章泳健，潘 毅，毛仲武，董 強(qiáng)，包軒庭

(1.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程系，江蘇 常熟 215500；2.常熟長(zhǎng)城軸承有限公司，江蘇 常熟 215500)

在軸承行業(yè)，為了提高軸承套圈的加工精度和效率，以數(shù)控車加工代替普通車削甚至磨削加工已成為套圈加工的一種趨勢(shì)。但由于軸承材料的特殊性，車削加工往往要求數(shù)控車床的整體結(jié)構(gòu)剛性好、主軸低轉(zhuǎn)速大扭矩，同時(shí)還要求機(jī)床要有良好的經(jīng)濟(jì)性，而這也正是通用數(shù)控機(jī)床所不能完全滿足的。而對(duì)于車削外徑在200 mm以上的大型軸承外圈，由于受臥式數(shù)控車床本身結(jié)構(gòu)的限制，在機(jī)床回轉(zhuǎn)半徑、結(jié)構(gòu)剛度及裝夾精度等方面已很難滿足要求，因此必須采用特殊的機(jī)床結(jié)構(gòu)來解決上述問題。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)中、大規(guī)格軸承套圈精密車削的要求，在軸承套圈專用臥式數(shù)控車床的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，制訂了具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)：采用主軸倒立式結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)抓取和裝夾；刀架采用固定式多工位轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，最多可實(shí)現(xiàn)12把刀具在加工過程中的自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)端面、外圓車削及鏜孔等一體化加工；機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)具備低速大扭矩的特征，要求主軸轉(zhuǎn)速在50～200 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)矩滿足300～600 N·m的輸出要求；機(jī)床x/z向的移動(dòng)速度可達(dá)到20 m/min，以達(dá)到快速高效的目的。機(jī)床總體性能指標(biāo)如表1所示。

表1 機(jī)床總體性能指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)床先進(jìn)性的基礎(chǔ)[1]。根據(jù)倒立式數(shù)控車床的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定了如圖1所示的機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案。機(jī)床主體部分主要由床身與立柱兩大部分組成，按主軸移動(dòng)、刀架固定的結(jié)構(gòu)配置方式，主軸通過拖板豎直倒置安裝在立柱導(dǎo)軌上，通過z軸滾珠絲杠機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使主軸沿立柱作上下移動(dòng)而形成z軸運(yùn)動(dòng)；刀架固定安裝在床身的左前側(cè)，刀具在刀架盤上沿徑向裝夾，立柱設(shè)計(jì)為可移動(dòng)式，由安裝在床身上的x軸滾珠絲杠機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，沿床身導(dǎo)軌作水平移動(dòng)，進(jìn)而形成機(jī)床的x軸運(yùn)動(dòng)。

1—刀架；2—床身；3—導(dǎo)軌；4—z軸傳動(dòng)；5—立柱；6—x軸傳動(dòng)；7—主軸；8—上下料及輸送平臺(tái)圖1 倒立式車床主體結(jié)構(gòu)

主軸端部安裝有彈性液壓卡盤，當(dāng)工件輸送到裝夾位置后，主軸可移至該工件上方并繼續(xù)通過z軸運(yùn)動(dòng)將工件壓緊，再利用液壓卡爪實(shí)現(xiàn)工件的定位夾緊。通過程序控制，主軸可順利地對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)抓取和裝夾。為了實(shí)現(xiàn)低速大扭矩特征，主軸采用獨(dú)立的傳動(dòng)裝置，考慮到空間布置問題，立柱采用開放式箱體結(jié)構(gòu)。而由此帶來的立柱結(jié)構(gòu)剛度下降問題，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與布筋來解決。

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了軸承套圈的加工特點(diǎn)及床身上工件上、下料和輸送平臺(tái)的設(shè)計(jì)。在床身右側(cè)開設(shè)輸送孔，雖然對(duì)床身的剛度不利增加了設(shè)計(jì)難度，但極大地方便了在多臺(tái)機(jī)床間的多工序自動(dòng)連接的實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)機(jī)床設(shè)定合理的時(shí)間節(jié)拍，經(jīng)由輸送孔及工件輸送機(jī)構(gòu)，兩條或多臺(tái)獨(dú)立的數(shù)控車床組成一個(gè)可自動(dòng)完成整個(gè)軸承套圈的柔性制造單元。

2.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與選用

導(dǎo)軌是影響機(jī)床運(yùn)行精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的重要零部件。在對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，選用了運(yùn)動(dòng)精度高、承載能力大的裝配式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，使機(jī)床在具備較大承載能力的同時(shí)，也具有運(yùn)動(dòng)輕便靈活、精度保持性好、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好、移動(dòng)及定位精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。

目前數(shù)控機(jī)床普遍采用的伺服主軸或電主軸無法直接滿足主軸低轉(zhuǎn)速大扭矩的要求。根據(jù)中、大型軸承套圈的車削工藝特點(diǎn)，在主軸與電動(dòng)機(jī)之間加入了一個(gè)二擋變速裝置，選用高精度高剛性主軸與大功率交流伺服電動(dòng)機(jī)組合，結(jié)合ZF變速箱的自動(dòng)變速，有效地解決了這一問題。滿足了主軸轉(zhuǎn)速在50～200 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)矩達(dá)到300～600 N·m的要求。兩擋變速后主軸的功率及轉(zhuǎn)矩特征曲線如圖2所示。

