王龍飛

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安 710300)

0 引 言

近些年來(lái)，我國(guó)工業(yè)繼續(xù)保持著高速發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)工業(yè)發(fā)展的母機(jī)-機(jī)床，也提出了更高的要求。機(jī)床技術(shù)[1]的發(fā)展是不可阻擋的潮流趨勢(shì)，對(duì)機(jī)床領(lǐng)域的持續(xù)性開(kāi)發(fā)也具有必要性和緊迫性，這是提高我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)能力的應(yīng)有之策，也是推動(dòng)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)持續(xù)升級(jí)改造的必要舉措。機(jī)床技術(shù)[2]的發(fā)展目的是為了提升工業(yè)機(jī)械制造的等級(jí)和層次，推動(dòng)加工業(yè)朝著智能化和先進(jìn)化的方向發(fā)展。機(jī)床數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠從根本上革新工業(yè)加工的現(xiàn)有模式，而且也能夠在很大程度上體現(xiàn)出國(guó)家工業(yè)建設(shè)的實(shí)際水準(zhǔn)。

數(shù)控加工[3]不但要提高效率又要保證質(zhì)量，這就要求在允許的精度范圍內(nèi)，選擇最佳的進(jìn)給速度，特別在高精度模具加工中，表面質(zhì)量及尺寸、形狀精度要求極高，不僅需要先進(jìn)的硬件和高端的軟件技術(shù)，還需要通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)和伺服的控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)軟硬件的匹配高效運(yùn)行。為了提高加工效率，減小裝夾誤差，車銑復(fù)合機(jī)床[4]發(fā)展迅速，車銑復(fù)合加工技術(shù)的特點(diǎn)包括：生產(chǎn)率高，生產(chǎn)鏈少；基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化少，產(chǎn)品精細(xì)度高；產(chǎn)品研發(fā)周期短。同時(shí)車銑復(fù)合技術(shù)也朝著先進(jìn)、融合、簡(jiǎn)便、可靠、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

現(xiàn)有的機(jī)床，絕大多數(shù)情況下，只能同時(shí)加工一個(gè)零件，筆者從機(jī)床夾持方面進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一款多夾持機(jī)械傳動(dòng)機(jī)床，該機(jī)床可同時(shí)夾持多個(gè)零件，多工序[5]同時(shí)加工，集成了銑削、銼削、磨削、鉆削、攻絲以及插齒、滾齒等制造技術(shù)，無(wú)需重復(fù)裝夾，生產(chǎn)效率高，加工精度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多夾持機(jī)械傳動(dòng)機(jī)床的設(shè)計(jì)目的是在機(jī)床上，一次完成多工序加工，無(wú)需多次裝夾和定位，加工精度高、加工效率高。多夾持機(jī)械傳動(dòng)機(jī)床(如圖1所示)，擁有3個(gè)三爪卡盤系統(tǒng)，可以同時(shí)夾持三個(gè)軸類零件，使用對(duì)應(yīng)的刀架臺(tái)系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行徑向加工，包括車外圓、切斷等；也可使用尾座系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行軸向加工，包括鉆孔，車內(nèi)孔等。零件完成一道工序的加工之后，使用電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，可對(duì)零件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與定位，進(jìn)行下一道工序的加工。

圖1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)裝配三維圖

多夾持機(jī)械傳動(dòng)機(jī)床，主要由電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、三爪卡盤系統(tǒng)、刀架臺(tái)系統(tǒng)和尾座系統(tǒng)組成。電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要作用是實(shí)現(xiàn)圓環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)和定位；三爪卡盤系統(tǒng)主要作用是實(shí)現(xiàn)三爪的旋轉(zhuǎn)和零件的夾持；刀架臺(tái)系統(tǒng)主要作用是實(shí)現(xiàn)零件的徑向加工；尾座系統(tǒng)主要作用是實(shí)現(xiàn)零件的軸向加工。

運(yùn)動(dòng)過(guò)程詳解：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小帶輪通過(guò)傳動(dòng)帶帶動(dòng)大帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)。大帶輪與小齒輪共軸，圓環(huán)與小齒輪組成內(nèi)嚙合傳動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，圓環(huán)內(nèi)部有3個(gè)三爪卡盤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三爪卡盤系統(tǒng)中三爪的轉(zhuǎn)動(dòng)與定位。刀架臺(tái)系統(tǒng)可沿著機(jī)床床身的矩形直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的徑向加工；尾座系統(tǒng)，通過(guò)后端手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀柄的直線運(yùn)動(dòng)，完成零件的軸向加工。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)帶、大小帶輪、軸、小齒輪和圓環(huán)組成，如圖2所示。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)傳送帶，將運(yùn)動(dòng)傳遞給小齒輪，小齒輪嚙合圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)圓環(huán)內(nèi)部3個(gè)三爪傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)定位。本次所設(shè)計(jì)的機(jī)床中所用圓環(huán)的作用是用來(lái)固定3個(gè)三爪卡盤。圓環(huán)內(nèi)部的內(nèi)齒與小齒輪嚙合，組成內(nèi)嚙合。從而帶動(dòng)3個(gè)三爪卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的多工序加工。

