軸承套圈專用車床高效自動送料裝置

蔣立正，張苗，胡仲勝

(1.浙江機電職業技術學院 機械工程分院，杭州 310053；2.浙江工業大學 機械工程學院，杭州 310014；3.浙江精力軸承科技有限公司，浙江 臺州 318054)

近年來，為滿足大批量、高精度、高效率、低成本的生產要求，國內許多軸承制造企業研發了各類高效能的軸承加工專用機床、軸承加工自動線[1-2]，并取得了較大進展。浙江某軸承制造企業研制了一種軸承套圈專用車床，實現了從細長鋼管自動下料到車削端面、內外滾道等系列軸承套圈車削工序的連續加工，可大大縮減加工時間和物料流轉周期，提高套圈的加工效率。其中，自動送料裝置是該專用套圈加工設備的重要組成部分。

該專用車床實現全自動生產須配備自動送料裝置，并確保自動送料裝置的送料動作快、振動小、過程平穩，不影響送料的精度。若直接采用市售的棒材送料機[3]，不但存在與車床的匹配問題，而且在使用過程中存在諸多問題：(1)車削過程伴有嚴重的振動和噪聲，經常因切削刀具損壞而導致刀桿一起損壞，影響套圈加工精度，造成報廢率升高，有時甚至造成主軸箱等關鍵部件的損壞[4]；(2)料頭長度約200 mm，鋼管原材料利用率不高。因此，對該車床自動送料裝置進行了重新設計。

1 送料裝置設計要求與結構特點

1.1 設計要求

(1)送料鋼管長度范圍為3～4 m；

(2)送料鋼管的外徑范圍為30～60 mm；

(3)送料精度達到±0.1 mm；

(4)送料長度隨意可調，并滿足生產需要；

(5)采用開環控制系統，要求送料裝置具有較好的剛性；

(6)與車床主軸的加工協同性較好；

(7)噪聲不能超過60 dB。

1.2 結構特點

專用車床的整體結構如圖1所示。自動送料裝置位于主機尾部，由抑振裝置和夾緊送料裝置組成，以液壓為動力源，執行自動送料、夾緊等動作。自動送料裝置的工作性能與被加工鋼管尺寸緊密相關，鋼管懸伸越長，存在的偏心影響越大，將加大車加工過程中的振動響應；另一方面，鋼管剛性差會導致固有頻率降低，造成加工過程中的振動與噪聲。

1—主軸專用夾具夾持部；2—油缸夾持部；3—柔性夾持架；4—鋼管抑振裝置；5—夾緊送料裝置；6—主機

2 動態特性分析

細長鋼管在連續車削過程中構成了鋼管-夾具-刀具的振動系統，在彈性力學中屬于多約束超長彈性受簡諧力作用問題。借助ANSYS有限元分析軟件，先進行細長鋼管的模態分析，確定結構的固有頻率和振型；再進行諧響應分析，即分析在周期載荷下系統中產生的持續周期響應(諧響應)，以計算出結構在幾種頻率下的響應。

2.1 模態分析

套圈專用車床在工作過程產生的振動主要有2種：細長鋼管自動送料裝置工作過程產生的振動和主軸回轉過程中主軸與細長鋼管的偏心引起的振動，細長鋼管的夾持位置如圖2所示。

1—柔性夾持單元；2—柔性夾持架；3—送料油缸夾持部；4—主軸專用夾具夾持部；5—刀具；6—被加工段

以常用的長3.5 m，外徑60 mm的細長鋼管加工為例，利用Pro/E進行建模，并導入ANSYS建立有限元模型，對細長鋼管的車削過程進行模態分析。

基于以往的加工記錄，粗車套圈時進刀量為0.15～0.35 mm，車削速度為500～800 r/min，刀具施加在鋼管上的激振頻率為

(1)

