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摘 要：为了提高后整理区域的收集效率，实现在定尺材中的通尺材自动分离，研发出了一款操作维护方便的“滑动螺旋自鎖紧定尺机”。
关键词：滑动螺旋;螺旋自锁;定尺机
1、新型棒线滑动螺旋升降式自锁紧定尺机的应用背景
莱钢棒材厂小型车间是一条热轧带肋钢筋和矿用树脂锚杆钢筋为主要产品的棒材生产线，由于上游坯料的离散误差，经冷剪剪切后的成品定尺材中往往会掺杂着部分通尺，要依靠人工来挑拣通尺并包装物流，造成人力资源的浪费和现场的安全隐患。由于轧线定尺率为98%左右，生产过程中难免产生2%左右的通尺轧废，且通尺材的吨钢价格将比定尺材低300元左右，按车间年产30万吨计算将产生0.6万吨左右的通尺轧废，这些废品低价出售，且需要专业人员在线人工挑拣，对车间产生极大的人力物力资源的浪费。
为满足生产现场的实际需求，车间根据滑动螺旋结构紧凑、转动平稳、传动精度高、轴向载荷大及具备自锁紧功能的特点，研发出了一款结构简单、操作维护方便的“滑动螺旋自锁紧定尺机”。
2、结构简介
滑动螺旋自锁紧定尺机采用2.1KW电机做动力源，由i=48.57减速机拖动滑动螺旋机构螺杆旋转，来驱动进给工作台做往复轴向直线进给运动;定尺挡板安装在进给工作台上，由气缸带动来配合剪切机的定尺剪切动作。
进给工作台采用了滑动螺旋传动机构，将动力源的径向回转运动转变为轴向往复直线运动，推动进给工作台的轴向位移，以调换不同规格的挡板定尺。
3、系统设计
采用滑动螺旋传动方案设计结构简单、运转平稳且噪音小、旋合精度高、传动比大，螺旋每旋转一周螺母只前进一个导程，因此电机采用较小的功率扭矩，便可以使执行机构得到很大的轴向推力，特别是当螺旋副设计的螺旋线螺纹升角小于当量摩擦角时，容易实现机构的“自锁紧”，尤其适用于定尺机这种既要求机构精准定位，又承受大轴向水平冲击载荷的工况。
考虑滑动螺旋副传动的效率，结合生产现场的实际工况，在螺旋副牙型设计上我们采用了30度牙型角的梯形螺纹。这种螺纹可承受双轴向载荷，牙底强度高，螺纹对中型好，不易晃动，磨损后间隙可以得到适当补偿，特别是其牙型设计基本已经标准化，具备良好的机械加工工艺性能，容易保证螺旋副的加工制造精度。
4、滑动螺旋机构参数选择及校核
4.1最大冲击载荷计算
车间加工最大品种的钢材为Φ22左旋锚杆钢，冷床倍尺45m，下卸钢一次性最多可卸24根倍尺材，因此下卸钢输送辊道所输送的钢材最大质量为：3.14×（11×10-3）2×45×7.8×103×24=3200Kg。
下卸钢输送辊道辊身直径Φ250，所配B型皮带轮节圆直径Φ210，辊道电机转速550rpm，电机所配皮带轮节圆直径Φ126，辊道机构传动速比为210÷126=1.66，辊道转速为550÷1.66=330rpm，因此下卸钢辊道辊身线速度（即倍尺材在输送辊道中线速度）为3.14×330×250÷（60×1000）=4.3m/s
定尺机在工作状态下，活动挡板在重力的作用下向下回落，与输送辊道接触，隔断床面倍尺材的输出通道，质量为3200Kg的钢材以4.3m/s的初速度撞击输送辊道上的活动挡板，配合冷剪进行定尺剪切。撞击作用的时间很短，钢材在0.01秒时间内速度由4.3m/s降为0，由动量定理可知，作用在定尺机上的冲击载荷为
4.2螺杆的抗压稳定性校核
长径比大的受压螺杆在承受大轴向力时容易失稳，应根据材料力学的稳定性公式校核，
