（机械电子工程专业论文）管螺纹加工机床的研制.pdf

大连理工大学硕十学位论文 摘要 随着国内油井管市场的需求剧增，我国出现了国外进口机床与国内研制专业机床并 存的局面。鉴于生产大尺寸a p i 管螺纹的进口机床价格昂贵及目前国内现有机床不能满 足生产需求的现状，应天津卡普林热处理有限公司的要求，本文对大直径管螺纹加工机 床进行设计研究，主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 本文对机床进行整体方案设计，确定机床的总体布局及机床参数( 外形尺寸、 主轴转速、x 轴和z 轴的最大行程等) ；利用p o e n g i n e e r 的分析功能对机床模型进 行干涉检查，并对机床的加工过程进行运动仿真，获取刀尖点处的位移时间图，结果 表明能够满足公司设计要求。 ( 2 ) 对机床重要部件夹具的设计思路、结构特点及工作原理等进行详细介绍。 该夹具采用电磁吸盘作为动力源，并采用聚氨酯橡胶套作为夹紧元件，具有结构紧凑、 容易控制、夹紧可靠且不易划伤工件外表面等优点。基于聚氨酯橡胶的自身特点，采用 非线性接触大变形的分析方法，利用a n s y s 软件对夹紧元件的可行性及可靠性进行分 析。结果表明：当加载5 0 k p a 压力时聚氨酯橡胶套与工件之间产生的静摩擦力足以将工 件夹紧，且夹紧可靠、工件整体变形不大。 ( 3 ) 对夹具箱体进行了模态分析，获得夹具箱体前1 0 阶固有频率。对比工作频 率和安全频率证明夹具箱体的低阶固有频率满足安全冗余要求；对床身进行了静力分 析，结果表明床身满足刚度要求。 ( 4 ) 对机床的伺服系统进行了选型计算。进给机构均采用直线电机，并根据电机 功率和精度要求选取了伺服驱动器和编码器；根据螺纹切削力计算公式估算出了切削 力，通过计算切削力得出机床的切削功率，并根据转速和功率选取了合适的车削电主轴。 关键词：管螺纹加工机床；整体方案；运动仿真；夹具设计；模态分析 管螺纹加工机床的研制 t h e d e s i g no fo c t gt h r e a d i n gm a c h i n e a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ed e m a n do fo i lc o u n t r yt l l b u l a rg o o d s ( o c t g ) ，as i t u a t i o nt h a t o c t g t h r e a d i n gm a c h i n e sa r ei m p o r t e df r o ma b r o a da n dd e s i g n e di n l a n dh a sb e e na r i s e n a s t h ei m p o r t e dm a c h i n e sa r ee x p e n s i v ea n dt h ed o m e s t i cm a c h i n e sc a n n o tm e e tt h ep r o d u c t i o n r e q u i r e m e n tc u r r e n t l y , o c t gt h r e a d i n gm a c h i n ew a sd e s i g n e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r b yt h er e q u e s to f t i a n j i nc o u p l i n gh e a tt r e a t m e n tc o ，l t d ( 1 ) w h o l es c h e m eo ft h em a c h i n ew a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t l l el a y o u ta n dt h e m a c h i n ep a r a m e t e r ss u c ha so v e r a l ld i m e n s i o n s s p i n d l es p e e da n dm a x i m u ms t r o k e so fxa n d za x i sw e r ed e t e r m i n e d ：t h ei n t e r f e r e n c ed e t e c t i o nw a sd o n eb yp r o e n g i n e e r ；t h e d i s p l a c e m e n t - t i m es i g n a t u r eo ft o o ln o s ew a so b t a i n e d 姗r d i n gt om o t i o ns i m u l a t i o n , a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wa g r e e m e n tw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n