式中：n為鋼管車削時的工作轉速。

在進行模態分析時，ANSYS的基本參數設置如下：材料為GCr15、彈性模量E=210 GPa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7 800 kg/m3;主軸轉速n=500 r/min、激振頻率f=8.3 Hz。通過分析計算可知，當鋼管尾部不添加任何支承(圖2中柔性夾持單元)時，各階振型頻率分別為：8.33，8.33，51.6，51.72，141.19和142.64 Hz，由于激振頻率與第1，2階固有頻率之比接近于1，極可能產生共振。

當在鋼管尾部添加柔性夾持單元時，在ANSYS中建立有限元模型，進行動力學分析，得到的各階振型見表1。

由表1可知，在細長鋼管尾部有支承的情況下，第1,2階振型的固有頻率為53.1 Hz，激振頻率與第1階固有頻率之比遠小于1，表明車削速度為500～800 r/min時不致引起共振，且遠超出共振區，即切削參數的選擇是合理的[5]。

表1 鋼管(尾部添加支承)切削過程的各階振型

由上述分析可知，鋼管限定的自由度越多，其第1階振型的頻率值就越大，產生共振的可能性就越低?；诖?，在自動送料裝置的設計中，在鋼管尾部添加了柔性夾持單元(圖2)。

2.2 諧響應分析

為滿足設計要求，自動送料裝置的第1階固有頻率通常大于4/3激振頻率[6]，即f4/3=11.1 Hz。

根據切削工藝參數，可得到不同加工狀態下的切削力，結果見表2[7]。

表2 不同加工工序的切削力F N

由切削力可得激振力方程為

F(t)=Fsin(2πft)。

(2)

諧響應分析可以借助模態分析保存的網格劃分模型，直接進入求解器進行諧響應計算。按照如圖2所示的工況施加約束和載荷，分析在工作頻率為11.1 Hz的情況下，激振力F(t)引起的響應位移。以φ35 mm×φ45 mm×3 000 mm(d×D×L)的細長鋼管的割管下料為例，諧響應分析得到的第1階頻率為18.206 Hz，最大響應位移為11.7 μm(柔性支架)，最小響應位移為0.59 μm。

基于上述分析，可進一步對抑振裝置(柔性支承架)、送料油缸夾持部及主軸專用夾具的位置、柔性裝置的阻尼特性等對系統產生振動的影響進行分析，限于篇幅此處不作展開，另文闡述。動態特性分析可以為自動送料裝置的有效避振提供參考，結合當前車床的送料工作要求，設計了一種新型自動送料裝置。

3 送料裝置的結構設計

3.1 抑振裝置

抑振裝置結構如圖3所示，主要包括基座、卡盤支座、三爪卡盤、擺動氣缸等。卡盤支座固定在基座上，卡盤支座上固定三爪卡盤，卡爪沿卡盤盤體中心均布并與轉動連接件聯動，卡爪上固定柔性抑振單元。柔性抑振單元基于非線性彈簧阻尼減振原理，包括固定在夾爪安裝板上的直線軸承、基于直線軸承配合的伸縮桿。伸縮桿外端固定限位板，以防止伸縮桿脫離直線軸承，伸縮桿的底部安裝橡膠滾輪；限位板上固定有使伸縮桿復位及減振的液壓緩沖器；液壓緩沖器與伸縮桿同軸設置。另外，基座上固定有能使各卡爪向卡盤盤體中心前后徑向移動的驅動機構，驅動機構包括固定在轉動連接件下方的傘齒輪1、與之相嚙合傳動的傘齒輪2、轉軸及連接板等；擺動氣缸與傘齒輪2通過轉軸及聯軸器連接，實現換向傳動。

1—擺動氣缸；2—轉軸；3—橡膠滾輪；4—伸縮桿；5—限位板；6—夾具安裝板；7—卡爪；8—三爪卡盤；9—卡盤支座；10—細長鋼管；11—轉動連接件；12—傘齒輪2；13—傘齒輪1；14—連接板；15—基座；16—直線軸承；17—液壓緩沖座；18—支承座

