新型数控车床拔料器的设计

谢敏 崔志国

【摘要】详细介绍了一种新型车床棒料拔料器的设计，实现了一次装夹完成一根棒料的加工，省去了大量的辅助时间，提高了生产效率。

【关键词】拔料器；一次装夹；提高效率

1.前言

我公司中小件生产中，很多的螺栓，螺钉等小型回转类零件都是多件下料的。每加工完一件产品工人都要进行“开门—松卡爪—拔料—测尺寸—锁紧卡爪—关门—调用程序”的操作，工件件数越多，辅助时间就越多，很不利于提高数控车床的利用率。只有解决了如何高效的备送料这个问题，才能充分发挥数控车床高精度、高效率的特点，使用数控车床自动棒料拔料器可以解决这个问题。

图1拔料器工作图

2.两种设计方案的分析

棒料拔料器的结构有很多种，结合我公司实际，现对已有的几种拔料器进行比较。第一种，结构如图1所示，这种拔料器的结构简单，加工方便，但每次拔料时都要先用切槽刀切处一个预定尺寸的槽。该拔料器开口的尺寸固定，我公司生产的小型回转类零件均属小批量生产，产品的直径尺寸变化较多。如果选用这种拔料器就需要备有很多不同开口尺寸的，使用和保存起来都很不方便。第二种，结构如图2所示，这种结构实现了开口大小可调，仅需旋转中间的一根螺杆就可调节。中间螺杆螺纹旋向不同可实现两加紧块同步调节，但要求两夹紧块对中性较好，要保证同步调节，且对中性好就要使得螺杆和夹紧块相配合的螺纹精度很高，加工难度大，总体的造价很高，不太经济。两夹紧块夹紧毛坯时时纯刚性的，这样会使拔料器各处均有很大的应力，使用寿命会比较短。比较上述两种拔料器且结合我公司实际可以得出新型的拔料器应具备以下特点，拔料器的开口大小可调，加工简单方便，对中性好，夹紧块加紧时有一定的弹性，使用方便，坚固耐用。

3.新型数控车床棒料拔料器的设计

根据我公司加工小型回转类零件棒料毛坯多件下料，产品种类多，毛坯尺寸变化多，产品均属小批量的特点，还有上述两种设计方案的分析，现在的设计方案如图3所示。这种结构能够满足我公司需求具备上述两种设计的优点。

3.1刀柄的设计：该拔料器是安装在数控车床转塔的一个到位上的，刀体刀柄截面必须符合标准，由于拔料时所需的力不是很大所以选择25mm×25mm的刀柄。

3.2刀体和滑块配合导轨形式的选择：滑动导轨的形式有很多种。导轨形式的选择很大程度上决定了加工的难度和整个拔料器的造价。最常见的导轨组合形式有双矩形、双燕尾、矩形和燕尾根据《机械设计手册》常见的导轨组合形式、特点及应用，现选择双燕尾型导轨。这种结构导向性较好，完全能够满足滑块导向的需要。各个配合面的粗糙度均为Ra3.2，完全可以用数控线切割割出，成本较低，加工质量容易保证。刀体尺寸的确定。刀体尺寸决定了拔料器开口的调节范围。根据棒料直径变化范围确定拔料器开口的调节范围，然后确定刀体的长度为180mm。最终可得该拔料器的的开口调节范围是3.16mm～85mm。为使整个装置比较小巧，确定刀体横截面尺寸为30mm×40mm。开口尺寸靠螺纹调节，这种调节方式确保了开口尺寸连续可调，为降低制造成本采用的是两个短螺柱调节，这就使得螺柱的制造精度不必和图2方案中的螺柱精度那样高。两短螺柱分别调节保证开口尺寸也带来了一些不便，两夹紧块不能同步调节对中性就会较差。为了解决这一问题可以在刀体的一侧刻线，这样在调节开口大小时对中性可以保证，而且开口尺寸大小一目了然，方便使用。