to f t h ec o m p a n y ( 2 ) t h ed e s i g ni d e a , s t r u c t u r a lf e a t u r e sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ef i x t u r e ，a so n eo f t h em a c h i n e , w e r ei n t r o d u c e d d r i v e nb yt h ee l e c t r o - m a g n e t i cc h u c ka n du s i n gt h e p o l y u r e t h a n er u b b e rs l e e v ea st h ec l a m p i n ge l e m e n t , t h ef i x t u r eh a sc o m p a c ts t r u c t u r e ，i se a s y t oc o n t r o l ，c l a m p sw o r k p i e c er e l i a b l ya n di sl e s sl i k e l yt os c r a t c ht h es u r f a c eo ft h ew o r k p i e c e b a s e do nt h es e l f - c h a r a c t e r so fp o l y u r e t h a n em b b e ra n da d o p t i n gt h en o n l i n e a rc o n t a c t i n g l a r g ed e f o r m a t i o nm e t h o d ，t h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ef i x t u r ew e r ea n a l y z e db y a n s y s 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i cf r i c t i o np r o d u c e db y5 0k p ac l a m p i n gl o a d b e t w e e nt h ep o l y u r e t h a n er u b b e rs l e e v ea n dt h ew o r k p i e c ei s e n o u g ht of i xt h ew o r k p i e c e f i r m l yw i t hl i t t l ed e f o r m a t i o n ( 3 ) t h ef i r s tt e no r d e rn a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h ef i x t u r eb o xw e r eo b t a i n e db ym o d a l a n a l y s i s 1 h ec o m p a r i s o nb e t w e e nw o r k i n gf r e q u e n c ya n ds a f e t yf r e q u e n c yd e m o n s t r a t e st h a t l o wo r d e rn a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h ef i x t u r eb o xm e e tt h er e d u n d a n tr e q u i r e m e n tf o rs a f e t y i n a d d i t i o n ，i ti sp r o v e dt h a tt h eb o d ym e e t sr i g i d i t yr e q u i r e m e n tb ys t a t i ca n a l y s i s ( 4 ) t h et y p es e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o no fs e r v os y s t e mw e r ec o m p l e t e d t h el i n e a r m o t o r sa sf e e dm e c h a n i s mw e r ec o n f i g u r e d ；t h es e r v od r i v e sa n de n c o d e r sw e r es e l e c t e d a c c o r d i n gt ot h em o t o rp o w e ra n dr e q u i r e dp r e c i s i o n 1 1 1 ec u t t i n gf o r c ew a se s t i m a t e db