（Fc 为螺杆的临界载荷，F为作用于螺杆上的轴向载荷，经动量定理计算，此处最大轴向载荷为1376000N，[S] 为螺杆稳定性安全系数）。
传动丝杠采用滑动轴承两端固定的结构形式，由机械标准查得受压螺杆的长度系数为μ=0.5 ，螺杆危险断面惯性半径为 mm，
受压螺杆的计算长度取进给工作台螺母处于最短极限定尺位置时螺母宽度中心线到螺杆最大行程位置的距离 由以上参数可知受压螺杆的柔度为
对淬火钢，λ<85 时螺杆的临界载荷为：
实际螺杆稳定性安全系数 ，符合螺
杆稳定性要求，该螺旋机构具备可靠的抗压稳定性能。
4.3螺旋副自锁能力校核
滑动螺旋定尺机在工作状态下要承受1376KN的轴向冲击载荷，防止活动挡板在冲击载荷作用下滑移而影响定尺精度，要对螺旋副的自锁性进行校核。有自锁能力要求的滑动螺旋副必须满足螺旋线螺纹升角小于等于当量摩擦角，在实际设计过程中，为确保螺旋自锁的可靠性，取Ψ≤ρ-1° 。
定尺机螺旋副设计使用的是梯形螺纹，Tr160x16，外螺纹大径d=160mm，中径d2=152mm，小径d1=142mm，螺距p=16mm，导程s=pn=16x1=16mm（采用单头螺旋线设计），牙型角α=30°，淬火钢螺杆与青铜螺母配合的摩擦系数取f=0.08。由以上设计数据可知： 螺旋线的螺纹升角为
螺旋線的当量摩擦角为
因为1.92°≤4.73°-1°=3.73° ，螺旋线的螺纹升角小于当量摩擦角，所以该螺旋机构具备可靠的自锁性能。
5、零件设计及制造
5.1主传动丝杠
进给工作台的主传动丝杠做为传力螺杆，是一种细长的杆状零件，其长径比较大，承受大冲击载荷，极易出现受压失稳、挠曲变形的问题。考虑到螺杆的抗压失稳性，螺杆的总长设计为不超过螺纹副公称直径的20-50倍。根据现场所需调整定尺长度，主传动丝杠Tr160的螺纹长度设计为5390mm，5390/160=33.6<50，符合机械设计要求GB5796.3-86。材质选用屈服强度和抗拉强度较高的优质低碳合金钢20CrMnTi并采用渗碳淬火处理的热处理工艺，（硬度值HRC45-50）。
5.2 滑动螺旋螺母
由于滑动螺旋副存在较大的摩擦转矩，螺纹副易出现过快磨损，因此对螺母材质的力学性能及机加工工艺性能有一定的要求。为了抗胶合磨损，螺母不能与传动丝杠选用相同的材质（传动丝杠选用优质低碳合金钢20CrMnTi）螺母材质必须摩擦系数低，减磨性和耐磨性好，同时具备一定的抗压强度和疲劳强度。此定尺机的螺母采用铝青铜ZCuAl10Fe3材质。这种材质摩擦系数低、减磨性好、耐磨性高而且具有足够的抗压疲劳强度。由于其具备低硬度、小弹性模量的特点。因此其磨合性、顺应性较好，对零配件的安装同轴度误差及加工几何形状误差不太敏感，尤其适宜于低速重载及偏载的使用工况。但在承受重冲击变载荷时存在黏着倾向，因此对其配合的轴颈表面硬度、光洁度、机械加工精度要求较高，传动丝杠（20CrMnTi）必须进行渗碳淬火处理（HRC45-50），螺母采用铝青铜ZCuAl10Fe3。
6、结论语
冷床后部整理区域通过上述定尺机的研发，已投入上线使用半年左右，极大的改善了现场收集工作效率及产品质量，原后整理平台区域需要3人同时作业，1人点数，2人挑拣通尺材，通过上述方案的实施可将降低人员的劳动量，提高工作效率，将挑拣短尺的人员压减为1人，同时改善了成品材的打捆包装质量，减少质量异议的发生。由于通尺材可通过该定尺机直接输入到通定尺分离平台，省去了中间人为的手工挑拣环节，加快了后整理区域的收集节奏，收集效率比原来提高20%左右。
