馬戰(zhàn)文，唐志宏，王宇華

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東佛山528000）

嵌件的加工包括下料、加熱、熱鍛、車內(nèi)牙、車尾端螺紋、銑扁方、退火等過程，傳統(tǒng)的嵌件生產(chǎn)方式是間歇分段的加工方式，由多臺不同類型的分離加工設(shè)備來完成，加工設(shè)備數(shù)量多、占地面積大，工件在不同設(shè)備間等待、轉(zhuǎn)移、檢查和重新定位裝夾等亦會影響加工精度和加工效率。面對市場需求的日益增加，嵌件制造需要尋求從傳統(tǒng)的間歇分段式生產(chǎn)方式向高效的自動化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)化[1]。

1 嵌件的機(jī)加工工藝分析和改進(jìn)

本次用于研究的是某生產(chǎn)企業(yè)的一款用于PPR管道連接的銅嵌件，通過對所用材料的研究改進(jìn)開發(fā)出了可滿足嵌件力學(xué)性能和機(jī)械性能的銅合金原料，可簡化傳統(tǒng)工藝中的加熱和熱鍛工序，改型后嵌件涉及的機(jī)加工流程為：車外圓燕尾槽、內(nèi)圓內(nèi)孔的粗鏜和精鏜、內(nèi)螺紋的加工、車外圓直槽、車內(nèi)圓溝槽以及前端面的錐形面加工、銑前端面的井字形扁方槽等。

為了減少工件的轉(zhuǎn)移夾裝和提高加工效率，運(yùn)用復(fù)合加工技術(shù)將上述加工過程集中到一臺或幾臺設(shè)備上來實(shí)現(xiàn)具有較好的可行性[2-3]。復(fù)合加工的設(shè)計(jì)思路可選擇：將工件的內(nèi)螺紋、內(nèi)溝槽、后端面45°倒角、外圓的燕尾環(huán)槽、外溝槽整合為第一工序，由專門的棒料機(jī)進(jìn)行復(fù)合加工；而前端面的井字形扁方槽、錐形面整合為第二工序，由專門的銑槽機(jī)完成。

2 基于液壓自動車床的棒料機(jī)設(shè)計(jì)

液壓自動車床是一種液壓進(jìn)給自動車床，裝有2～6個獨(dú)立刀架，每一個獨(dú)立刀架上可以裝多把刀具，各刀架都具有多種運(yùn)行模式跟多種組合方案，本文擬基于液壓自動車床設(shè)計(jì)程控復(fù)合棒料機(jī)。由于粗鏜和精鏜內(nèi)孔、車內(nèi)溝槽內(nèi)螺紋、倒45°角都具有相同的軸向進(jìn)給方向，故采用T型槽平臺及排刀式刀具布置結(jié)構(gòu)，將上述加工步驟所用刀具均布置在軸向進(jìn)給滑臺上，而滑臺采用十字滑臺形式，各刀具的進(jìn)給與切換由縱橫向兩個液壓缸來集中驅(qū)動。車內(nèi)溝槽時刀具除了軸向移動外，還需徑向進(jìn)給切削，需增加一個豎直方向液壓缸進(jìn)行驅(qū)動。T型槽平臺上刀具根據(jù)加工順序布置，依次為：粗鏜刀、精鏜刀、內(nèi)溝槽車刀、絲錐、倒角刀。嵌件外圓表面的燕尾槽、直槽以及棒料的切斷都需徑向進(jìn)給切削，故將各刀架沿主軸圓周方向分布，且保證進(jìn)給方向均指向主軸軸心。燕尾槽為該企業(yè)特有的嵌件結(jié)構(gòu)，由自成20°的兩把斜槽車刀分別進(jìn)給切削而成。

為了使所設(shè)計(jì)的棒料機(jī)能靈活適應(yīng)不同嵌件的加工，本文設(shè)計(jì)了一種角度位移可調(diào)式刀架結(jié)構(gòu)，無論是加工燕尾槽結(jié)構(gòu)，還是直槽結(jié)構(gòu)，或者是不同位置的切斷，都能輕易調(diào)整適應(yīng)。同時設(shè)計(jì)采用一種切斷切槽復(fù)合、一刀雙刃結(jié)構(gòu)的定制刀具。該刀具先切斷上一段工件，再對下一段工件進(jìn)行切槽。該雙刃定制刀具不僅減免了一個刀架的空間，使徑向刀架分布更加緊湊，而且將工件的切斷步驟整合到切槽步驟中，只需一次進(jìn)給行程就能完成兩道加工步驟，生產(chǎn)效率得到進(jìn)一步的優(yōu)化提高。