yt h e f o r m u l ao fs c r e wc u t t i n gf o r c e ，a n dt h ec u t t i n gp o w e rw a sd e r i v e da c c o r d i n gt ot h ec o m p u t e d c u t t i n gf o r c e a tl a s t ，ap r o p e re l e c t r o s p i n d l ew a sd e t e r m i n e db a s e do nt h es p i n d l es p e e da n d c o m p u t e dc u t t i n gp o w e r 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：o c t gt h r e a d i n gm a c h i n e ；o v e r a l lp l a n ；m o t i o ns i m u l a t i o n ； d e s i g n i n go ff e a t u r e ；m o d a la n a l y s i s 1 1 1 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题艮- 二垡哮强鬯多丑乏夺司器壶殍垒丛生_ 一 作者签名：釜熟 。日南：竺茸年且月_ 日 导师签名： 幺墨! 日期： 西年世月4 啦日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 选题背景和意义 制造业是国家综合国力的表征之一，更是生物医学、能源交通、航空航天等工业和 研究领域的基础，它的每一次飞跃都给人类社会带来了深远的影响。近年来，随着信息 技术、计算技术、微电子技术等高新技术的不断发展和需求，制造业领域也发生了深刻 的变化。以c i m s 为代表，相关的先进制造技术不断推陈出新，如柔性制造、并行工程、 敏捷制造等，而作为先进制造技术的基础设备数控机床的完善和创新也一直是人们 关注的焦点之一。 数控机床主要用于汽车、飞机、电力、船舶和车辆等工业领域，另外，一些新兴的 高科技项目，如现代医药产业、数字通讯技术、微电子器件及机电一体化产品等，都需 要数控机床来武装。数控机床的制造和应用水平严重制约着这些相关领域的发展，尤其 在我国，随着经济的不断发展，各厂家越来越清楚地认识到：产品质量是企业在激烈的 国际竞争中生存的根本。数控机床制造行业和以数控机床作为载体的多行业从自身出发 不约而同的对数控机床的精度和效率提出了更高的要求。从第十一届中国国际机床展览 会来看，机床行业的未来发展趋势是：高速化、高精度化、复合化、高技术含量以及环 保化【l 弓】，其中高速、高效和高精度是2 1 世纪制造业的基本要求，高速只是高效的一个 方面。 尽管我国机床行业已取得了长足的进步，但与国外机床相比，还是有相当的差距。 我国数控机床按照技术的先进程度大致可分为：经济性、普及型和高级型。其中，经济 型数控机床的生产一直占有相当的比重；普及型数控机床则在9 0 年代得到了突破，是当 前我国市场需求的主体；高级型数控机床虽然价格比较高，却是将来发展的趋势和潮流。 管螺纹加工机床属于专用高效的特殊机床【4 巧】，完全不同于普通通用机床，对这种 机床的技术要求主要表现为：( 1 ) 高切削效率；( 2 ) 高自动化；( 3 ) 高加工精度。 目前，由于国际石油价格持续高价位增长，大大推动了世界范围内对石油、天然气的开 发。随着国内油井管市场需求的剧增，我国出现了一轮从外国大量进口管螺纹加工机床 和国内研究制造管螺纹专用机床的局面。鉴于进口机床价格昂贵及目前国内管螺纹加工 机床不能满足大直径管螺纹加工的问题，应天津卡普林热处理有限公司的要求，对大直 径管螺纹加工数控机床进行了研制。 1 2 螺纹加工方法概述 在工件上加工内、外螺纹的方法，主要有切削加工和滚压加工两类。 管螺纹加工机床的研制 ( 1 ) 螺纹切削一般指用成形刀具或磨具在工件上加工螺纹的方法，主要有车削、 铣削、攻丝、套丝、磨削、研磨和旋风切削等。车削、铣削和磨削螺纹时，工件每转一 转，机床的传动链保证车刀、铣刀或砂轮沿工件轴向准确而均匀地移动一个导程。在攻 丝或套丝时，刀具( 丝锥或板牙) 与工件作相对旋转运动，并由先形成的螺纹沟槽引导 着刀具( 或工件) 作轴向移动。 ( a ) 车外螺纹( b ) 车内螺纹 图1 1 螺纹车削 f i g 1 1 t h r e a dc u t t i n g 在车床上车削螺纹可采用成形车刀或螺纹梳刀。用成形车刀车削螺纹，由于刀具结 构简单，是单件和小批生产螺纹工件的常用方法；用螺纹梳刀车削螺纹，生产效率高， 但刀具结构复杂，只适于中、大批量生产中车削细牙的短螺纹工件。普通车床车削梯形 螺纹的螺距精度一般只能达到8 9 级( 3 8 2 8 8 6 8 1 ，下同) ；在专门化的螺纹车床上加 工螺纹，生产率或精度可显著提高。 ( 2 ) 螺纹铣削在螺纹铣床上用盘形铣刀或梳形铣刀进行铣削。