氣瓶螺紋接口加工自適應規格系統設計*

杜柳青，余永維

(重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054)

0 引言

車用氣瓶采用大直徑鉻鉬鋼材料的無縫鋼管制造，廣泛用于交通、化工等領域氣態或液態氣體的儲存與運輸。氣瓶開口端需進行內螺紋加工以備后續容器密封，企業現有加工方式是，充分利用現有加工能力，采用改裝后的普通臥式車床與銑床進行平端面、車外圓、擴孔、鉸孔、錐螺紋加工等工序，加工速度慢(如車削氣瓶外圓頸時，由于切削速度、氣瓶直徑的限制，轉速僅為100r/min 左右，影響加工速度和工作精度)，表面質量差，自動化程度低。氣瓶送料與定位裝夾、機床間流轉、完工下料均需行車輔助與多名人力，效率低下且準確度低。氣瓶具有長度、直徑及外形的不同規格，換加工不同規格的工裝調整與參數設置費事費力，生產力極低。由于以上原因影響，企業現有加工方式單件生產時間為13～15min，且受人為因素影響環節多，更易延長單件生產時間，嚴重影響企業效益，而企業出于效益考慮在控制成本的前提下，提出達到每小時50件的生產能力。

由于重力、定位、吊裝、形狀等因素考慮，氣瓶常采用臥式送料及裝夾。為提高自動化程度減少機床間流轉時間，可考慮采用大型臥式車削加工中心或銑削加工中心，由于無需重復裝夾，定位精度高，且一次對刀后加工出的瓶口整體質量一致性好。但單件氣瓶吊裝與定位裝夾、更換氣瓶時的行車吊裝、更換規格時的工裝調整及重新對刀等步序復雜耗時，無法實現大批量生產;車削加工中心更因氣瓶慣量大以致工件轉速低加工速度慢，與現有加工方式相比效率提高程度有限。采用車削中心加工單件氣瓶時間約為8min，銑削中心則約為4min，若需達到50 件/小時的加工能力，需同時采用7 臺車削中心或4 臺銑削中心，加上工夾具改裝費用，設備成本分別約為560 萬或400 萬，人力成本則均需5 人。企業的經濟效益欠佳，設計或采用高效、經濟且能自適應氣瓶規格的螺紋接口加工設備是企業亟需解決的問題［1-5］。

1 氣瓶螺紋接口加工設備總體方案

1.1 氣瓶及其螺紋接口

與通用機床上一般回轉類零件不同的是，車用氣瓶(如圖1)存在不同直徑(φ 232～φ 406 及φ 219～φ 232mm)、不同長度(800～2100mm)、重量介于50～200 千克的各種規格，其錐螺紋加工要求如圖2。

圖1 氣瓶形狀

1.2 氣瓶螺紋接口加工組合機床生產線總體方案

現有加工方式效率低下，主要原因在于:加工設備采用普通車床和銑床改裝而成，自動化程度低，加工效率低;氣瓶因重量體積原因需采用行車吊裝安裝及加工后拆裝，更是大大降低了加工效率;更換不同長度、直徑規格的氣瓶對工裝的改裝調整時間過長，人為因素影響大，效率得不到保證。不同機床上的多次裝夾也引入了定位誤差及人為因素，影響加工精度和一致性。氣瓶螺紋接口現有加工方式其工藝流程如圖3。

圖3 氣瓶加工工藝流程

現有加工方式其完整加工時間為:上料及定位裝夾時間、各工序機加工時間之和、卸料及吊裝時間、更換規格時調整工裝及參數時間。各機床間順序流轉的串行加工方式是效率低下的原因之一，現有各工序以車外軸頸和擴孔時間為最長，均約為0.78min，若能設計多臺組合機床組建流水線，以并行方式進行加工，則單件機加工時間為最長機加工工序所需時間，可大大提高加工效率。

圖4 車用螺紋接口總體加工方案

圖4 所示為總體加工方案，采用專用機床A、B、C及D 形成流水線加工，并采用刀具旋轉、工件靜止方式以避免氣瓶轉動慣量過大轉速低影響加工效率和表面精度。專機A 采用锪車組合硬質合金刀具實現锪削端面和車削外圓軸頸，并使锪削端面進給行程出現在車削外圓頸進給行程末端且锪車加工同時結束，進給循環為“快進→一次工進→二次工進→快退”，“一次工進”實現車削外圓軸頸，“二次工進”實現車削外圓軸頸與锪削端面的復合運動;專機B 采用鉆鉸組合硬質合金刀具實現擴錐孔、鉸錐孔，進給循環為“快進→一次工進→二次工進→快退”，“一次工進”與“二次工進”分別實現擴錐孔與鉸錐孔進給;專機C 采用精鉸錐孔倒角組合硬質合金刀具，進給循環為“快進→工進→快退”;專機D 采用錐螺紋硬質合金絲錐。采用組合刀具制造成本稍高，但生產率高，且能保證加工表面位置精度。

專機A 完成锪車機加工為1.0min，為四工序中最長，即單件機加工時間，也即1.0min 時間內該方案機加工能力為4 件。專機A、專機B、專機C 主軸電機采用三相異步電動機，進給運動由液壓滑臺實現，控制器采用PLC 實現邏輯信號控制;專機D 攻絲工序采用剛性攻絲，主軸、進給軸均由交流伺服電機驅動，采用“PLC+伺服放大器+伺服電機+編碼器+高速計數模塊”控制方式實現閉環控制，并實現主軸、進給軸的比例控制以保證攻絲精度［6-8］。

然而，圖4 所示加工方案在改變串行加工工序時間為并行加工工序時間的同時，還需解決上料裝夾時間、卸料吊裝時間、更換規格時調整工裝及參數時間等對加工效率的影響。解決問題的關鍵在于實現自動傳送，且自動傳送系統必須實現對氣瓶直徑、長度規格的自適應。

