PCR130冷輾機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

魏鑾，楊建璽，李丹

(1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

精密冷輾技術(shù)是在常溫下對(duì)環(huán)形回轉(zhuǎn)類零件進(jìn)行擠壓產(chǎn)生塑性變形而得到所要求形狀和精度的一種冷加工成形方法，是機(jī)械精密軋制技術(shù)與精密塑性成形技術(shù)的集成創(chuàng)新，具有顯著的節(jié)能、節(jié)材、降低生產(chǎn)成本和提高零件性能等突出優(yōu)勢(shì)[1-2]。冷輾壓工藝對(duì)精密冷輾機(jī)的要求較高，要求冷輾機(jī)的輾壓力大，剛性好，導(dǎo)向精度高；有可靠的過載保護(hù)裝置；能提供合適的輾壓速度；具有對(duì)模具進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻的裝置。

1 PCR系列冷輾機(jī)特點(diǎn)[3]

PCR系列冷輾機(jī)為洛陽軸研科技股份有限公司開發(fā)設(shè)計(jì)的開式冷輾機(jī)，其將冷輾、整徑融為一體，并重點(diǎn)提高了設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性和適用性，與國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備相比，具有效率高、加工精度高、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種高性能的冷輾機(jī)。其具有冷輾-整徑聯(lián)動(dòng)和冷輾、整徑單獨(dú)工作模式；機(jī)床采用液壓驅(qū)動(dòng)，PLC控制；工件尺寸和主滑塊位置由光柵檢測(cè)；具有冷輾、整徑壓力檢測(cè)和保護(hù)功能；人機(jī)界面采用大尺寸彩色觸摸屏，人機(jī)交流方便；可預(yù)存20個(gè)型號(hào)的工藝參數(shù)。

PCR系列冷輾機(jī)采用鍛件或管材制坯，經(jīng)輾擴(kuò)制成直徑較大的套圈毛坯，然后經(jīng)過整徑，獲得滿足尺寸要求的環(huán)形件。其工作原理如圖1所示，主傳動(dòng)帶動(dòng)輾輪旋轉(zhuǎn)，心軸插入工件孔后，由進(jìn)給裝置通過支承輪推動(dòng)心軸將工件壓向輾輪，從而實(shí)現(xiàn)工件的輾壓加工。

1—輾輪；2—圓度輥；3—毛坯；4—心軸；5—支承輪；6—測(cè)頭；7—光柵尺

2 PCR130冷輾機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PCR130冷輾機(jī)是在已有型號(hào)機(jī)床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改造設(shè)計(jì)出的新機(jī)型，機(jī)床結(jié)構(gòu)布局如圖2所示，主要由主軸及圓度輥、心軸、支承輪、滑塊、主油缸、測(cè)量?jī)x、機(jī)械手、床身、主傳動(dòng)、整徑機(jī)及外罩等部件組成。

1—機(jī)架；2—主軸單元；3—機(jī)械手；4—心軸；5—支承軸；6—測(cè)量單元；7—主滑塊；8—主油缸；9—搭鉤裝置；10—圓度部件

PCR130冷輾機(jī)采用C型機(jī)架、臥式結(jié)構(gòu)，最大限度地節(jié)約空間，機(jī)架材質(zhì)選用高標(biāo)號(hào)球墨鑄鐵QT600-3，整體剛性好，精度保持性好；機(jī)械上下料系統(tǒng)可隨時(shí)加入生產(chǎn)線，機(jī)械手上料十分靈活[4]。

由于PCR130機(jī)床的加工范圍更大(外徑45～130 mm)，為了提高可靠性和適用性，重點(diǎn)對(duì)機(jī)械手、心軸、主滑塊導(dǎo)軌和整徑機(jī)部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其他部件(單元)與已有型號(hào)同類部件結(jié)構(gòu)相似，只是尺寸有所變化。

與同系列冷輾機(jī)相對(duì)比，PCR130冷輾機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

(1)機(jī)械手?jǐn)[塊采用導(dǎo)向桿與壓縮彈簧，擺動(dòng)角度范圍更大；機(jī)械手整體落于帶長(zhǎng)孔的底座上，可以前后、左右調(diào)節(jié)，使機(jī)床加工范圍擴(kuò)大、通用性增強(qiáng)。

(2)心軸改為前穿料形式，更利于操作和維修。

(3)主滑塊矩形導(dǎo)軌改為直線導(dǎo)軌，且主滑塊與心軸單元安裝于同一直線導(dǎo)軌上，小滑塊安裝于小直線導(dǎo)軌上，前后位置變化通過在直線導(dǎo)軌上移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使位移測(cè)量更加精確，從而提高了產(chǎn)品的加工精度。