盘形铣刀主要 用于铣削丝杆、蜗杆等工件上的梯形外螺纹；梳形铣刀用于铣削内、外普通螺纹和锥螺 纹，由于其为多刃铣刀铣削，其工作部分的长度又大于被加工螺纹的长度，故工件只需 要旋转1 2 5 1 5 转就可加工完成，生产率很高。螺纹铣削的螺距精度一般能达8 9 级， 表面粗糙度为r 5 0 6 3 微米。这种方法适用于成批生产一般精度的螺纹加工或磨削前的 粗加工。 一2 一 大连理工大学硕七学位论文 ( a ) 盘形铣刀铣削 ( b ) 梳铣刀铣削 图1 2 螺纹铣削 f i g 1 2 t h r e a dm i l l i n g ( 3 ) 螺纹磨削主要用于在螺纹磨床上加工淬硬工件的精密螺纹。按砂轮截面形 状不同，螺纹磨削分为单线砂轮和多线砂轮磨削两种，如图1 3 所示。 ( a ) 单线砂轮磨削 ( b ) 多线砂轮磨削 图1 3 螺纹磨削 f i g 1 3t h r e a d 酣n d i n g 单线砂轮磨削能达到的螺距精度为5 “级，表面粗糙度为r 1 2 5 , - , 0 0 8 微米，砂轮修整 较方便。这种方法适用于磨削精密丝杠、螺纹量规、蜗杆、小批量的螺纹工件和研磨精 密滚刀。多线砂轮磨削又分纵磨法和切入磨法两种。纵磨法的砂轮宽度小于被磨螺纹长 度，砂轮纵向移动一次或数次行程即可将螺纹磨到最后尺寸。切入磨法的砂轮宽度大于 被磨螺纹长度，砂轮径向切入工件表面，工件约转1 2 5 圈就可磨好，生产率较高，但精 度稍低，砂轮修整比较复杂。切入磨法适用于研磨批量较大的丝锥和磨削某些紧固用的 螺纹。 管螺纹加t 机床的研制 ( 4 ) 螺纹研磨用铸铁等较软材料制成螺母型或螺杆型的螺纹研具，对工件上 已加工的螺纹存在螺距误差的部位进行正反向旋转研磨，以提高螺距精度。淬硬的内螺 纹通常也用研磨的方法消除变化，提高精度。 ( 5 ) 攻丝和套丝分别如图1 4 和图1 。5 所示，攻丝是用一定的扭矩将丝锥旋入 工件上预钻的底孔中加工出内螺纹；套丝是用板牙在棒料或管料工件上切出外螺纹。攻 丝或套丝的加工精度取决于丝锥或板牙的精度。加工内、外螺纹的方法虽然很多，但小 直径的内螺纹只能依靠丝锥加工。攻丝和套丝可用手工操作，也可用车床、钻床、攻丝 机和套丝机。 工件丝锥 图1 4 丝锥攻丝 f i g 1 4 t h r e a dt a p p i n g | _ 一 图1 5 板牙套丝 f i g 1 5 t h r e a dc h a i n g ( 6 ) 螺纹滚压用成形滚压模具使工件产生塑性变形以获得螺纹的加工方法。螺 纹滚压一般在滚丝机、搓丝机或在附装自动开合螺纹滚压头的自动车床上进行，适用于 大批量生产标准紧固件和其它螺纹联接件的外螺纹。滚压螺纹的外径一般不超过2 5 毫 米，长度不大于1 0 0 毫米，螺纹精度可达2 级( g b l 9 7 6 3 ) ，所有坯件的直径大致与被 加工螺纹的中径相等。滚压一般不能加工内螺纹，但对材质较软的工件可用无槽挤压丝 锥冷挤内螺纹( 最大直径可达3 0 毫米左右) ，工作原理与攻丝类似。冷挤内螺纹时， 所需扭矩约比攻丝大1 倍，加工精度和表面质量比攻丝略高。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 螺纹滚压的优点是：表面粗糙度小于车削、铣削和磨削；滚压后的螺纹表面因冷作 硬化而能提高强度和硬度；材料利用率高；生产率比切削加工成倍增长，且易于实现自 动化：滚压模具寿命长。但滚压螺纹要求工件材料的硬度不超过h r c 4 0 ；对毛坯尺寸 精度要求较高；对滚压模具的精度和硬度要求也高，制造模具比较困难；不适于滚压牙 形不对称的螺纹。 按滚压模具的不同，螺纹滚压可分搓丝和滚丝两类。 搓丝两块带螺纹牙形的搓丝板错开1 2 螺距相对布置，静板固定不动，动板 作平行于静板的往复直线运动。当工件送入两板之间时，动板前进搓压工件，使其表面 塑性变形而成螺纹。 图1 6 搓丝 f i g 1 6 t h r e a dr o l l i n g 滚丝有径向滚丝、切向滚丝和滚压头滚丝3 种。 固定滚丝轮 工件 固定滚丝轮 支承 图1 7 径向滚丝 f i g 1 7 r a d i a lp r e s s e dt h r e a d 管螺纹加jr ：机床的研制 中央滚丝轮 出料口 图1 8 切向滚丝 f i g 1 8t a n g e n t i a lp r e s s e dt h r e a d 径向滚丝：2 个( 或3 个) 带螺纹牙形的滚丝轮安装在互相平行的轴上，工件放在 两轮之间的支承上，两轮同向等速旋转，其中一轮还作径向进给运动。工件在滚丝轮带 动下旋转，表面受径向挤压形成螺纹。对某些精度要求不高的丝杠，也可采用类似的方 法滚压成形。 切向滚丝：又称行星式滚丝，滚压工具由1 个旋转的中央滚丝轮和3 块固定的弧形 丝板组成。滚丝时，工件可以连续送进，故生产率比搓丝和径向滚丝高。 滚压头滚丝：在自动车床上进行，一般用于加工工件上的短螺纹。滚压头有3 4 个 均布于工件外周的滚丝轮内。滚丝时，工件旋转，滚压头轴向进给，将工件滚压出螺纹。 图1 9 滚压头滚丝 f i g 1 9 p r e s s e dt h r e a db yr o l l e r 管螺纹加工机床可以借鉴上述现有的内、外螺纹的i j n - r 方法和机床结构进行改造和 大连理工大学硕士学位论文 设计。 