設計圖5 所示氣瓶螺紋接口加工生產線總體方案，氣瓶由行車吊裝堆垛于自動輸送帶起始端，此處人力成本為2 人(設為甲、乙，其中乙為輔助);利用PLC接收接近開關信號，并控制阻擋缸可實現單件傳送;采用長V 形塊作為隨行夾具，保證氣瓶穩定傳送，同時可實現各規格氣瓶軸線與V 型塊中心線自動平行找正;成品氣瓶堆垛于輸送帶末端待行車吊送，或使用頂桿頂出堆垛于地面叉車工作位，此處人力成本為2 人(設為丙、丁，其中丁為輔助);輸送帶為雙層，上層輸送帶承擔傳送隨行夾具及氣瓶功能，下層輸送帶承擔返回隨行夾具功能;生產線人力成本為4 人(甲、乙、丙、丁，其中乙、丁為機床操作工及檢視工，乙、丁崗位可設為1 人)。

圖5 氣瓶螺紋接口加工生產線總體方案

圖5 所示方案設計的自動傳送帶可避免現有的行車單件吊裝現象，只需對吊裝堆垛于傳送帶的氣瓶利用接近開關、阻擋缸等元器件進行單件傳送即可，從而將氣瓶輸送時間消耗于機加工時間內，進一步提高加工效率。該方案使工件的定位夾緊與機加工時間部分重合，輸送時間與機加時間重合，實際單件完成時間為1.5min，由于是四工位生產線，即1.5min 生產能力為4件，則每小時生產能力為160 件，設備成本約為100萬。該方案在保證加工精度要求下，實現氣瓶加工能力的大幅提升的關鍵在于設計的專用液壓夾具無需輸入氣瓶形狀、直徑、長度規格參數，能對氣瓶形狀、直徑、長度規格自適應，消除了現有加工方式下對氣瓶的吊裝、定位時間，以及規格改變時的工裝調整和參數調整時間，下面對其自適應方法詳細介紹。

2 氣瓶螺紋接口加工自適應規格夾具

2.1 自適應規格夾具定位方案

傳送帶長V 型塊隨行夾具能實現氣瓶軸心與V型塊中心的自動平行找正，具有不同直徑規格的自適應功能，且后續各工序定位只需獲取V 型塊信號即可;各取氣瓶兩端半圓處圓周曲線進行定位，可實現對氣瓶軸心線的自動找正，從而對不同規格直徑具有自適應功能;以氣瓶瓶口端半圓處圓周線為固定端，另一端半圓處圓周線為夾緊受力浮動端，施力夾緊可實現對不同規格長度的自適應，且保證了螺紋口加工端位置精度;采用兩個中空錐盤實現取氣瓶兩端半圓處圓周曲線，可對圖1 所示兩種氣瓶形狀自適應;長V 型塊中空矩形設計，下方設置提升缸，對氣瓶提升至其軸線處于兩中空錐盤軸心線附近(刀架端安裝一接近開關檢測氣瓶口中空信號作為提升缸停止提升控制信號)，可提高錐盤的定位精度。自適應規格夾具定位方案及錐盤結構分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 氣瓶自適應規格夾具定位方案

圖7 氣瓶自適應規格夾具錐盤(單端)結構示意

圖6 中，N為使氣瓶至中空錐盤軸心處提升力，由兩只提升缸同步上升下降實現提升下放，提升缸上升到一定位置范圍后只起浮動支承作用，不起定位作用，且只需調節兩只提升缸的同步V 型塊間距為保證最短和最長規格氣瓶的重心點范圍，即可實現對氣瓶長度的自適應支承(結構示意如圖8)。圖6 中，F為推送夾緊力，提升缸提升到位停止動作后，F作用于錐盤即可實現對不同長度、直徑規格的自動定位并夾緊;夾緊過程分快速移動與慢速夾緊兩個步驟，控制系統檢測到夾緊信號(由液壓回路壓力繼電器發出)后停止夾緊缸的推送并保壓，即可實現對不同長度規格的自適應。

圖8 同步提升缸結構示意

2.2 自適應規格夾具液壓系統原理設計

設計氣瓶螺紋加工自適應規格夾具液壓系統原理如圖9。雙V 型塊安裝于提升板14(位置如圖8 所示)，夾緊錐盤安裝于夾緊缸22 活塞端。提升板14 的水平位置由提升缸12、13 同步運動實現，使YA1 得電，提升氣瓶至其軸心線處于錐盤軸心線范圍(以接近開關檢測到氣瓶孔口為指令信號)，則使缸12、13 處于鎖緊狀態起浮動支承作用，一方面避免過定位影響加工精度，另一方面為后續定位、夾緊及加工過程提供穩定的支承。然后控制系統發出指令，使夾緊缸22 快速推送雙V 型塊上的氣瓶再慢速夾緊，由壓力繼電器21 發出夾緊檢測信號。加工完畢后缸22 后退使氣瓶自動滑落(或夾緊端單側滑落)于提升塊14 上的雙V 型塊，使YA2 得電，則缸12 與缸13 同步退回原位，氣瓶回落至傳送帶長V 型塊隨行夾具，傳送進入下一工序。

圖9 自適應夾具液壓原理設計

3 結論

氣瓶螺紋接口加工設備因氣瓶具有形狀、直徑、長度的不同規格，使企業的生產方式自動化程度低，效率難以提高，設計的組合機床生產線方案能實現對氣瓶不同規格的自適應，無需調節工裝與參數，定位與夾緊可靠，設計的自適應夾具對回轉類多規格零件具有普遍實用性，工程應用價值高。

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