关键词：滑动螺旋;螺旋自锁;定尺机
1、新型棒线滑动螺旋升降式自锁紧定尺机的应用背景
莱钢棒材厂小型车间是一条热轧带肋钢筋和矿用树脂锚杆钢筋为主要产品的棒材生产线，由于上游坯料的离散误差，经冷剪剪切后的成品定尺材中往往会掺杂着部分通尺，要依靠人工来挑拣通尺并包装物流，造成人力资源的浪费和现场的安全隐患。由于轧线定尺率为98%左右，生产过程中难免产生2%左右的通尺轧废，且通尺材的吨钢价格将比定尺材低300元左右，按车间年产30万吨计算将产生0.6万吨左右的通尺轧废，这些废品低价出售，且需要专业人员在线人工挑拣，对车间产生极大的人力物力资源的浪费。
为满足生产现场的实际需求，车间根据滑动螺旋结构紧凑、转动平稳、传动精度高、轴向载荷大及具备自锁紧功能的特点，研发出了一款结构简单、操作维护方便的“滑动螺旋自锁紧定尺机”。
2、结构简介
滑动螺旋自锁紧定尺机采用2.1KW电机做动力源，由i=48.57减速机拖动滑动螺旋机构螺杆旋转，来驱动进给工作台做往复轴向直线进给运动;定尺挡板安装在进给工作台上，由气缸带动来配合剪切机的定尺剪切动作。
进给工作台采用了滑动螺旋传动机构，将动力源的径向回转运动转变为轴向往复直线运动，推动进给工作台的轴向位移，以调换不同规格的挡板定尺。
3、系统设计
采用滑动螺旋传动方案设计结构简单、运转平稳且噪音小、旋合精度高、传动比大，螺旋每旋转一周螺母只前进一个导程，因此电机采用较小的功率扭矩，便可以使执行机构得到很大的轴向推力，特别是当螺旋副设计的螺旋线螺纹升角小于当量摩擦角时，容易实现机构的“自锁紧”，尤其适用于定尺机这种既要求机构精准定位，又承受大轴向水平冲击载荷的工况。
考虑滑动螺旋副传动的效率，结合生产现场的实际工况，在螺旋副牙型设计上我们采用了30度牙型角的梯形螺纹。这种螺纹可承受双轴向载荷，牙底强度高，螺纹对中型好，不易晃动，磨损后间隙可以得到适当补偿，特别是其牙型设计基本已经标准化，具备良好的机械加工工艺性能，容易保证螺旋副的加工制造精度。
4、滑动螺旋机构参数选择及校核
4.1最大冲击载荷计算
车间加工最大品种的钢材为Φ22左旋锚杆钢，冷床倍尺45m，下卸钢一次性最多可卸24根倍尺材，因此下卸钢输送辊道所输送的钢材最大质量为：3.14×（11×10-3）2×45×7.8×103×24=3200Kg。
下卸钢输送辊道辊身直径Φ250，所配B型皮带轮节圆直径Φ210，辊道电机转速550rpm，电机所配皮带轮节圆直径Φ126，辊道机构传动速比为210÷126=1.66，辊道转速为550÷1.66=330rpm，因此下卸钢辊道辊身线速度（即倍尺材在输送辊道中线速度）为3.14×330×250÷（60×1000）=4.3m/s
定尺机在工作状态下，活动挡板在重力的作用下向下回落，与输送辊道接触，隔断床面倍尺材的输出通道，质量为3200Kg的钢材以4.3m/s的初速度撞击输送辊道上的活动挡板，配合冷剪进行定尺剪切。撞击作用的时间很短，钢材在0.01秒时间内速度由4.3m/s降为0，由动量定理可知，作用在定尺机上的冲击载荷为
4.2螺杆的抗压稳定性校核
长径比大的受压螺杆在承受大轴向力时容易失稳，应根据材料力学的稳定性公式校核，
（Fc 为螺杆的临界载荷，F为作用于螺杆上的轴向载荷，经动量定理计算，此处最大轴向载荷为1376000N，[S] 为螺杆稳定性安全系数）。