1 3 管螺纹加工机床的发展现状 1 3 1国外管螺纹a n t 机床的发展现状 目前，世界各国主要执行的螺纹管产品技术标准是美国石油学会的a p i 标准【6 】。对 于管螺纹加工机床来说，如果加工美国a p i 石油学会标准规定的圆螺纹、偏梯形螺纹， 则要求在很短的时问内，在机床上完成大批量地同规格、同等级、同类型的油井管管螺 纹切削所需要进行的车外圆、车螺纹、平端面、倒内外棱等工序，因此对机床的切削效 率提出了很高的要求。尽管管螺纹加工对机床的其他功能和所需的工序要求不多，相对 并不复杂，但是对加工速度、切削效率却要求较高。近十几年来，国外管螺纹加工机床 设计制造技术在不断发展，具体表现在以下几个方面：多刀架，多刀位、多轴控制。 全自动；快速上卸料，快速定位，高效，专用；在高压大流量冷却条件下高速切 削，强力切削：充分满足特殊螺纹加工的多种需要。 总体来讲，国外管螺纹加工机床经过几十年发展基本已形成比较固定的模式，属于 相对比较成熟的机床产品，并逐步形成了几家专业化的典型的设计制造厂，主要是美国 p m c 公司、比利时高力耐公司、德国m e e r 公司等。 美国p m c 公司是一家专门设计制造管加工设备的公司，历史悠久，经验丰富，在管 加工设备制造上具有独到之处。p m c 公司设计制造的管加工设备具有以下特点【7 】： ( 1 ) 所有的p m c 机床都采用工件固定、刀具旋转的加工方式。p m c 公司是这种新 型结构的管加工设备的开拓者，第一台钢管固定、刀具旋转的管体车丝机于1 9 4 5 年问世， 第一台接箍车丝机建于1 9 6 0 年，而第一台钢管固定的切管机于1 9 6 3 年被制造出来。 ( 2 ) p m c 机床既可采用高速钢刀具又可采用碳化钨刀具。 ( 3 ) 机床的主轴均安装在重载的精密耐磨轴承中，从而保证加工精度。 ( 4 ) 机床的主轴由变速范围大的直流电机传动，并由最现代的电控设备进行控制。 p m c 公司于1 9 8 3 年首次采用计算机数控技术，第一台c n c 管体车丝机( 4 7 0 型) 和第一 台c n c 接箍车丝机( 10 0 7 型) 均产于1 9 8 3 年。 ( 5 ) 机床的床身都装有淬硬并研磨过的可以更换的衬垫，使用寿命长又容易维修。 ( 6 ) 机床部件如卡盘、主轴箱和床身等用铸钢件或厚铁板焊接制造，从而提高机 床的整体刚性。 ( 7 ) 所有卡紧装置的移动部件都在卡住工件以后锁紧，在加工过程中不产生任何 松动，保证了加工精度。 管螺纹加t 机床的研制 ( 8 ) 采用不同而有效的方式冷却刀具，以达到提高刀具寿命的目的。切管机上使 用雾化乳化液，而车丝机则使用高压乳化液注流进行刀具冷却，同时起到断屑的作用； 乳化液系合成材料，而不是油性乳化液，不会因细菌繁殖而发臭。 ( 9 ) 接箍加工机床设计成组合式设备，通过回转的转塔将上下料工位、镗孔工位 和车丝工位连成一体，使生产连续化，同时可以按照产品的要求设计成3 工位、4 工位或 者5 工位的接箍加工机床。 ( 1 0 ) 在步进梁台架上所有的与钢管接触的表面，如辊道、拨料杆等都用包敷人 造橡胶，既可以减轻噪音又可以提高这些工作表面的使用寿命。 ( 11 ) 在运输设备中采用一种独特的链式缓冲台架，它可以使钢管分开、不会冲 撞。 美国p m c 公司采用的加工管体的方式是管体不动，刀具旋转进给，而法国克里丹公 司、德国曼内斯曼公司、比利时的高力耐公司等采用刀具直线进给、管体旋转的切削方 式，他们目前设计制造的机床大都是采用多刀多刃强力切削技术，增加了刀台和刀位数 量，提高机床主轴电机的功率以及转速，改进辅助功能加快进料，完善钢管夹紧系统， 采用强制制冷系统，大大提高了管螺纹加工机床的生产效率。 除了上述几家公司之外，虽然还有其他一些也能够提供管螺纹加工机床的厂家，如 美国的英格索尔，日本的大隈、森精机、马扎克，韩国的大宇等公司，但大都是在通用 机床的基础上改进而成的，没有钢管的快速夹紧、快速定位系统；没有辅助夹紧及内支 撑系统；没有多刀架、多刀位的刀具系统；没有快速上卸料的辅机系统。所以，其加工 效率、自动化程度、专业化水平等都与上述专业化管螺纹机床制造厂的产品存在较大的 差距。 1 3 2 国内管螺纹加工机床的发展现状 我国现在生产数控车丝机床的企业大多数都是以加工外螺纹为主，虽然也有生产管 螺纹加工机床的单位，但是大部分都是在通用机床的基础上进行改造，其加工效率、自 动化程度、专业化水平等与国外均有较大差距。 国内管螺纹设备生产厂和研究所以及研究院校主要有：沈阳机床厂、太原重型机械 厂、太原矿机械厂和西安重型机械研究所以及钢铁研究总院钢管研究室、重庆钢铁设计 研究院等【8 】。尽管钢管加工机床国产化比较晚，但是发展速度很快。 沈阳自动机床厂与东北大学和中国科学院沈阳计算技术研究所合作，研制成了 s z 2 0 3 型、s z 2 0 8 型数控管螺纹自动机床和s z 2 0 5 型数控管螺纹接箍车丝机床【9 】，三 种新型机床均采用装有刀具的数控平旋盘( 专利产品，专利号z l 9 8 2 3 8 5 2 3 4 ) ，加工时， 大连理i ：人学硕十学何论文 安装在平旋盘滑板上的刀具随着平旋盘旋转，并可沿着x 轴方向运动，实现了两坐标联 动的加工方式，而工件并不旋转，从而克服了常规管螺纹车床的缺点，实现了技术上的 重大突破，使我国管螺纹加工设备提高到一个新的水平。 