(4)整徑機(jī)通過更換模具可分別對(duì)工件內(nèi)徑和外徑進(jìn)行整形，使用了油缸擺桿上料和不同加工方式同一出料口出料的方式，適用范圍更廣。

2.2 機(jī)械手

機(jī)械手是機(jī)床的上料裝置，要求上料靈活，上料位置準(zhǔn)確，并且下料后機(jī)械手能及時(shí)復(fù)位。以往采用的機(jī)械手?jǐn)[塊下料后，擺塊靠拉伸彈簧復(fù)位，對(duì)于尺寸較大的工件，拉伸彈簧變形大易損壞，擺動(dòng)角度受限制。

改進(jìn)設(shè)計(jì)的PCR130冷輾機(jī)機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)械手爪安裝在擺塊上，擺塊安裝在機(jī)械手架內(nèi)的軸系裝置上，機(jī)械手架通過連接塊和連接螺母與油缸的活塞桿相連；機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用壓縮彈簧和導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)，壓縮彈簧底端嵌入一球頭桿作為導(dǎo)向并安裝在機(jī)械手架的深孔內(nèi)，球頭桿可以使彈簧壓縮時(shí)隨壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)方向；彈簧另一端安裝在擺塊上的側(cè)面孔內(nèi)，工件滾下推動(dòng)擺塊擺動(dòng)，彈簧壓縮，下料后依靠彈簧反力復(fù)位，導(dǎo)向螺釘保證了擺塊能回到初始位置。另外，PCR130機(jī)械手增加了帶長(zhǎng)孔底座(圖4)，使機(jī)械手整體可以左右調(diào)整，滿足了不同尺寸工件的加工要求，使機(jī)床適用范圍更廣。

1—導(dǎo)向螺桿；2—壓縮彈簧；3—球頭螺桿；4—擺塊；5—機(jī)械手爪；6—工件；7—機(jī)械手架；8—軸系；9—連接塊；10—連接螺母；11—油缸活塞桿

圖4 PCR130機(jī)械手底座示意圖

實(shí)踐證明，PCR130機(jī)械手的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，彈簧不易損壞，更適合大尺寸工件的上下料。

2.3 心軸

原PCR系列冷輾機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，油缸活塞桿通過連接板帶動(dòng)后小滑塊內(nèi)整個(gè)部件沿導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)心軸從后至前穿料，心軸后穿料結(jié)構(gòu)在使用中存在調(diào)整、維修不便的弊端。因此， PCR130冷輾機(jī)采用心軸前穿料結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

1—支承座；2—深溝球軸承；3—后座；4—心軸；5—前座；6—組合軸承；7—固定座；8—調(diào)整手輪；9—滑座；10—小直線導(dǎo)軌；11—滑臺(tái)底板；12—大直線導(dǎo)軌；13—油缸

PCR130冷輾機(jī)心軸后端采用1對(duì)深溝球軸承，前端采用1對(duì)滾針推力球組合軸承，軸承均采用脂潤(rùn)滑。心軸與主滑塊共用1對(duì)直線導(dǎo)軌，心軸整體通過滑臺(tái)底板置于導(dǎo)軌上，可左右移動(dòng)。心軸前端安裝在心軸固定座上，固定座通過滑座固定于滑臺(tái)底板的小直線導(dǎo)軌上，由油缸驅(qū)動(dòng)，心軸可隨滑座在導(dǎo)軌上前后運(yùn)動(dòng)，完成從前向后穿料的動(dòng)作；轉(zhuǎn)動(dòng)心軸前端調(diào)節(jié)座的手輪，通過調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整心軸安裝座的前后位置，從而調(diào)整心軸的軸向位置，使心軸型槽軸向位置與輾輪型槽對(duì)中。此種結(jié)構(gòu)的心軸部件，前后、左右均可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，更利于操作和維修。

2.4 主滑塊

滑塊的進(jìn)給精度直接決定輾擴(kuò)產(chǎn)品的質(zhì)量，滑塊進(jìn)給精度的誤差反映在產(chǎn)品的尺寸誤差上將會(huì)擴(kuò)大幾倍，所以保證滑塊的定位精度非常關(guān)鍵。

