：送料部件啟動，送料部件的穿心桿穿過料倉錐形帶孔零件內孔，將料倉內錐形帶孔零件推出送入機床主軸上的脹套，在送入的過程中，錐形帶孔零件大頭端面壓住自動退料裝置，自動退料裝置（彈簧裝置）隨著錐形帶孔零件一起前進直至錐形帶孔零件大端面與脹套端面貼合為止。在運動過程中當送料部件的穿心桿頂住脹套內拉桿端面時，穿心桿被壓縮回收。錐形帶孔零件送到位后，送料部件回程，開始進行機加工。

在車外錐時，通過機床本身的拖板運動帶動分離器撥動板運動，撥動分離器內的錐形帶孔零件，讓錐形帶孔零件落入料倉，為下一次送料做準備。

車削完成后，拉緊裝置松開，退料裝置在彈簧力的作用下將工作錐形帶孔零件彈出，錐形帶孔零件落入車床下面的接料盤。

2 進料器

2.1 進料器結構

進料器的工件外形如圖2所示，組成部分如圖3所示：標識1為料倉，作為待整形零件的存放處，標識2為待整形的工件，標識3為整形導向軸，標識4為整形橡膠片，標識5為整形棘輪。整個機構與水平面成a度。

2.2進料器工作原理

錐形工件通過進料器的整形作用，調整為錐面小頭朝下方向，為實現工件的自動送料做準備。

整形棘輪在電機的驅動下帶動整形橡膠片攪動料倉內的工件，使錐形工件方向發生改變，當在兩根整形導向軸上的工件被攪動至小頭向下時，工件落入整形導向軸，方向不對的工件不能進入整形導向軸。同時整形導向軸的轉動增加與落入的工件的摩擦力，使落入的工件沿整形導向軸向下運動，進入滑槽。

3 車外錐主要技術特征

3.1 切削力和切削功率的計算

3.2 拉緊結構

3.2.1 拉緊力計算

拉緊油缸拉緊后的拉緊力F0，在脹套的錐面上產生一個垂直于脹套錐面的壓力F1，F1的反作用力F1'在切削方向的分力F'應該大于或等于切削力Fc。

因為錐形帶孔零件質量較小，可不考慮自身重力的影響，脹套為小頭脹緊（四片式），可不考慮背向力Fp的影響。錐形帶孔零件受力最大位置為切槽處，則根據力矩平衡得：

3.2.2 拉緊結構

當拉緊活塞工作時，脹套中的拉桿受拉力作用，脹開脹套，拉緊錐形帶孔零件。根據計算出的拉緊力可以確定拉緊油缸的受力面積和選取拉緊軸承。

綜合考慮受力情況和具體的安裝結構，初步確定拉緊軸承選用推力球軸承，結構示意圖如圖5所示：

已知：油壓P=1.5 MPa，活塞桿直徑r=20 mm，拉緊力F0=3 186 N，活塞直徑為R。

根據F0'選取推力球軸承51 203，其基本額定載荷為Ca=17 KN， Coa=27.2 KN

4 PLC控制系統

PLC是由摸仿原繼電器控制原理發展起來的，20世紀70年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環運算。PLC每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1 K邏輯程序不到1 ms。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。

錐形零件外形精加工的完全自動化PLC控制流程圖如圖6所示。

5 液壓驅動系統

使用液壓力具有控制簡便，驅動可靠，噪音小，動作迅速等有特點。

液壓部件連接結構圖如圖7所示。

5.1 液壓泵的選擇

根據《機械設計手冊（5）》和系統的工況，選擇外嚙合齒輪泵。

工作時最大載荷F0'=7 653 N，根據手冊可以確定液壓系統工作壓力為1.5～2 MPa。

根據送料、切槽和拉緊油缸的參數以及項目要求的加工效率，在切槽時系統的流量最大QMAX=0.26 L/s（18.72 L/min）。根據手冊可知：

泵的流量Q≥K×QMAX（K為泄漏系數，一般取1.2）

則：Q≥18.75 L

故選擇CB-B20外嚙合齒輪泵，該泵參數見表1：

5.2 液壓控制閥的選擇

系統中的控制閥主要包括溢流閥、電磁換向閥和調速閥。工作中液壓執行活塞的換向選擇二位四通電磁閥換向，在切槽油路上增加了一個調速閥，以便準確調整切槽的進給速度和切槽切削量。

6 發展方向

實現了機械自動裝料、自動夾緊、自動車削、自動卸料和料屑分離等功能，自動化程度高，技術含量高，一人可以控制2～3臺車床，可以說是向少人或無人化生產邁進了一大步，并且很大縮短了產品的生產周期，更有利于提高企業形象，加強企業競爭力，鞏固企業地位。

參考文獻：

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