针对国家急需油井管的情况i l ”，钢铁研究总院钢铁研究室协助原冶金部撰写立项和 可行性报告，申请国家立项并参加论证，确立“高质量油井管的开发和应用”为原国家 经贸委主管的“九五”国家项目，共5 个专题，确定了宝钢无缝铜管厂、天津钢管厂、 成都无缝钢管厂、钢铁研究总部、北京科技大学、东北大学和原石油部西安管材研究所 为参加单位。其中，钢铁总部主持和参与了3 个专题：油层套管射孔性能的开发：a c c u r o l l 精密管机床计算机模拟优化、温矫工艺研究：五大有害元素对油井套管性能的影响等， 这些研究为我国的油井管螺纹加工机床的国产化起到了重要的作用，为石油工业发展做 出了积极的贡献。 国产管螺纹加工机床中，主要加工a p i 外螺纹的机床较多，如图11 0 所示的沈阳机 床厂生产的s u c 8 1 3 0 a 数控管接箍加工机床能够实现高精度、高刚度、大功率石油控管 的加工，该机床的主要参数：加工管接箍最大直径为6 5 中 5 3 5 m m ，卡盘直径为 西5 0 蛳3 0 m m ，x z 轴的最大行程均为6 0 0 m m 。该机床具有大功率、刚性好、能切削直 线、斜线、圆弧、公、英制螺纹，并且具有刀尖半径补偿等多种功能；该机床突出了高 刚度、大功率等特点，是一台高精度、高效率管螺纹加工机床：该机床采用大传动比的 变速箱及3 9 k w 的交流主驱动电机，可使主轴获得高达3 0 8 0 n m 的输出转矩；采用两把纽 合刀杆，在加工完成外侧螺纹后，直接加工内螺纹，提高加工效率。 图l1 0s u c 8 1 3 0 a 机床 f i g 11 0m a c h i n es u c 8 1 3 0 a 管螺纹加下机床的研制 1 3 3 管螺纹加工机床发展趋势 随着机械制造水平的提高、电子计算技术的普及以及各种新材料新工艺方法的逐步 推广，管螺纹加工机床的发展呈现以下趋势： ( 1 ) 全数控化 a p i 管螺纹加工是技术集成很高的加工过程，随着数控技术和计算机技术在机床上 的应用，简单方便的人机界面、精确的刀路计算、丰富使用的工艺数据库、在机测试的 数据处理等理论和技术集成与机床的控制系统，从而缩短了加工工时，实现了人机对话 e 1 l 】 o ( 2 ) 高精度化 为了提高力n - l - 精度，各生产厂商纷纷采取各项措施： 提高床身的刚度，在焊接结构的床身内浇注聚合水泥，以减小床身的热变形； 主轴采用无外壳电机直接驱动主轴，省去了皮带轮和齿轮箱等一整套中间传动 环节，减小了传动间隙，提高动、静精度： 采用静压导轨，保证精度的长期稳定； 配备专用软、硬件，保证多轴联动的传动刚性和精度。 ( 3 ) 高效化 采用直线电机和力矩电机的机床越来越多；滚珠丝杠等传统的部件性能明显改善， 驱动速度更快；运动部件的结构轻型化；主轴电机功率不断增加；电主轴应用增多；所 有这些都使得进给速度和加工速度明显提高。除了加大主轴电机的功率和提高进给速度 等常规措施外，各管螺纹加工机床制造商还采用了许多的措施来缩短辅助时间： 配备自动上下料装置和自动对刀装置，减少工件装夹时间，提高对刀效率； 采用加工工程中的检测技术和余量自动分配技术，提高机床的自动化水平。 ( 4 ) 高压冷却条件下的高速切削，强力切削 为了满足高速、强力、多刀、多刃切削的需求，机床生产厂家普遍采用高压、大流 量的冷却系统，以加速冷却工件和刀具等。 ( 5 ) 机床加工的多样化，满足特殊螺纹力n - l - _ 的需要。 1 4 本文的主要任务 本课题应天津卡普林热处理有限公司要求完成管螺纹加工机床的研制，通过查询资 料了解管螺纹加工机床的发展现状，着眼于公司的实际情况对管螺纹加工机床进行设计 研究，具体工作主要包括以下几个方面： 大连理工大学硕+ 学位论文 ( 1 ) 深入研究目前国内外管螺纹加工机床的发展现状和结构特点，结合公司的实 际情况，完成管螺纹加工机床的参数化建模及虚拟装配工作。 ( 2 ) 对比刀具与工件的运动分配形式，确定管螺纹加工机床的运动方式，完成机 床的总体方案设计。利用p r o e n g i n e e r 软件对设计的机床进行间隙分析和干涉检查， 并进行运动仿真，模拟加工过程，获取刀具在加工中的运动路线。 ( 3 ) r 完成机床主要部件的设计。设计一套与传统机床相比更有优势的专用夹具， 并对关键的夹紧元件进行非线性大变形有限元分析，分析工件在夹紧时的变形以及夹紧 的可靠性。 ( 4 ) 对夹具箱体进行模态分析，验证夹具箱体固有频率是否满足工作冗余；完成 管螺纹加工机床床身的设计，利用p r o m e c h a n i c a l 分析床身的变形，验证床身的刚度。在 此基础上，胤、z 方向的直线电机和主运动电主轴进行选型计算，并进行相应的系统配 置，完成伺服系统的选型与设计。 管螺纹加工机床的研制 2 管螺纹加工机床的总体设计 机床设计是设计人员根据使用部门的要求和制造部门的能力，运用有关的科学技术 知识所进行的创造性劳动。