3.3弹簧板设计：弹簧板采用60Si2MnA弹簧钢制造，查材料手册知该材料热轧条钢的屈服强度b=1275MPa。根据棒料直径确定拔料器开口尺寸。一般情况下，开口尺寸要比棒料直径小1～2mm，可以根据实际情况调节。取棒料毛坯直径为d，拔料器开口大小为a，计算弹簧板的夹紧力。由于棒料材料的不同，被两垫块卡进的深度也不同，计算中取棒料被两垫块各卡进Xmm，计算中取0.6mm。弹簧板的形变量为（2-X）/2mm（参见图4）。相对于长度尺寸，弹簧板的形变量很小，可以忽略不计。因此只需校核该拔料器能拉拔棒料的最大重量即可。在拉拔棒料的过程中，螺纹所受的是纯剪切。最大剪切许用应力与许用拉应力的关系是[τ]=0.6～0.8[σb]计算中取 [τ]=0.6 [σb]。

Fmax≤[τ]×S 式中S为每个齿的剪切面积

S=2a （a=R×Sinθ——θ=arccos（R-X）/R）

棒料材料假设为45钢，其[σb]为200MPa。因棒料的直径越大，刚性越好，棒料所取的长度就可以更长，质量就可以更大因此，以该拔料器能够拉拔棒料的最大直径来进行校核计算，取棒料的最大直径为85mm。将所有数据代如上式可以计算的到Fmax≤2848N。上下两块垫板上各有22相同的齿，这样就可以计算出该拔料器能够拉拔最重棒料是所用的力为F=44×Fmax=125312N。棒料在车床主轴孔中是滑动摩擦的，滑动摩擦因数取0.5，滑动摩擦力f=F。

f=M×g×μ可知，Mmax =f/gμ=F/gμ=25062.4Kg

为了使用安全将上面所求的M值，确定安全系数为0.01，即最大可以拉拔棒料质量是250.62Kg。直径85mm长1000mm的45钢棒料质量是44.2Kg，比较可知，该把拔料器完全满足使用要求。

4.使用及验证

4.1棒料长度的确定：由于在棒料毛坯的后端无支撑，因此棒料不能太长，否则会引起棒料的震颤，从而影响车床车削零件的精度。棒料长度与棒料的直径和材料的密度有关，一般情况下棒料的长度应该小于500mm。当棒料的直径较大时可以取较长的棒料，棒料的材料密度较小时也可以取较长的棒料；当棒料的直径较小时应该取较短的棒料，太长会使棒料后端下垂，增大震颤，棒料的密度较大时应该取较短的棒料。棒料的最佳长度已根据实际情况试切确定。

图4简化图

4.2使用方法：先将开口尺寸按棒料的直径调节好，注意按刀体刻线对中，将拔料器安装在车床的一个刀位上，使用时按调用刀具来调用拔料器使用。

4.3验证：在CAK6136数控卧式车床上加工M20×45的内六角螺钉，该机床主轴孔径是Φ52mm，系统是FANUC-0T，控制车床卡抓夹紧/松开的指令是M10/M11。使用毛坯为φ45的棒料5件一起下料，工人只需在一次装夹棒料，调整好棒料的伸出长度、对刀并且按实测拔料长度修订程序，使拔料长度误差在0.5mm以内，启动程序即可。每加工完一件产品机床自动进行“松卡爪—拔料—锁紧卡爪—调用程序”的操作。该拔料器满足了连续加工的要求，单件零件的加工的辅助时间比以前减少了2～3分钟。

5.结论

该拔料器的使用节省了大量的机床辅助时间，而且减轻了工人的劳动强度，实现了工人一次装夹完成一根棒料的加工，在批量生产中很大幅度的提高了生产效率。拔料器的开口大小可调，使用方便，可以适用于多种不同直径的棒料的加工。组成拔料器的各零件均制造简单，加工成本很低，易磨损的零件垫块更换方便。该拔料器的设计思想和应用为其它数控机床工具的研制确定了指导思想，可以为其他NC工具的研制所借鉴。

参考文献

[1]《机械设计手册》机械工业出版社（2004-09出版）

[2]刘鸿文 主编.《材料力学》第四版.高等教育出版社