夾具采用前置式液壓筒夾頭，此類夾頭安裝簡易，內(nèi)藏液壓回轉(zhuǎn)缸，免額外安裝回轉(zhuǎn)缸，相比于卡爪卡盤能更快速進(jìn)行工件的松夾，有效削減加工循環(huán)時間。機(jī)床底座在支承連接處有凸臺結(jié)構(gòu)以減少加工面積，邊緣有一定高度的凸緣以防止切屑或切削液的外漏，底座中間部分設(shè)計(jì)有斜面，便于切屑、工件以及切削液的匯集流通。在機(jī)床底部通過電機(jī)驅(qū)動的傳動螺桿實(shí)現(xiàn)工件的前送運(yùn)動和切屑分離，將分離后的工件配合后續(xù)的上送料滑槽傳送給下一工序，分離后的切屑經(jīng)采用市面上已廣泛應(yīng)用的鏈板式排屑機(jī)對切屑進(jìn)行回收處理，而切削液可從排屑機(jī)側(cè)面開孔處排出回收。棒料機(jī)的設(shè)計(jì)除了上述部分，還包括機(jī)床液壓站、電控柜、電動機(jī)及其散熱通風(fēng)口、控制系統(tǒng)等部件的設(shè)計(jì)，基于液壓自動車床的復(fù)合棒料機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 棒料機(jī)總體結(jié)構(gòu)

3 送料裝置設(shè)計(jì)

送料裝置的設(shè)計(jì)包括上料機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[4-5]。棒料的送料方法根據(jù)坯料的長短有所不同，短料通常采用振動盤或機(jī)械手的前送料方式，長料通常采用各種后送料方式，此外還有重錘式送料與油浴式送料。針對嵌件的送料需要和上述各送料方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文為嵌件加工設(shè)計(jì)了一種自動化連續(xù)上料、結(jié)構(gòu)緊湊高效、可進(jìn)行尾料自動回收的送料裝置。送料機(jī)構(gòu)選用料倉式儲料形式，其結(jié)構(gòu)由料倉、輸料槽、隔料器、消拱機(jī)構(gòu)等部分組成。而棒料的上料動作采用滑塊抬升上料的方式，通過液壓缸推動上料滑塊，使棒料越過擋料塊，落入支承滾輪上進(jìn)行定位，料倉與上料機(jī)構(gòu)的配合，實(shí)現(xiàn)了自動化的連續(xù)上料。上料機(jī)構(gòu)通過采用預(yù)送料液壓缸與正式送料液壓缸組合進(jìn)行分段送料的構(gòu)思，使得送料裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊，在不增加附加支承架的情況下，達(dá)到送料長度最大化，提高了廠房空間的利用率。送料機(jī)構(gòu)與上料機(jī)構(gòu)通過上料滑塊與兩送料液壓缸之間作剛性連接，并由一個托舉液壓缸來推動，支承滾輪下裝有彈簧，以解決正式送料液壓缸與支承滾輪的干涉問題。這種處理方式可使上料滑塊的抬升上料、下降復(fù)位，與兩送料液壓缸的預(yù)送料、正式送料巧妙地實(shí)現(xiàn)了同步切換，提升了送料裝置的總體運(yùn)行效率。送料裝置的動作通過PLC進(jìn)行順序控制，實(shí)現(xiàn)棒料的上料、預(yù)送料、正式送料、脫尾料的全自動化。

本送料裝置與復(fù)合加工棒料機(jī)相連接的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過調(diào)節(jié)送料裝置的可調(diào)支承架高度，使送料裝置與復(fù)加工棒料機(jī)保持同軸度，軸向刀架上裝有死擋鐵用于棒料送料的定位。

圖2 送料裝置與棒料機(jī)相連接

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多臺棒料機(jī)和送料裝置可連接為嵌件自動加工生產(chǎn)線，本文采用以PLC為核心的液壓+電氣+PLC復(fù)合控制系統(tǒng)來對生產(chǎn)線進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)有各行程開關(guān)、加棒料檢測開關(guān)、棒料長度檢測開關(guān)、尾料箱滿檢測開關(guān)和切屑箱滿檢測開關(guān)等，分別用于觸發(fā)各信號提示燈以提醒操作人員執(zhí)行相應(yīng)操作。