本文应天津卡普林热处理有限公司的要求，设计用于生产管 接箍螺纹的机床，a p i 管螺纹参数如表2 1 所示。 表2 1a p i 管螺纹参数 t a b 2 1p a r a m e t e r so fp i p et h r e a da p i 2 1 机床的功能需求 在机床设计中，应考虑的基本功能需求内容如下： ( 1 ) 工艺可能性 人连理t 大学硕+ 学位论文 机床的工艺可能性是指机床适应不同生产要求的能力，主要包括机床上可毗完成的 工序种类和被加工零件的类型、材料及尺寸范围两太方面的内容。由于本机床是专用于 加工管接箍螺纹的机床，主要负责a f i 螺纹的切制这一道工序，工序单一，比较容易满 足。从被加工零件的类型、材料和尺寸范围方面来考察，被加工零件的类型和材料都是 固定的，只是尺寸范围有所不同。一种a p i 螺纹对应一种螺纹刀片，本机床主要用于加 工大直径的a p i 管螺纹的加工。 从夹具和驱动装置方面分析，夹具和动力源驱动能力应该能满足最大工件的加工要 求；从自动送料装置考虑，通过实地考察，天津卡普林热处理有限公司厂内有龙门式机 械手，如图2 i 所示，可以直接控制使用；由于外径尺寸比较单一所以普通机械手就 可以满足要求。不同尺寸的a f i 螺纹通过调用不同的螺纹刀具来实现加工，同一种螺纹 不同壁厚的可以通过控制进给量来完成a f i 螺纹的切制。 圈2i 机械手 f i g2lm a n i p u l a t o r ( 2 ) 加工精度 机床的加工精度是指被加工零件在尺寸、形状和相互位置等方面所能达到的准确程 度。影响机床加工精度的因素很多，例如机床的几何精度、传动精度、运动精度和刚度 等。几何精度决定于机床主要部件的几何形状和相互位置：传动精度决定于传动系统中 机件的制造精度和装配精度以及传动系统设计的合理性：运动精度是指机床部件在无外 载的情况下以及工作速度运转时的精度；刚度是指机床部件抵抗弹性变形的能力，以保 证机床在受力后各主要零部件相互位置的正确性。影响机床加工精度的因素还有残余应 力引起的变形、振动、热变形和磨损等。 管螺纹加工机床的研制 ( 3 ) 生产效率 机床的生产效率通常是指在单位时间内机床所能加工的工件数量。要提高机床的生 产效率，必须缩短加工一个工件的平均时间，其中包括加工时间、辅助时间以及分摊到 每个工件上的准备和结束时间。 只有摒弃手工进料而采用自动进料、采用快速执行元件才有可能提高机床的生产效 率。本课题中设计的机床采用能够自动换刀的刀架，所有进给机构均采用直线电机驱动， 主运动采用电主轴，夹紧装置采用电磁吸盘等，这些均可以提高其生产效率。 ( 4 )自动化程度 为了提高生产效率、减轻工人的劳动强度和更好地保证加工精度及精度稳定性，机 床应尽量提高自动化程度。自动化程度，可以用机床自动工作时间与全部工作时间的比 值来表示。根据自动化程度，机床大致可分为自动、半自动和普通机床三类。自动机床 具备完整的自动工作循环，包括自动装卸工件，能够连续地自动加工出工件；半自动机 床也有完整的自动工作循环，但装卸工作需要人工完成，因此不能连续加工；普通机床 虽然现在也不同程度地采用各种自动化装置，但是还没有一个完整的自动工作循环。 由于提供本课题的厂家有自动循环上料装置，所以本课题在机床设计中不必设计自 动上下料的机械手装置，这样设计出来的机床可以满足厂家生产管接箍螺纹自动化程度 高的需求。 ( 5 ) 结构制造维修 在满足使用要求的前提下，机床的结构应尽量的简单，工艺性要好，容易制造和装 配，维修方便等。部件的通用化和零件的标准化既可缩短机床的设计周期和制造周期， 还可以提高产品质量、降低成本和便于维修。 这就要求设计机床时，在以不牺牲性能为目标、追求低成本的指导原则下，尽量选 用结构简单的机械传动机构，尽量选用标准件和易于购买的材料，设计简单实用的夹紧 元件和采用最优的控制策略。本课题中就是遵循了便于维修的原则，在夹具设计中，夹 紧元件可以随时替换，保证了工件加工的精度，也采用了很多标准件及便于购买的部件。 ( 6 ) 操作安全方便和工作可靠性 机床应操作方便、省力、容易掌握和不易发生故障，这样不仅可以减少工人的疲劳、 保证工人和机床的安全，还能提高机床的生产效率。机床的工作可靠性也是一项重要的 技术经济指标。随着自动化水平的不断提高，需要许多机床、仪表控制系统和辅助装置 协同工作，它们对机床的可靠性指标要求是相当高的，应采用适当的措施来提高机床的 可靠性。 大连理工大学硕士学位论文 2 2管螺纹加工机床设计的基本理论 2 2 1 机床运动学分析 根据机床的加工功能( 加工方法、工件类型、表面形状) ，管螺纹加工机床加工功 能主要是a p i 螺纹回转表面的加工。它的主要加工功能需要工件绕其自身的轴线( c 轴) 回转，刀具沿着平行于工件轴线方向( z 轴) 和垂直于工件轴线方向( x 轴) 移动等三 个运动来实现的。当加工圆锥面或自由回转面时，刀具在z 轴和x 轴方向的移动必须 保证严格的协同运动关系【1 2 】，在本机床内是通过坐标轴联动来实现的。管螺纹加工机床 主要用来生产内a p i 螺纹，需要有z 、x 、c 轴三个运动，且要求三个轴的运动能够联 动。 