PCR130冷辗机的结构设计

魏銮，杨建玺，李丹

(1.河南科技大学，河南 洛阳 471003；2.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

精密冷辗技术是在常温下对环形回转类零件进行挤压产生塑性变形而得到所要求形状和精度的一种冷加工成形方法，是机械精密轧制技术与精密塑性成形技术的集成创新，具有显著的节能、节材、降低生产成本和提高零件性能等突出优势[1-2]。冷辗压工艺对精密冷辗机的要求较高，要求冷辗机的辗压力大，刚性好，导向精度高；有可靠的过载保护装置；能提供合适的辗压速度；具有对模具进行润滑冷却的装置。

1 PCR系列冷辗机特点[3]

PCR系列冷辗机为洛阳轴研科技股份有限公司开发设计的开式冷辗机，其将冷辗、整径融为一体，并重点提高了设备的稳定性、可靠性和适用性，与国内外同类设备相比，具有效率高、加工精度高、使用方便等诸多优点，是一种高性能的冷辗机。其具有冷辗-整径联动和冷辗、整径单独工作模式；机床采用液压驱动，PLC控制；工件尺寸和主滑块位置由光栅检测；具有冷辗、整径压力检测和保护功能；人机界面采用大尺寸彩色触摸屏，人机交流方便；可预存20个型号的工艺参数。

PCR系列冷辗机采用锻件或管材制坯，经辗扩制成直径较大的套圈毛坯，然后经过整径，获得满足尺寸要求的环形件。其工作原理如图1所示，主传动带动辗轮旋转，心轴插入工件孔后，由进给装置通过支承轮推动心轴将工件压向辗轮，从而实现工件的辗压加工。

1—辗轮；2—圆度辊；3—毛坯；4—心轴；5—支承轮；6—测头；7—光栅尺

2 PCR130冷辗机结构特点及关键部件设计

2.1 结构特点

PCR130冷辗机是在已有型号机床结构的基础上改造设计出的新机型，机床结构布局如图2所示，主要由主轴及圆度辊、心轴、支承轮、滑块、主油缸、测量仪、机械手、床身、主传动、整径机及外罩等部件组成。

1—机架；2—主轴单元；3—机械手；4—心轴；5—支承轴；6—测量单元；7—主滑块；8—主油缸；9—搭钩装置；10—圆度部件

PCR130冷辗机采用C型机架、卧式结构，最大限度地节约空间，机架材质选用高标号球墨铸铁QT600-3，整体刚性好，精度保持性好；机械上下料系统可随时加入生产线，机械手上料十分灵活[4]。

由于PCR130机床的加工范围更大(外径45～130 mm)，为了提高可靠性和适用性，重点对机械手、心轴、主滑块导轨和整径机部分进行了结构的优化设计，其他部件(单元)与已有型号同类部件结构相似，只是尺寸有所变化。

与同系列冷辗机相对比，PCR130冷辗机主要结构特点如下：

(1)机械手摆块采用导向杆与压缩弹簧，摆动角度范围更大；机械手整体落于带长孔的底座上，可以前后、左右调节，使机床加工范围扩大、通用性增强。

(2)心轴改为前穿料形式，更利于操作和维修。

(3)主滑块矩形导轨改为直线导轨，且主滑块与心轴单元安装于同一直线导轨上，小滑块安装于小直线导轨上，前后位置变化通过在直线导轨上移动来实现。导轨结构的改进使位移测量更加精确，从而提高了产品的加工精度。

(4)整径机通过更换模具可分别对工件内径和外径进行整形，使用了油缸摆杆上料和不同加工方式同一出料口出料的方式，适用范围更广。

2.2 机械手

机械手是机床的上料装置，要求上料灵活，上料位置准确，并且下料后机械手能及时复位。以往采用的机械手摆块下料后，摆块靠拉伸弹簧复位，对于尺寸较大的工件，拉伸弹簧变形大易损坏，摆动角度受限制。

改进设计的PCR130冷辗机机械手结构如图3所示。机械手爪安装在摆块上，摆块安装在机械手架内的轴系装置上，机械手架通过连接块和连接螺母与油缸的活塞杆相连；机械手摆动机构中采用压缩弹簧和导向杆结构，压缩弹簧底端嵌入一球头杆作为导向并安装在机械手架的深孔内，球头杆可以使弹簧压缩时随压力自动调节方向；弹簧另一端安装在摆块上的侧面孔内，工件滚下推动摆块摆动，弹簧压缩，下料后依靠弹簧反力复位，导向螺钉保证了摆块能回到初始位置。另外，PCR130机械手增加了带长孔底座(图4)，使机械手整体可以左右调整，满足了不同尺寸工件的加工要求，使机床适用范围更广。

