钢管端坡口自动加工组合机床的设计.pdf

机械工程师2008年第5期解决方案SOLUTION工艺/工装/诊断/检测/维修/改造钢管端坡口自动加工组合机床的设计符荣松(重庆工业职业技术学院,重庆400050)1前言目前,我国管端坡口加工机正朝着高科技、高质量、高能效的方向发展。通常,钢管在焊接前,要求必须进行坡口加工,但国内生产的钢管大多不带坡口,过去采用手工气割的方法切割的坡口成本高、速度慢、劳动强度大,切割出的坡口多带有缺陷。因此,改进坡口加工手段、提高坡口加工质量,是很有必要的。开坡口常用的方法有冷切削和热切割两类。热切割对环境有污染,能耗高、工作效率低,而且需要去毛刺。冷切削常用的设备有铣床、刨床、车床、锯床和坡口机等。在所有的冷切削加工方法中,常使用坡口机对钢管进行坡口加工,加工的坡口端面光滑、钝边厚度均匀、坡口角度准确、钢材不易被氧化,且坡口加工速度快、效率高、成本低。坡口机加工坡口可一次加工成形,工效比其它加工机床都高,和热切割加工方法相比,坡口机加工坡口无污染环境的烟气,能耗低,而且不需要清除毛刺。随着钢管使用面越来越广,对钢管端面的坡口加工就越来越多。小管径、长度较短的钢管,端面坡口加工可在一般的车床上加工,但对于较大管径或较长的钢管的端面加工,在一般的车床上加工就比较困难。本次设计的加工对象是管径!60.32mm!273mm、管壁4.24mm15mm、管长6000mm12500mm的钢管。钢管钢级为:最高X80(700MPa),要求是将钢管端头加工成如图1所示形状,且精度要求较高。因此,根据要求我们设计了一台专用钢管管端坡口自动组合加工机床。2钢管管端加工及其精度要求(1)加工内容:角、W坡口面、钝边p以及角。(2)加工尺寸及精度要求:钝边p的尺寸公差为0.5,角度的公差为0.5,p的圆环端面平整斜度小于0.23机床总体设计方案3.1工艺方案的确定3.1.1工艺基准的选择加工钢管的定位。是用钢管的外圆面作为定位面,用两块长V型块定被加工钢管的中心,再利用一个限位挡板来定钢管的前后位置,使工件获得完全定位。3.1.2加工工艺的分析加工长度为612.5m的钢管,钢管外径规格大小不一样,并且对坡口加工有如图1的技术要求,存在下列问题需要解决:(1)钢管管口的坡口形状有多种多样,该机床设计要求加工坡口为V型,若按车床切削原理加工坡口,需固定刀具,使工件旋转,而要使长612.5m的整根钢管平稳、匀速旋转是比较困难的。摘要:针对目前加工钢管坡口方法的质量差、成本高、效率低、劳动强度大、质量难以控制等问题,设计了一种钢管管端坡口自动加工组合机床。利用该设备可实现钢管的快速装卸,可靠定位及夹紧,自动完成循环加工过程。较大地降低劳动强度,提高生产效率,为钢管的坡口加工提供了可靠的技术保证,具有良好的经济效益和应用价值。文中还给出了钢管管端加工工艺方案、机床夹具、动力头及电气-液压控制系统的设计方案。关键词:管端坡口；自动加工；组合机床中图分类号:TG502文献标识码:A文章编号:1002-2333(2008)05-0081-03TheDesignofPipeEndSlope-mouthAutomaticProcessingCombinedMachineFURong-song(ChongqingIndustryPolytechnicCollege,Chongqing400050,China)Abstract:Atthepresent,processingpipeendslope-mouthwiththeoriginalmethodisstillpoorquality,highcosts,lowerspeed,inefficient,greatlaborintensiveandcontrolqualitydifficultly.Thispaperdesignsapipeendslope-mouthautomaticprocessingcombinedmachinetosolvethisproblem.Themachinecanrealizethepipehandlingrapidly,positioningandclampingreliablyandcycleprocessedautomatically.Usingthismachineitcanreducelaborintensity,improveproductionefficiencyandqualityofthepipeendslope-mouthprocessing,withgoodeconomicbenefitsandpracticability.ThispaperpresenttheProcessingmethod,machinetoolfixture,drivinghead,electronicandhydrauliccontrolsystemdesign.Keywords:pipeendslope-mouth；auto-processing；combinedmachine81d取v=100m/min,加工管径d=60mm,主轴转速n=530r/min；加工管径d=273mm,主轴转速n=116r/min。(2)根据该机床加工的切削方式,主切削力由F=pAc=papf可算得F=7200N,因此,可推导出夹紧所需要的最小夹紧力为4Wk=WK即为45000N。所以,由液压传动装置的系统压力,选用缸径为!160mm的夹紧油缸。(3)切削功率由3Pm=Fzv6120P切=Fm机械工程师2008年第5期82解决方案SOLUTION工艺/工装/诊断/检测/维修/改造(2)刀具加工坡口时与钢管的接触面较大,其发热大,要考虑刀具的设计如何去满足加工的需要。并且,钝边有尺寸精度要求,刀具必须具有可调整性。(3)当钢管加工时,要尽量保证刀具的中心线与钢管的中心一致。如果不同心,就会造成坡口不均匀,坡口质量不符合要求。并且,容易使刀具崩刃。根据上述问题,采用卧式机床加工方案,便于送料和装夹；采用自动定心装夹,可有效解决刀具的中心线与钢管的中心线一致的问题；采用可调式机夹刀具,可保证菱边和其它加工尺寸要求,当刀片磨损,可通过更换刀片来保证坡口的加工质量；为了保证坡口形状和精度,采用钢管固定、刀具旋转进给,同时选择合适的切屑进给量。3.2机床的结构方案根据加工的特点,为实现上述工艺方案,同时考虑经济效益和生产效率,经过分析计算,机床采用图2所示结构形式。动力由电动机经联轴器传递到1NGb齿轮传动装置,再由传动装置传递到主轴,最后动力传递到刀盘,实现切削加工所需的主运动。通过液压滑台的进给运动,从而实现对钢管管端坡口的加工。其加工特点为干式加工,即不需冷却液。经制造使用结果表明,机床具有排屑方便,刚性好,结构简单,维修方便,夹紧稳定,加工尺寸及精度能够满足图纸要求。(1)切削用量根据加工节拍、加工材料,以及该机床采用硬质合金刀具,由文献2,3选用切削速度v=90100m/min,进给量f=0.150.2mm/r。主轴转速由n=1000v!一般取=0.8,算得切削功率为16kW。因此,切削电机选用22kW的交流变频电机。(4)装料中心高度:1100mm。(5)动力头用1TX50改制,使其刚性更好。(6)选有SEHY630型液压滑台,滑台台面宽度为630mm。(7)机床的规格:长3000mm宽2250mm高1900mm。3.3加工工艺设计(1)刀具选择如图3所示,根据设计要达到钢管加工的尺寸和精度要求,该机床刀具采用硬质合金机夹不重磨可调式组合刀具,在加工过程中,如果需要换刀,不进行刃磨及校正,调换刀片刃口即可继续使用。在加工不同管径的钢管时,通过调整螺钉,调节刀座的中心距离,就可实现加工管径在!60.32mm!273mm范围内任意钢管的加工。(2)机床自动加工循环示意图见图4。4机床主要部件的方案设计4.1机床夹具设计夹具必须保证钢管的正确定位和夹紧。夹紧机构是夹具的关键部件,要有合适的夹紧力保证夹紧可靠,且使工件方便、快速的装卸。