2 2 2 机床工作原理 选定和拟定工艺过程是机床设计的第一阶段任务，是机床设计的基础。工艺过程方 案是否合理和先进，直接影响所研究的机床结构、外形尺寸、机构的运动方式和焊接质 量。 确定了a p i 接箍管螺纹的加工工序后，结合本机床的功能要求，拟定了机床的工作 原理，如图2 2 所示，图中的双箭头表示机床部件的运动方式和方向。机床各功能部件 的工作原理如下： ( 1 )电主轴提供动力，通过大小齿轮减速传递给夹具，夹具带动工件完成旋转主 运动。 ( 2 ) 工作台提供刀架的进给，刀架自身提供旋转换刀功能。 ( 3 )自动送料机械手完成工件的自动装卸。 管螺纹加工机床的研制 机槭手 l 而 uu 乒 | 刀架 0 。 i 件 电书轴 l 图2 2 机床工作原理图 f i g 2 2o p e r a t i n gp r i n c i p a lo ft h em a c h i n e 2 2 3 机床运动功能描述方法 机床坐标系( 即机床总体坐标系) 一般采用直角坐标系，沿着x 、y 、z 轴的直线 运动仍然用x 、y 、z 表示，绕着x 、y 、z 轴回转运动用a 、b 、c 表示，平行于x 、 y 、z 的辅助轴用u 、v 、w 及r 、q 表示，绕着x 、y 轴的辅助回转轴用e 、d 等表示。 对于各种运动部件的局部坐标系可按照如下方法选取： ( 1 ) 局部坐标系固定在运动部件上； ( 2 ) 当各个运动部件的运动方向与机床坐标系轴线平行时，可取各局部坐标系与 机床坐标系方向一致，也可以取局部坐标系与机床坐标系方向不一致，取运动部件的运 动方向为z 轴； ( 3 ) 当有斜式运动时，可混合选取。 2 。3 管螺纹加工机床总体布局方案设计 一般来说，一种运动方案可以有多种机床结构布局形态与之对应。比如说，同一种 运动方案的床身结构有立式、卧式和斜式等；基础支承的形式有底座式、立柱式和龙门 式等；基础支承件的结构有一体式和分离式等。所有这些因素决定机床结构布局的复杂 性和多样性。 目前国内管螺纹加工机床多采用平导轨，而比较先进的机床均采用的是斜床身即斜 导轨。采用斜床身有着许多平导轨所不具备的优点：首先是排屑比较方便，加工过程中 的切屑可以直接掉到机床底部安装的排屑器上，再移出机床外；其次是床身受力状态比 大连理t 大学硕十学位论文 较好，既能够承受垂直方向上较大的切削力，又能够承受水平方向上较大的切削力；三 是斜导轨的机床换刀、工装比较方便，操作与维护比较方便。所以，本课题中采用4 5 。斜度床身。 2 3 1 运动形式的分配 工件表面成形方法及运动都是相同的，但是分配给机床执行件的运动不同，则机床 的传动、布局和结构就不同，就会形成多样化的机床，图2 3 为机床可能采用的运动形 式方案。方案( a ) 不多见，多适用于小件生产；方案( b ) 多见于自动化较高的螺纹加 工机床生产线中，也见于小直径螺纹加工机床中；方案( c ) 类似于旋风铣，属于一种 高端的工作方式，是美国p m c 公司采用的管螺纹加工机床的运动形式，特点是工件不 需要运动，所有的运动都由刀具来实现，且对工件整体直线度要求不高，加工效率高； 方案( d ) 这种方案常见于各式数控车床，这种方案是最为经典的一种运动形式，优点 是设计方便，成形简单，特别是在加工a p i 管螺纹时，更能显示出这种方式的优点，因 为旋转运动由工件来完成，刀具进行径向和轴线进给，刀具系统的运动不复杂，易于实 现，这种运动方式也是管体加工中机床中较为常见一种方式，设计进给机构简单方便， 特别适合有径向进给的情况中，不必单独设计刀盘。 ( a ) 工件旋转并作直线运动、刀具径向进给( b ) 刀具旋转径向进给、工件直线运动 ( c ) 刀具旋转直线及径向运动、工件不动( d ) 工件旋转、刀具直线运动及径向进给 图2 3 运动形式方案 f i g 2 3k i n e m a t i cs c h e m e s 管螺纹加j r 机床的研制 在分配机床的运动时，一般应该注意以下几点： ( 1 ) 移动部件的重量应该尽量轻 其他条件相同的情况下，移动部件( 包括刀具和工件) 的重量越小，所需电机功率 和传动件尺寸越小。为了简化传动应将运动分配给重量较小的执行件，本课题中加工的 内螺纹外径最大值为3 6 5 1 m m ，夹具为自己设计的专用夹具( 第三章具体介绍) ，考虑 到工件和夹具组合后的总体重量大于刀架整体重量，所以采用移动全部分配给重量较小 的刀架的方案。 ( 2 ) 应有利于保证加工精度 加工小孔螺纹时，通常采用的方法是将全部运动分配给刀具，工件固定不动，如图 2 3 ( c ) 所示。加工a p i 内螺纹时，需要径向进给，如果工件固定不动，所有运动由刀 具来完成，则刀具的运动控制复杂，设计及加工成本较高；而在图2 3 ( d ) 中，工件完 成旋转主运动，刀具完成轴向和径向运动，加工a p i 螺纹时，主运动和进给运动控制相 对容易。 ( 3 ) 应有利于提高刚度，减小占地面积 图2 4 所示为管螺纹加工机床通常采用的两种不同的运动分配形式，方案( a ) 将直 线运动分配给工件，方案( b ) 将直线运动分配给刀具。方案( a ) 的总体尺寸将是( b ) 方案总体尺寸的2 倍多