錢陳豪，胡逸寧，吉衛(wèi)喜，俞建峰，彭 威，張朝陽，程 峰

(江南大學 a.機械工程學院；b.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

聚焦現(xiàn)有的針對管件內孔加工的有關工藝裝備和技術，一種內孔均壁工藝[1]，即在PPM(推軋穿孔機)之后采用二輻斜軋延伸機加工并在斜軋穿孔機后采用三輯延伸機加工，可糾正毛管壁厚偏差達50%～70%并使成品鋼管的壁厚偏差≤±5%；相繼在日本、意大利、美國等國得到應用的推軋穿孔機(PPM)[2]用于將方鋼坯一次穿軋成中空圓坯，可穿孔各種碳鋼、低合金鋼及13Cr鋼和9CrMo鋼，具備良好的中空坯壁厚偏差控制性能；一種穿孔機軋輻為錐形的錐形輯斜軋穿孔機[3]配置有喂入角與輾軋角，穿孔時曼內斯曼效應[4]受到限制，使金屬的周向剪切應變和表面扭曲造成的應變降至最小，從而可穿軋各種鋼并具備良好內外表面質量、延伸系數(shù)與擴徑量等加工性能.國內的相關研究重點集中于高尖端先進成形技術并圍繞開展各種虛擬仿真研究.張士宏等[5]采用的滾珠旋壓技術可用作特薄壁管材的制備成形，王巨堂等[6-8]開展了對滾珠旋壓技術壓力計算、熱力耦合、工藝參數(shù)函數(shù)擬合的研究；此外在非線性動力學模擬仿真成形過程的研究中[9]，優(yōu)化了制備工藝的晶體塑性力學方法[10].但在生產(chǎn)實際中，廠家仍大多采取單一的切削或內磨加工[11]，不能滿足自動化加工的要求，加工成本高，生產(chǎn)效率低.因此設計一種集內圓車削與內表面滾壓強化功能于一體化的加工機，具有重要的工程價值和良好的市場前景.

1 設備整體工作機構的設計

1.1 設備整體結構

管件內孔切削滾壓一體化加工設備的整體結構布置方案如圖1所示.圖幅內容從左至右可將本設備機架工作臺面上布置的機構大致分為3個部分：頭架組件,用于對待加工工件遠加工端的定位裝夾；中架組件,用于對待加工工件近加工端的定位裝夾和對加工區(qū)主軸刀桿的遠端支承；尾架組件，用于對待加工管件進行內孔一體式加工.

圖1 管件內孔切削滾壓一體化加工機整體結構

頭架組件主要包括了一套用于夾持定位待加工工件(設計的主要待加工工件為單根長度8或10 m的熱軋工藝無縫鋼管毛坯件)的鋼管自動夾緊裝置(夾持管件的遠加工端，安裝在滾珠絲杠及直線導軌副上，可實現(xiàn)移動調整)、滾珠絲杠傳動機構及滾珠絲杠上的螺母座、相應的直線導軌副及導軌滑塊機構、驅動滾珠絲杠的交流伺服電機、其他必要的配套標準件.導軌滑塊通過滾珠絲杠螺母座上的螺栓與鋼管自動夾緊裝置的底板緊固連接.

中架組件主要包括了一套用于夾持定位待加工工件的鋼管自動夾緊裝置(夾持管件的近加工端，直接安裝在機架上，不可移動調整)、刀桿遠端支承吸振裝置.

尾架組件主要包括了三相異步交流主電機、主箱體、錐齒輪副、主軸、彈性夾頭、刀桿、切削刀具、滾壓加工刀具、由兩套滾珠絲杠傳動副及絲杠螺母座、直線導軌副及導軌滑塊機構組成的工作臺(可實現(xiàn)主軸加工方向的x軸軸向進給運動和垂直于主軸加工方向的z軸軸向進給運動)、驅動滾珠絲杠的交流伺服電機和其它必要的配套標準件.