1—导向螺杆；2—压缩弹簧；3—球头螺杆；4—摆块；5—机械手爪；6—工件；7—机械手架；8—轴系；9—连接块；10—连接螺母；11—油缸活塞杆

图4 PCR130机械手底座示意图

实践证明，PCR130机械手的结构比较稳定，弹簧不易损坏，更适合大尺寸工件的上下料。

2.3 心轴

原PCR系列冷辗机运动时，油缸活塞杆通过连接板带动后小滑块内整个部件沿导杆运动，从而带动心轴从后至前穿料，心轴后穿料结构在使用中存在调整、维修不便的弊端。因此， PCR130冷辗机采用心轴前穿料结构，如图5所示。

1—支承座；2—深沟球轴承；3—后座；4—心轴；5—前座；6—组合轴承；7—固定座；8—调整手轮；9—滑座；10—小直线导轨；11—滑台底板；12—大直线导轨；13—油缸

PCR130冷辗机心轴后端采用1对深沟球轴承，前端采用1对滚针推力球组合轴承，轴承均采用脂润滑。心轴与主滑块共用1对直线导轨，心轴整体通过滑台底板置于导轨上，可左右移动。心轴前端安装在心轴固定座上，固定座通过滑座固定于滑台底板的小直线导轨上，由油缸驱动，心轴可随滑座在导轨上前后运动，完成从前向后穿料的动作；转动心轴前端调节座的手轮，通过调节螺杆调整心轴安装座的前后位置，从而调整心轴的轴向位置，使心轴型槽轴向位置与辗轮型槽对中。此种结构的心轴部件，前后、左右均可独立运动，更利于操作和维修。

2.4 主滑块

滑块的进给精度直接决定辗扩产品的质量，滑块进给精度的误差反映在产品的尺寸误差上将会扩大几倍，所以保证滑块的定位精度非常关键。

已有型号PCR冷辗机都采用球墨铸铁制造的矩形导轨，耐磨性好但精度不高。PCR130冷辗机主滑块导轨采用直线导轨。直线导轨作为一种精密直线导向部件具有承载大、精度高、磨损低、可靠性高及标准化等优良特性；与滑动导轨相比，摩擦阻力大幅度降低；动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度；能实现高定位精度和重复定位精度；成对使用时具有“误差均化效应”，从而降低导轨安装面的加工精度，降低基础件的机械制造成本与难度[5]。

如图6所示，PCR130冷辗机的滑块体由6个M20螺钉及1个回转销与动导轨板连接，通过动导轨板整体安装在直线导轨滑块上。松开6个M20螺钉时，调整2个M8螺钉能使滑块体相对动导轨旋转，用以调节辗扩工件锥度， 动导轨侧面有4个螺钉用于定位导轨块；搭钩结构与心轴单元连接，使主滑块与心轴既可以同步运动也可以相互独立运动。直线导轨结构使位移测量更加精确，从而提高了产品精度。

1—直线导轨；2—动导轨板；3—搭钩装置；4—滑块体；5—调锥度螺钉；6—定位螺钉；7—滑块；8—销轴

2.5 整径机

PCR130整径机结构设计主要是为了适应客户所使用模具的安装要求，整径机主体由整径缸、整径模、挡料杆、凸模、挡料块、前后支架板、连板、进料底板、导板、导杆、导套等组成。其中，整径模、凸模、挡料块为更换件。目前行业内使用的整径机多为一台设备只能实现一种功能，即只能完成对套圈外径或内径的整形。PCR130整径机的突出优势是在同一台设备上通过更换工装可以分别完成套圈内径和外径的整形。整径机结构如图7、图8所示。

1—拉杆；2—上料摆臂装置；3—上料板；4—挡料杆；5—导杆；6—连板；7—导套；8—前支架板；9—整外径过渡套；10—整外径模具；11—挡料块；12—凸模；13—导板；14—后支架板；15—整径油缸；16—上料道；17—下料道；18—出料道；19—上料油缸

图8 PCR130整径机整内径工装结构示意图

整径机上料时，由上料摆杆带动工件进入待整工位(上料装置由上料摆杆、上料托板和上料挡板组成)，上料摆杆与转轴的一端相连，转轴另一端与转臂相连，油缸驱动转臂左右摆动从而带动上料摆杆上下料，工作时适当调整上料装置，使工件顺利进入整径模。

整径机整内径时，不需要挡料杆和挡料块，拆下即可；更换过渡套，按顺序安装3块整内径专用夹具；通过整内径转换接头将内径凸模连接在油缸活塞杆上。

整径机整外径出料时，工件从整外径出料道滑入下料道出料；整内径出料时直接从下料道出料。即无论整外径还是内径都从同一下料道出料，机罩出料口也只需一个，简化了结构。

3 技术参数

PCR130冷辗机现已试制成功并投入生产，机床实际技术指标见表1。

表1 PCR130冷辗机技术参数

通过实际生产验证，PCR130冷辗机满足了机床高可靠性、工装快速更换的要求，结构更加优化，与同系列机床相比，操作和维修更加方便，稳定性和适用性均满足实际需求。