根据零件的结构特点和加工要求,机床专用夹具通过90标准V型钳口使工件获得完全定位,采用浮动定心液压夹紧机构,并由弹簧销,销轴、压板、螺钉等组成一点自动定位辅助支承,如图5所示。工件放入弹簧压板沿轴向把工件压在V型块上,定位可靠,再由液压油推动活塞上行使压板压紧工件,实现定位夹紧。夹紧力作用于夹具支承面,减少工件的夹紧变型,采用液压夹紧系统,且压板可以前后移动,当装卸工件解决方案SOLUTION工艺/工装/诊断/检测/维修/改造83机械工程师2008年第5期!时,操作者只需用手一推或一拉压板,压板便可轻松地压住或离开工件,操作简单,劳动强度低,效率高,采用固定导向装置,使导向精度高。4.2动力头设计根据钢管管端坡口加工的工艺特点,主轴的刚性越高,就越能够提高机床的加工性能和加工精度。为了提高机床主轴的刚性,在设计上进行了如下改造:(1)取消滑套和锁紧装置；(2)取消滑套前后移动调整装置。因为,根据加工的实际情况,不需要刀盘作前后调整移动。通过改造制作,并打表检测,主轴刚性有所提高。5机床液压系统的设计分析液压系统必须具有可靠的运动特性,良好的速度换接性和调速特性,要求自动地完成机床的工作循环过程,机床液压系统原理图如图6所示。5.1机床的液压调速系统采用进口节流调速差动油缸控制系统,油缸断面积与活塞杆断面积之比为21,因此快进和快退速度一样。机床切削进给速度用安装在滑台上的行程调速阀作无级调速,为了使滑台运行平稳,系统还设置了特定的背压。5.2液压泵的选择控制部分的液压元件,结构紧凑。液压泵的选用是根据使用特点:快进快退时,负载小,速度快,要求油泵供油量大；工作进给时,负载压力高,进给速度慢,要求供油量小。从变量叶片泵的流量-压力特性曲线可以看出,流量随着机床负载的变化而变化,能够满足机床使用特点的要求。因此,选用变量叶片泵。5.3油温控制及压力保障由于机床在使用过程中,液压油的温度最高不得超过600C,用了沉浸式液压油冷却器,对油温的稳定起到很好的调节作用。该机床采用的是液压夹紧,为了确保机床使用过程中突然停电等情况下设备和人的安全。在液压传动装置上设计了蓄能器。停电时,夹具不会突然松开,造成危险。6机床电气控制的设计6.1主电路液压泵电动机、动力头电动机、送料电动机分别由接触器控制,欠电压或过电压保护分别实现对电动机的欠电压或过电压保护。6.2控制电路由于使用了可编程控制器PLC,可大幅度减少控制开关和继电器。加工前必须先启动液压泵电动机和PLC,启动和停止分别由控制按钮来操纵。当工作状态开关放在调整位置,就可以对机床进行调整或手动加工,将其放在自动位置,机床就进行自动加工循环。7润滑系统润滑是采用单线阻尼润滑系统。由于该组合机床的移动导轨运动比较频繁,为了有效保证各运动部件的正常工作,延长机床的使用寿命,以及可靠地保证加工精度,在该组合机床中应用的是集中润滑供油系统。该润滑系统能定时自动地给各运动部件供油,这样既能对各运动部件的润滑作用,又能够避免润滑油供给太多,产生泄漏浪费。8机床的工作过程接通电源,合上电气柜电源总闸；按下控制面板上的总启动按钮,将工作状态开关置于自动位置,按动PLC和液压启动按钮；待液压传动装置的压力升高到规定值,一切运转正常后,按下自动运行按钮,机床就实现一次自动加工循环；当自动加工循环启动后,首先动作的是限位装置；限位板移动到位后,送料电机运行,当送料装置把钢管移动到指定位置时,夹紧油缸动作,将钢管夹紧；由可编程控制器发出执行下一步指令的信号,动力头电机启动,液压滑台快进到达指定位置,转为工进；加工到位后,控制器发出信号,换向阀换向,滑台转为快退；滑台退回其始位置后,动力头电机停止,夹紧油缸自动松开；然后,送料电机启动,将加工完毕的钢管移走。这样,即完成了一个自动循环加工过程。9结语本自动加工组合机床有效地解决了钢管管端坡口的自动加工,为钢管管端坡口的自动化生产搭建了一个很好平台。经生产厂使用证实,极大地提高了加工效