1.2 設備工作原理與步驟

管件內孔切削滾壓一體化加工機對每根待加工鋼管毛坯件的循環(huán)工作流程：1)視本設備即將進行加工的熱軋無縫鋼管毛坯件的批次和型號決定加工參數(shù)，選取合適的切削刀具和滾壓刀具并安裝在刀桿的相應位置上.2)根據(jù)確定的適用于本批次與型號的鋼管毛坯件的加工參數(shù)，啟動頭架組件滾珠絲杠副的伺服電機或轉動手輪搖桿，驅動滾珠絲杠副與直線導軌副傳動，從而將頭架組件工作臺上用于夾持管件遠加工端的自動夾緊裝置調整至合理位置.3)啟動自動送料裝置將第一根待加工鋼管毛坯件送入頭架組件與中架組件2套自動夾緊裝置的夾緊套內，自動夾緊裝置的氣泵開始驅動，將氣體通入氣缸，在氣體的作用下，活塞桿推動可調節(jié)夾板將待加工鋼管毛坯件定位夾緊.4)根據(jù)適用于本批次與型號的鋼管毛坯件確定的加工參數(shù)，啟動尾架組件工作臺的2根滾珠絲杠副的伺服電機或轉動手輪搖桿，驅動對應的滾珠絲杠副與直線導軌副傳動，從而使得安裝于尾架組件工作臺上的刀桿分別完成機床坐標系z軸與x軸方向的移動調整，機床完成對刀的工步(此前的步驟已使得本設備完成了為適應對該批次和型號鋼管毛坯件加工所作出的統(tǒng)一調試工作，即意味著可以開始循環(huán)加工).5)啟動主電機，帶動傳動件錐齒輪副，驅動主軸旋轉，實現(xiàn)刀桿的高速回轉運動.6)根據(jù)確定的適用于本批次與型號的鋼管毛坯件加工參數(shù)，啟動尾架組件工作臺下層，即機床笛卡爾坐標系x軸軸向的滾珠絲杠副的伺服電機，實現(xiàn)刀桿的低速進給運動.7)由刀桿上安裝的切削刀具對被定位夾緊的鋼管毛坯件內孔進行切削加工，串聯(lián)安裝于切削刀具后的滾壓刀具緊接著對剛進行切削加工的內孔已加工表面進行滾壓強化加工，從而實現(xiàn)管件內孔切削滾壓一體化加工.8)完成加工，刀桿沿遠離工件方向退刀，自動夾緊裝置松開已加工鋼管零件，啟動自動送料裝置將其送離機床工作區(qū)并送入收料裝置.至此，一組完整的工作循環(huán)結束，后續(xù)加工重復上述步驟.

2 設備關鍵工作機構結構布置的優(yōu)化設計

2.1 定位夾緊機構

改進的定位夾緊機構，采用一種氣動弧形套式鋼管自動夾緊機構，其工作原理與臺虎鉗的夾緊原理[12]類似，該機構弧形夾套一端為固定端，一端為活動端，夾緊套工作面可選用橡膠材質或者布置交叉狀網(wǎng)紋，從而夾緊管件避免產(chǎn)生相對滑動.不同點在于臺虎鉗活動鉗身的進給是通過搖動手柄驅動滾珠絲杠旋轉，而本機構弧形夾套活動端的進給則是通過氣缸與活塞桿組成的氣動系統(tǒng)實現(xiàn)的.

氣動弧形套式鋼管自動夾緊機構工作循環(huán)：1)自動送料設備將待加工鋼管毛坯件初步送入弧形夾緊套.2)啟動氣泵.3)氣缸在通入氣體的作用下驅動活塞桿運動.4)推動可調夾板將鋼管毛坯件外圓柱面夾緊.5)加工完成，弧形夾緊套松開.6)自動送料裝置將零件送離機床并收集掉落的鋼管零件.

圖2為這種氣動弧形套式鋼管自動夾緊機構的模型示意圖，主要包括加強筋1、矩形空心框2、夾緊套3、可調夾板4、鉸鏈座5、活塞桿6、前端蓋7、氣缸體8、后端蓋9、墊塊10、螺栓螺母緊固件11和底板12.

圖2 氣動弧形套式鋼管自動夾緊機構

2.2 直線模組方案選擇與結構設計

頭架組件傳動機構的主要設計要求是實現(xiàn)頭架組件主體功能機構，即用于裝夾定位待加工工件的遠加工端的鋼管自動夾緊裝置，在機床笛卡爾坐標系z軸向上移動調整的功能.具體應使設備在面向不同系列、規(guī)格、尺寸、批次的鋼管毛坯件的加工場合時，只需要調整頭架組件及安裝于其上的遠加工段自動夾緊裝置的z軸軸向位置，即可實現(xiàn)對該批次鋼管毛坯件的快速裝夾與精準定位，從而節(jié)約加工前調試設備的時間成本.從5種具備一定可行性的傳動件方案以供對比和最終的選取:1)采用往復式直線運動電機[13]及磁性導軌的組合；2)采用滾珠絲杠副及直線滑軌的組合；3)采用梯形絲杠副及直線滑軌的組合；4)采用齒輪齒條的組合；5)選用手動搖輪滾珠絲杠燕尾槽形通用滑臺[14].經(jīng)對比，滾珠絲杠副及直線滑軌的組合更好地契合了設備欲實現(xiàn)的基本功能和設計需求.本設備頭架組件需要位置調整的機會不多，傳動系統(tǒng)使用頻率不高，且往往是在鋼管毛坯件上料前，自動夾緊裝置空載時對頭架組件z軸軸向坐標位置的微調，負載不大，行程較短.進一步優(yōu)化方案，借鑒手動搖輪滾珠絲杠燕尾槽形通用滑臺的手輪推進配置，加裝手動搖輪于滾珠絲杠動力端，這樣改進使得傳動機構既可由交流伺服電機實現(xiàn)長距離、高負載驅動、做到一般調節(jié)；又可通過搖動手動搖輪實現(xiàn)短距離、低負載驅動、做到簡易調節(jié).頭架組件傳動機構的結構如圖3所示.