圖2 主軸兩擋變速的M(n)，P(n)曲線

主軸倒立式布置后，z軸滾珠絲杠及電動(dòng)機(jī)不僅要承受z軸方向的切削載荷，還要承受來自主軸、變速箱、電動(dòng)機(jī)、拖板等零件的自重。因此，z軸傳動(dòng)系統(tǒng)的平衡方案對(duì)于機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度及高速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。但在立柱后布置配重塊，通過拖鏈與拖板相連，與主軸系統(tǒng)自重平衡的方法會(huì)增加立柱自重，降低其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)立柱快速移動(dòng)過程中的穩(wěn)定性及可靠性帶來負(fù)面影響。因此，采用了如圖3所示的液壓平衡油缸配合囊式儲(chǔ)能器的平衡方式，實(shí)踐證明，采用這種平衡系統(tǒng)，不僅可減小z軸伺服電動(dòng)機(jī)的載荷，延長(zhǎng)z軸滾珠絲杠的使用壽命，同時(shí)也可確保立柱x向的快速移動(dòng)。

圖3 儲(chǔ)能式液壓平衡油缸

3 數(shù)字化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 TOP-DOWN設(shè)計(jì)方法[2-4]

首先，在總體功能需求確定后對(duì)機(jī)床進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，完成如圖4所示的機(jī)床主體結(jié)構(gòu)布局及如圖5所示的包含裝配結(jié)構(gòu)的骨架模型。在機(jī)床概念化設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，再將設(shè)計(jì)分解為床身裝配、立柱裝配、xz軸防護(hù)及外防護(hù)裝配等相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，并在各級(jí)子系統(tǒng)的裝配體中再細(xì)分為零件及子裝配體等。最后，在各相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)子系統(tǒng)中采取逐步細(xì)化設(shè)計(jì)的方法來完成整個(gè)設(shè)計(jì)。

圖4 機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的布局圖

圖5 機(jī)床的裝配結(jié)構(gòu)與骨架模型

3.2 三維數(shù)字化幾何建模技術(shù)

機(jī)床的三維數(shù)字化幾何建模，可以建立機(jī)床的完整幾何模型。由于實(shí)體模型具有幾何唯一性，因此，可以精確地獲得模型的一些物理特性，如重心、質(zhì)量、慣性矩等，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)這些量的復(fù)雜近似估算，同時(shí)，還可以進(jìn)行零部件間的干涉檢查，以保證裝配模型的正確性。所以，即使由于建模的復(fù)雜性等原因，在建模過程中采取了曲面造型方法構(gòu)造了一些非封閉的面體，最終的機(jī)床各部分模型仍可轉(zhuǎn)化為封閉的實(shí)體。例如在床身排屑槽的構(gòu)建時(shí)，各斜面相交處的結(jié)構(gòu)必須通過面的裁剪、拼合來實(shí)現(xiàn)，所以先采用曲面造型方法單獨(dú)構(gòu)建各面，再通過裁剪、合并等操作將其轉(zhuǎn)化為實(shí)體(圖6)。

圖6 排屑槽的造型設(shè)計(jì)

由于采用TOP-DOWN設(shè)計(jì)方法，各設(shè)計(jì)子系統(tǒng)在總裝配中的位置是由骨架模型確定，所對(duì)應(yīng)的子裝配間不需要再定義裝配約束。但在建模中需注意：由骨架確定的結(jié)構(gòu)，其特征尺寸應(yīng)由總體布局中確定的參數(shù)來驅(qū)動(dòng)，在特征建立時(shí)必須與骨架模型相關(guān)聯(lián)。具體可在定義特征時(shí)，通過參考骨架幾何中的點(diǎn)、線、面或在截面草繪中復(fù)制骨架輪廓等方法來實(shí)現(xiàn)。在骨架模型中沒有確定的尺寸，則可處理為零件的內(nèi)部參數(shù)，由設(shè)計(jì)者根據(jù)各種設(shè)計(jì)約束條件來確定。如床身基礎(chǔ)特征中的長(zhǎng)度、高度、寬度尺寸均與骨架中反映的床身的總長(zhǎng)、總高、總寬的線條相關(guān)聯(lián)，而床身在各處的壁厚則根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求及規(guī)范來確定。在特征設(shè)計(jì)過程時(shí)，必須遵循先整體后局部的原則。先定義具有整體性的特征，然后再定義各局部的細(xì)節(jié)特征，以方便后續(xù)的修改與設(shè)計(jì)變更。相關(guān)或相同的特征盡量通過復(fù)制、鏡像、陣列的方法來定義，以提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也提高了模型的可修改性。

3.3 三維數(shù)字化仿真技術(shù)

機(jī)床的精度和動(dòng)態(tài)特征與床身、立柱的設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。借鑒以往機(jī)床設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，將床身和立柱均設(shè)計(jì)為穩(wěn)定性較好的箱體類結(jié)構(gòu)，并使用HT250灰鑄鐵整體鑄造成形。使其不僅具有足夠的強(qiáng)度與靜剛度，還具有良好的阻尼特性，提高結(jié)構(gòu)的抗振性能。

圖7 床身與立柱的一階模態(tài)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)該數(shù)控車床采用高精度高剛度主軸與大功率交流伺服電動(dòng)機(jī)的組合，結(jié)合ZF變速箱的自動(dòng)變速功能，滿足了主軸轉(zhuǎn)速在50～200 r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩達(dá)到300～600 N·m的要求。

(2)新設(shè)計(jì)的主軸倒立式數(shù)控車床由于采用豎直裝夾方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)裝夾，而且可保證零件的加工精度，非常適合用于中、大型軸承套圈的車削。

(3)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了多工序、多機(jī)床的連接，能方便地組成數(shù)控車削柔性單元，提升軸承套圈制造的專業(yè)化水平。