各送料缸回油路上設(shè)置有調(diào)速閥，實(shí)現(xiàn)對各送料液壓缸速度的調(diào)節(jié)。刀架的液壓回路采用差動連接，實(shí)現(xiàn)徑向刀架的快進(jìn)；利用行程開關(guān)控制換向閥切換到有調(diào)速閥一端的回油路，實(shí)現(xiàn)徑向刀架接近工件后的工進(jìn)；刀架工進(jìn)完后三位五通換向閥換位，刀架快退回原位?？v橫向滑臺液壓缸均采用差動連接，實(shí)現(xiàn)軸向刀架的快進(jìn)；利用行程開關(guān)控制換向閥的切換，配合兩級調(diào)速閥，實(shí)現(xiàn)軸向刀架粗鏜、精鏜、倒角時的一工進(jìn)，以及攻螺紋時的二工進(jìn)；攻螺紋的二工進(jìn)完成后不能像其他切削步驟一樣快退，而是利用回油路換向閥與調(diào)速閥的結(jié)合來切換絲錐的慢退。

嵌件加工進(jìn)行到攻內(nèi)螺紋步驟時，主軸轉(zhuǎn)速需要切換到低速狀態(tài)，本文采用變頻調(diào)速的方式，將PLC的輸出端子接變頻器的多功能端子，變頻器中設(shè)置多功能端子為多段速功能，并設(shè)置好相應(yīng)固定頻率。通過PLC對應(yīng)輸出端子的通斷來控制變頻器輸出相應(yīng)的頻率，從而使電動機(jī)實(shí)現(xiàn)高速、低速兩級速度的切換。主電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)則由接觸器來控制，通過程序控制中間繼電器的通斷狀態(tài)，并結(jié)合電氣互鎖接線來間接控制接觸器的通斷，電機(jī)的停止采用反接制動方式，可使電機(jī)收到程序的停止信號后克服慣性，立刻停止。

生產(chǎn)線的總控主要為順序步進(jìn)控制方式，計(jì)數(shù)器具有失電記憶功能，可實(shí)現(xiàn)班次交接、故障急停、突然停電等情況下加工狀態(tài)的保持記憶。狀態(tài)指示燈可顯示最多16種故障狀態(tài)，在生產(chǎn)線的故障維修中可有效提高維修人員的檢修效率。

5 生產(chǎn)線布局

嵌件的自動化生產(chǎn)線的總體布置如圖3所示[6]。棒料在經(jīng)過前述復(fù)合棒料機(jī)的加工后，經(jīng)接料器、輸料滑道滑至外部傳送帶，然后經(jīng)抬升裝置輸送到振動盤內(nèi)，隨之進(jìn)行下一工序的銑圓錐端面和銑扁方槽，在經(jīng)過這兩道工序后，嵌件的整個切削加工過程完成。通過出料口進(jìn)入收料平臺，在收料平臺上剔除不合格品，對符合要求的嵌件進(jìn)行退火處理，隨后送至注塑機(jī)進(jìn)行PPR注塑成型。為了平衡各工序的生產(chǎn)節(jié)拍，經(jīng)分析計(jì)算后各加工設(shè)備最佳的分配比例為5∶2∶1，并在各工序之間增設(shè)儲料器以解決某一工序出現(xiàn)故障停機(jī)時工件的流通問題。

圖3 生產(chǎn)線的總體布置

6 結(jié)論

本文針對了傳統(tǒng)嵌件生產(chǎn)方式的缺點(diǎn)，應(yīng)用復(fù)合加工技術(shù)對其加工工序進(jìn)行了優(yōu)化整合，并基于程控式液壓自動車床設(shè)計(jì)出復(fù)合加工棒料機(jī)，其中針對嵌件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了集中驅(qū)動的多刀復(fù)合式軸向刀架、角度位移可調(diào)式徑向刀架、可分離切屑的螺桿式接料裝置、可同步切換上料的分級送料裝置，以及應(yīng)用了液壓筒夾夾頭、自動排屑機(jī)、信號指示燈等已發(fā)展較成熟的自動化部件以進(jìn)一步提高生產(chǎn)線的自動化程度，且利用了液壓+電氣+PLC復(fù)合控制系統(tǒng)對電動機(jī)、變頻器、各液壓缸等執(zhí)行部件進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)了PPR嵌件的全自動化生產(chǎn)。