圖3 頭架組件傳動機構

尾架組件的傳動機構主要用于實現(xiàn)安裝于其上的對待加工鋼管毛坯件進行內圓表面加工的主箱體在機床笛卡爾坐標系z軸與x軸軸向移動調整的功能.具體應實現(xiàn)的功能：在安裝于頭架組件與中架組件的兩套氣動弧形套式鋼管自動夾緊機構完成對待加工工件的定位夾緊后，根據(jù)該批鋼管毛坯件的規(guī)格型號以及對應所需的機床主運動參數(shù)，只需通過該傳動機構調整尾架組件及安裝于其上的主軸頭模塊工作區(qū)的z軸軸向與x軸軸向位置，設備就可完成批量加工前的加工空間的同心度調節(jié)和快速對刀工作.面對不同的生產(chǎn)需求，需要改變生產(chǎn)計劃，在頭架與中架組件的自動夾具完成對不同外徑尺寸毛坯件的定位夾緊后，由于夾具固定端位置不變，待加工工件的圓心位置隨毛坯件外徑的增大向機床笛卡爾坐標系-x方向偏移，為了調節(jié)尾架組件工作區(qū)及其同心度，同時也為了使得刀桿刀具快速完成對刀，只需調節(jié)尾架組件傳動機構，主軸頭模塊便能到達理想的刀具起始坐標.因此,尾架組件傳動機構在參考通用線性模塊和xy工作臺[15]的基礎上，采用一種雙層二維臺面的設計，其結構如圖4所示，等效于兩套直線模組的疊加，其中位于上層的控制機床坐標系z軸軸向移動的直線模組安裝于位于下層的控制機床坐標系x軸軸向移動的直線模組的工作面上，結構形式主要包括z軸滾珠絲杠副及直線滑軌副(靜機座)、x軸滾珠絲杠副及直線滑軌副(動機座)、z軸軸向伺服電機、x軸軸向伺服電機、工作平臺墊板等，其工作方式主要通過x、z軸軸向的伺服電機帶動各自滾珠絲杠及螺母座，控制絲杠副上工作平臺墊板的運動，以實現(xiàn)雙軸向位移傳動.

圖4 尾架組件傳動機構

2.3 刀具安裝布置形式

為了減少加工工序和設備、提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)率，集合傳統(tǒng)的內孔車削加工與內磨加工于一體，無需再使用多臺設備對鋼管毛坯件進行先車削再磨削的加工步驟，本設備在尾架組件刀具布置形式的設計上采取一種將內孔車刀與擠壓滾刀串聯(lián)安裝的布置形式，如圖5所示.

圖5 內孔車刀與擠壓滾刀串聯(lián)安裝的布置

工作原理：1)前置工作(定位夾緊工作與對刀).2)尾架組件直線模組開始z軸軸向進給.3)刀具部分進入鋼管內部.4)先接觸到待加工表面的精密內圓車刀對工件進行內圓切削加工并預留加工余量0.05 mm.5)車刀繼續(xù)向前進給加工.6)串聯(lián)其后的擠壓滾刀緊跟著來到精密內圓車刀加工后的表面并由擠壓滾刀對這部分表面進行強化加工.7)繼續(xù)以這種形式向前進給，對車刀剛經(jīng)過的已加工表面進行加工直至完成加工，退刀準備開始下一個工作循環(huán).

為驗證上述雙刀串聯(lián)式排布方式的刀具強度與剛度是否達到設計標準，根據(jù)加工力學參數(shù)與已建立的三維模型，使用有限元分析軟件ANSYS對刀體進行應力、應變仿真分析,經(jīng)迭代計算后，得仿真結果如圖6、圖7所示，分別對應刀具模型應力云圖與應變云圖.根據(jù)應力云圖的仿真結果，刀具的最大應力為309.2 MPa，小于材料屈服強度，故滿足設計強度要求；根據(jù)應變云圖的仿真結果，刀具最大應變?yōu)?.518 2 mm，可以忽略不計，故滿足設計剛度要求.

圖6 刀具模型應力云圖

圖7 刀具模型應變云圖

3 結語

本文描述了一種管件內孔切削滾壓一體化加工設備,其特點是在現(xiàn)有裝備與工藝的基礎上作出改良優(yōu)化，通過夾具部分的原理改進，傳動機構與刀具部分的結構布置創(chuàng)新設計等，實現(xiàn)了更為快捷的裝夾定位.更為高效的同步一體化內圓車削與滾壓強化加工、更為精確有效的對刀與同軸度調整，使得整機實現(xiàn)了表面精度與生產(chǎn)效率的兼顧.同時，傳動機構部分的巧妙設計也賦予整機設備極大的加工柔性，能在實際生產(chǎn)中面對需要改換待加工鋼管毛坯件的系列、規(guī)格、尺寸、批次的場合時，對一定外徑范圍內的待加工工件實現(xiàn)快速準確的自動無極定位，使得加工可在簡短準備的改進工作后立即開始.本設計可對管件內孔加工技術與裝備的改進起到一定參考價值.