已有型號(hào)PCR冷輾機(jī)都采用球墨鑄鐵制造的矩形導(dǎo)軌，耐磨性好但精度不高。PCR130冷輾機(jī)主滑塊導(dǎo)軌采用直線導(dǎo)軌。直線導(dǎo)軌作為一種精密直線導(dǎo)向部件具有承載大、精度高、磨損低、可靠性高及標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)良特性；與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，摩擦阻力大幅度降低；動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度；能實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度；成對(duì)使用時(shí)具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低導(dǎo)軌安裝面的加工精度，降低基礎(chǔ)件的機(jī)械制造成本與難度[5]。

如圖6所示，PCR130冷輾機(jī)的滑塊體由6個(gè)M20螺釘及1個(gè)回轉(zhuǎn)銷與動(dòng)導(dǎo)軌板連接，通過動(dòng)導(dǎo)軌板整體安裝在直線導(dǎo)軌滑塊上。松開6個(gè)M20螺釘時(shí)，調(diào)整2個(gè)M8螺釘能使滑塊體相對(duì)動(dòng)導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)，用以調(diào)節(jié)輾擴(kuò)工件錐度， 動(dòng)導(dǎo)軌側(cè)面有4個(gè)螺釘用于定位導(dǎo)軌塊；搭鉤結(jié)構(gòu)與心軸單元連接，使主滑塊與心軸既可以同步運(yùn)動(dòng)也可以相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)使位移測(cè)量更加精確，從而提高了產(chǎn)品精度。

1—直線導(dǎo)軌；2—?jiǎng)訉?dǎo)軌板；3—搭鉤裝置；4—滑塊體；5—調(diào)錐度螺釘；6—定位螺釘；7—滑塊；8—銷軸

2.5 整徑機(jī)

PCR130整徑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是為了適應(yīng)客戶所使用模具的安裝要求，整徑機(jī)主體由整徑缸、整徑模、擋料桿、凸模、擋料塊、前后支架板、連板、進(jìn)料底板、導(dǎo)板、導(dǎo)桿、導(dǎo)套等組成。其中，整徑模、凸模、擋料塊為更換件。目前行業(yè)內(nèi)使用的整徑機(jī)多為一臺(tái)設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)一種功能，即只能完成對(duì)套圈外徑或內(nèi)徑的整形。PCR130整徑機(jī)的突出優(yōu)勢(shì)是在同一臺(tái)設(shè)備上通過更換工裝可以分別完成套圈內(nèi)徑和外徑的整形。整徑機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。

1—拉桿；2—上料擺臂裝置；3—上料板；4—擋料桿；5—導(dǎo)桿；6—連板；7—導(dǎo)套；8—前支架板；9—整外徑過渡套；10—整外徑模具；11—擋料塊；12—凸模；13—導(dǎo)板；14—后支架板；15—整徑油缸；16—上料道；17—下料道；18—出料道；19—上料油缸

圖8 PCR130整徑機(jī)整內(nèi)徑工裝結(jié)構(gòu)示意圖

整徑機(jī)上料時(shí)，由上料擺桿帶動(dòng)工件進(jìn)入待整工位(上料裝置由上料擺桿、上料托板和上料擋板組成)，上料擺桿與轉(zhuǎn)軸的一端相連，轉(zhuǎn)軸另一端與轉(zhuǎn)臂相連，油缸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂左右擺動(dòng)從而帶動(dòng)上料擺桿上下料，工作時(shí)適當(dāng)調(diào)整上料裝置，使工件順利進(jìn)入整徑模。

整徑機(jī)整內(nèi)徑時(shí)，不需要擋料桿和擋料塊，拆下即可；更換過渡套，按順序安裝3塊整內(nèi)徑專用夾具；通過整內(nèi)徑轉(zhuǎn)換接頭將內(nèi)徑凸模連接在油缸活塞桿上。

整徑機(jī)整外徑出料時(shí)，工件從整外徑出料道滑入下料道出料；整內(nèi)徑出料時(shí)直接從下料道出料。即無論整外徑還是內(nèi)徑都從同一下料道出料，機(jī)罩出料口也只需一個(gè)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

3 技術(shù)參數(shù)

PCR130冷輾機(jī)現(xiàn)已試制成功并投入生產(chǎn)，機(jī)床實(shí)際技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 PCR130冷輾機(jī)技術(shù)參數(shù)

通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，PCR130冷輾機(jī)滿足了機(jī)床高可靠性、工裝快速更換的要求，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，與同系列機(jī)床相比，操作和維修更加方便，穩(wěn)定性和適用性均滿足實(shí)際需求。