當擺動氣缸驅動轉動連接件時，驅動卡爪向卡盤盤體中心徑向移動，使鋼管夾緊區緩慢回縮，在液壓緩沖器等的作用下，使卡盤卡爪夾緊工件的方式轉變為柔性夾緊。而且夾持滾輪采用橡膠輪，利用其內部摩擦阻尼特性，使振動能量傳遞結構不連續，抑制或反射部分彈性波，減少了鋼管高速回轉產生的摩擦，有效減小了振動。此夾緊方式不僅在長鋼管高速旋轉時，噪聲和振動大大減小，而且長時間反復夾持也不會影響夾持精度。

3.2 夾緊送料裝置

夾緊送料裝置結構如圖4所示，主要包括基座、鋼管送進機構(伺服電動機、絲杠螺母副、直線導軌副和油缸安裝座1等)、鋼管送料夾緊機構(圓管1、圓管2、回轉夾緊油缸1、送料彈簧夾頭和送料夾具體等)、鋼管主軸端夾緊機構(圓管3、回轉夾緊油缸2、主軸彈簧夾頭和主軸夾具體等)及花鍵副(花鍵軸和花鍵套)。鋼管送進機構安裝在基座上，回轉夾緊油缸1，2分別固定在油缸安裝座1，2上，圓管1與送料夾具體通過螺紋連接后一起被固定在夾緊油缸1的尾部，花鍵軸、圓管2和彈簧夾頭1通過螺紋連接。

1—長鋼管；2—回轉夾緊油缸1；3—油缸安裝座1；4—送料彈簧夾頭；5—油缸安裝座2；6—圓管3；7—主軸彈簧夾頭；8—主軸夾具體；9—送料夾具體；10—回轉夾緊油缸2；11—聯軸器；12—花鍵軸；13—花鍵套；14—鋼管送進機構；15—圓管1；16,19—絲杠支承座；17—絲杠螺母副；18—直線導軌副；20—伺服電動機；21—基座

當夾緊油缸1工作時，帶動花鍵軸、圓管2及送料彈簧夾頭向前(后)移動，驅動送料夾具體向長鋼管軸線徑向收縮(松開)，從而夾緊鋼管。同理，圓管3與主軸夾具體通過螺紋連接，當夾緊油缸2工作時，帶動圓管3及主軸彈簧夾頭向前(后)移動，驅動主軸夾具體向長鋼管軸線徑向收縮(松開)，達到夾緊鋼管的目的。當鋼管送進機構移動時，可以改變送料油缸夾持部及主軸專用夾具夾持部間的位置距離(圖2)。

該自動送料裝置實現了鋼管送進機構、送料夾緊機構和主軸端夾緊機構的有機結合，巧妙實現了長鋼管送料夾緊-再送料夾緊的往復精確輸送。由于鋼管送進機構采用伺服控制，可實現精確送料，從根本上解決了人工送料存在的鋼管料頭浪費等問題。進一步減小了自動送料裝置的體積，使機構更緊湊；采用彈簧夾頭夾緊長鋼管進行旋轉切削時，內部安裝的各圓管可隨長鋼管一起旋轉，大大提高了切削加工的穩定性。

4 結束語

在細長鋼管切削運動數學模型的基礎上，構建了鋼管-刀具-夾具動力學振動系統，進行動態特性分析，計算了系統的激振響應，初步確定了該動力學系統可能存在振動的原因。該方法可有效避免傳統費時費力的工藝性試驗，為類似回轉機械的具體結構設計提供有益的科學依據。

經過幾個月的裝機運行試驗表明，新研制的自動送料裝置在生產實踐中得到了很好的應用，與改造前相比，每根鋼管少切料頭150 mm以上，送料精度可達±0.1 mm，大大減少了機械振動，噪聲達到設計要求。

相比氣動送進存在噪聲大的缺點，液壓送進動作簡單可靠、運行平穩、生產效率更高。在細長鋼管的車削過程中借助該自動送料裝置，使套圈的加工質量得到了用戶的肯定。