传动丝杠采用滑动轴承两端固定的结构形式，由机械标准查得受压螺杆的长度系数为μ=0.5 ，螺杆危险断面惯性半径为 mm，
受压螺杆的计算长度取进给工作台螺母处于最短极限定尺位置时螺母宽度中心线到螺杆最大行程位置的距离 由以上参数可知受压螺杆的柔度为
对淬火钢，λ<85 时螺杆的临界载荷为：
实际螺杆稳定性安全系数 ，符合螺
杆稳定性要求，该螺旋机构具备可靠的抗压稳定性能。
4.3螺旋副自锁能力校核
滑动螺旋定尺机在工作状态下要承受1376KN的轴向冲击载荷，防止活动挡板在冲击载荷作用下滑移而影响定尺精度，要对螺旋副的自锁性进行校核。有自锁能力要求的滑动螺旋副必须满足螺旋线螺纹升角小于等于当量摩擦角，在实际设计过程中，为确保螺旋自锁的可靠性，取Ψ≤ρ-1° 。
定尺机螺旋副设计使用的是梯形螺纹，Tr160x16，外螺纹大径d=160mm，中径d2=152mm，小径d1=142mm，螺距p=16mm，导程s=pn=16x1=16mm（采用单头螺旋线设计），牙型角α=30°，淬火钢螺杆与青铜螺母配合的摩擦系数取f=0.08。由以上设计数据可知： 螺旋线的螺纹升角为
螺旋線的当量摩擦角为
因为1.92°≤4.73°-1°=3.73° ，螺旋线的螺纹升角小于当量摩擦角，所以该螺旋机构具备可靠的自锁性能。
5、零件设计及制造
5.1主传动丝杠
进给工作台的主传动丝杠做为传力螺杆，是一种细长的杆状零件，其长径比较大，承受大冲击载荷，极易出现受压失稳、挠曲变形的问题。考虑到螺杆的抗压失稳性，螺杆的总长设计为不超过螺纹副公称直径的20-50倍。根据现场所需调整定尺长度，主传动丝杠Tr160的螺纹长度设计为5390mm，5390/160=33.6<50，符合机械设计要求GB5796.3-86。材质选用屈服强度和抗拉强度较高的优质低碳合金钢20CrMnTi并采用渗碳淬火处理的热处理工艺，（硬度值HRC45-50）。
5.2 滑动螺旋螺母
由于滑动螺旋副存在较大的摩擦转矩，螺纹副易出现过快磨损，因此对螺母材质的力学性能及机加工工艺性能有一定的要求。为了抗胶合磨损，螺母不能与传动丝杠选用相同的材质（传动丝杠选用优质低碳合金钢20CrMnTi）螺母材质必须摩擦系数低，减磨性和耐磨性好，同时具备一定的抗压强度和疲劳强度。此定尺机的螺母采用铝青铜ZCuAl10Fe3材质。这种材质摩擦系数低、减磨性好、耐磨性高而且具有足够的抗压疲劳强度。由于其具备低硬度、小弹性模量的特点。因此其磨合性、顺应性较好，对零配件的安装同轴度误差及加工几何形状误差不太敏感，尤其适宜于低速重载及偏载的使用工况。但在承受重冲击变载荷时存在黏着倾向，因此对其配合的轴颈表面硬度、光洁度、机械加工精度要求较高，传动丝杠（20CrMnTi）必须进行渗碳淬火处理（HRC45-50），螺母采用铝青铜ZCuAl10Fe3。
6、结论语
冷床后部整理区域通过上述定尺机的研发，已投入上线使用半年左右，极大的改善了现场收集工作效率及产品质量，原后整理平台区域需要3人同时作业，1人点数，2人挑拣通尺材，通过上述方案的实施可将降低人员的劳动量，提高工作效率，将挑拣短尺的人员压减为1人，同时改善了成品材的打捆包装质量，减少质量异议的发生。由于通尺材可通过该定尺机直接输入到通定尺分离平台，省去了中间人为的手工挑拣环节，加快了后整理区域的收集节奏，收集效率比原来提高20%左右。