2.2 三爪卡盤系統(tǒng)

三爪卡盤傳動(dòng)系統(tǒng)組成：步進(jìn)電機(jī)，套筒聯(lián)軸器，傳動(dòng)軸，支撐軸承，三爪卡盤。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)從而帶動(dòng)三爪卡盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)完成零件的夾持和加工。本次項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的機(jī)床，采用了3個(gè)三爪卡盤，均布于圓環(huán)內(nèi)部，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)多夾持功能。機(jī)床可以同時(shí)加工多個(gè)零件，機(jī)床的3個(gè)三爪卡盤，依靠小齒輪和圓環(huán)實(shí)現(xiàn)內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)零件加工工序的轉(zhuǎn)換。3個(gè)三爪卡盤的設(shè)計(jì)，避免了零件的安裝、定位誤差，從而提升了零件的加工精度。如圖3所示。

圖3 三爪卡盤圖

2.3 刀架臺(tái)系統(tǒng)

多夾持機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)床的刀架臺(tái)有3個(gè)刀柄，通過(guò)刀架臺(tái)結(jié)構(gòu)后端的齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀架臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)。刀架臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的組成：支撐軸承、軸、刀架臺(tái)、刀柄、手柄、齒輪、齒條。

轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，與手柄相連的齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞給齒條，齒條帶動(dòng)刀架臺(tái)機(jī)身作直線運(yùn)動(dòng)，刀架臺(tái)機(jī)身下部有一矩形導(dǎo)軌，安裝在機(jī)床前端矩形直線導(dǎo)軌內(nèi)，最底端有支撐軸承，支持手柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。刀架臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)具體組成如圖4所示。

圖4 刀架臺(tái)系統(tǒng)圖

2.4 尾座傳動(dòng)系統(tǒng)

尾座傳動(dòng)系統(tǒng)的組成包括：刀柄、套筒、螺桿、手柄。如圖5所示。

圖5 尾座傳動(dòng)系統(tǒng)圖

此次設(shè)計(jì)機(jī)床的尾座采用了3個(gè)套筒和螺桿，在刀柄中可以安裝不同的刀具如頂尖、鉆頭、鉸刀等刀具，3個(gè)尾座系統(tǒng)對(duì)應(yīng)車床前端的3個(gè)三爪卡盤，可以同時(shí)加工多個(gè)零件。旋轉(zhuǎn)手柄，推動(dòng)套筒內(nèi)部的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)尾座系統(tǒng)前端的刀柄前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的軸向加工。螺桿傳動(dòng)省力，自鎖、速比大。

3 機(jī)床有限元分析

使用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)機(jī)床床身施加不同的外部載荷，可以得到機(jī)床床身的應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖6所示。

圖6 機(jī)床床身有限元分析圖

從圖中可以看出機(jī)床的最大應(yīng)力值為1.08×10-2MPa，即紅色區(qū)域的值，沒(méi)有超過(guò)機(jī)床床身材料鑄鋼的極限應(yīng)力值，可保證機(jī)床的正常工作。機(jī)床的位移量也很小，大小為9.019×10-10，不影響機(jī)床的加工精度。機(jī)床的應(yīng)力分布在三爪卡盤傳動(dòng)系統(tǒng)和刀架臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)，是應(yīng)力最大部分，但是其余地方應(yīng)力范圍均勻，可以看出機(jī)床的穩(wěn)定性和牢固性，從而實(shí)現(xiàn)多零件加工，使用壽命長(zhǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)的多夾持機(jī)械傳動(dòng)機(jī)床，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局合理，功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件多個(gè)工序的一次性加工，無(wú)需裝卸零件，加工安裝誤差小，加工效率高。通過(guò)對(duì)多夾持機(jī)械傳動(dòng)機(jī)床的裝配仿真分析，得知該機(jī)床結(jié)構(gòu)合理，無(wú)劇烈應(yīng)力變化，加工過(guò)程穩(wěn)定，可滿足絕大多數(shù)中小企業(yè)的加工需求，為下一步產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造奠定了有意義的參考價(jià)值。