杜海霞，王長(zhǎng)乾，常向龍

（陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000）

前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的提高，零件加工質(zhì)量及加工精度的要求被不斷提高。而加工滾珠絲杠、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等細(xì)長(zhǎng)軸類零件時(shí)，因其剛性差、長(zhǎng)徑比大，在加工過(guò)程中易發(fā)生彎曲、振動(dòng)，且回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力也會(huì)使工件發(fā)生變形，嚴(yán)重影響零件的表面粗糙度、圓柱度和加工精度[1]。

使用輔助支撐裝置可有效降低工件在加工過(guò)程中的彎曲變形和振動(dòng)，自定心中心架是目前使用較多、效果較好的細(xì)長(zhǎng)軸類加工的輔助支撐裝置，它是通過(guò)提高加工過(guò)程中零件的剛度減少軸類零件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和變形，從而提高其加工精度。例如磨削、車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，通常在其兩端裝夾之后，再使用中心架于細(xì)長(zhǎng)軸中間支撐，防止工件彎曲變形、振動(dòng)，若軸類零件過(guò)長(zhǎng)時(shí)，在制造過(guò)程中必須由多個(gè)中心架同時(shí)輔助支撐，以提高系統(tǒng)的剛度[2-3]。

1 自定心中心架的工作原理

自定心中心架的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)元件通常為電機(jī)或、液壓缸或者液壓缸，驅(qū)動(dòng)力作用于平動(dòng)凸輪，基于凸輪副的無(wú)窮多精確點(diǎn)的約束直動(dòng)臂和擺動(dòng)夾臂相對(duì)于被夾持零件的中心做徑向同步運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)夾臂和直動(dòng)臂的自動(dòng)定心。由于引入凸輪作為驅(qū)動(dòng)部件，使自定心中心架的設(shè)計(jì)具有更多的自由度，大幅提升其定位精度與穩(wěn)定性，從而使自定心中心架成為生產(chǎn)實(shí)踐中最主要的定心產(chǎn)品。

凸輪結(jié)構(gòu)的自定心中心架的結(jié)構(gòu)如圖1所示，作左右平移運(yùn)動(dòng)的平動(dòng)凸輪的工作曲線具有對(duì)稱性，滾輪1、滾輪2和滾輪3的幾何尺寸與結(jié)構(gòu)相同，其中滾輪3與平動(dòng)凸輪最右端固連，工件的中心為O3，即為自定心中心架的夾持中心。凸輪自定心中心架的工作過(guò)程如下：驅(qū)動(dòng)力F0作用于平動(dòng)凸輪的最左端，使其向右移動(dòng)；滾輪4、滾輪5與平動(dòng)凸輪的工作曲線接觸，受平動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)影響，驅(qū)動(dòng)擺桿1和擺桿2分別繞鉸接點(diǎn)O1、O2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾輪1、滾輪2運(yùn)動(dòng)到確定位置，與滾輪3同時(shí)夾緊工件，實(shí)現(xiàn)工件的夾緊與定心。在自定心中心架的工作過(guò)程中，滾輪1、滾輪2和滾輪3始終相對(duì)于夾持中心O3作完全同步運(yùn)動(dòng)，從而在夾緊或松開工件時(shí)，使夾持中心始終保持在工件的軸心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)定心和夾緊[4]。

圖1 凸輪自定心中心架的結(jié)構(gòu)

2 自定心中心架的研究現(xiàn)狀

普通中心架的定位點(diǎn)通常有兩個(gè)、三個(gè)或者四個(gè)，其中三點(diǎn)式結(jié)構(gòu)的中心架最為常見，如圖2所示。普通中心架對(duì)工件進(jìn)行定心夾緊時(shí)，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)各定位點(diǎn)與工件表面之間的接觸，很難保證定位精度與夾持穩(wěn)定性的統(tǒng)一，而且手動(dòng)調(diào)整定位點(diǎn)的操作時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)工人的技術(shù)要求高，難以應(yīng)用到自動(dòng)化組合機(jī)床中[5]。

圖2 普通中心架

自定心中心架與普通中心架相比具有更廣泛的應(yīng)用范圍，不論軸類工件的長(zhǎng)短及其截面直徑的大小，自定心中心架夾持臂的夾頭與工件表面接觸點(diǎn)所形成圓的圓心（夾持中心）都能與軸類工件的軸心重合，而且自定心中心架只需驅(qū)動(dòng)一個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)傳遞構(gòu)件，通過(guò)內(nèi)部的擺臂和鉸接機(jī)構(gòu)將約束運(yùn)動(dòng)傳遞至夾持滾輪，便可實(shí)現(xiàn)工件的夾緊與自動(dòng)定心。自定心中心架的操作簡(jiǎn)單，具有定心精度高、夾持穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

按自定心中心架中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型可分為純連桿結(jié)構(gòu)、凸輪連桿結(jié)構(gòu)、齒輪連桿結(jié)構(gòu)等，在對(duì)自定心中心架的研究中發(fā)現(xiàn)，目前只有凸輪連桿結(jié)構(gòu)的自定心中心架得到了廣泛應(yīng)用，純連桿結(jié)構(gòu)與齒輪連桿結(jié)構(gòu)的自定心中心架因?yàn)閯偠鹊?、夾持精度低、夾持穩(wěn)定性較差而在生產(chǎn)實(shí)踐中較少甚至沒(méi)有應(yīng)用，但是基于研究目的，對(duì)二者的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了解很有必要[6-10]。純連桿結(jié)構(gòu)自定心中心架的結(jié)構(gòu)如圖3所示，驅(qū)動(dòng)某一根傳動(dòng)連桿，通過(guò)鉸接點(diǎn)將運(yùn)動(dòng)傳遞至其他連桿，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心的目的，圖中箭頭為驅(qū)動(dòng)力的作用方向。

圖3 純連桿自定心中心架簡(jiǎn)圖

純連桿結(jié)構(gòu)的自定心中心架所需要的構(gòu)件數(shù)量較多，而且定位精度較低，其設(shè)計(jì)計(jì)算量非常大，設(shè)計(jì)步驟繁多，所以有學(xué)者提出基于純連桿結(jié)構(gòu)的自定心中心架，將所有連桿的接觸方式改為直線滑動(dòng)，利用直線運(yùn)動(dòng)達(dá)到自動(dòng)定心與夾持的目的，如圖4所示。

圖4 純滑動(dòng)連桿類型自定心中心架

凸輪連桿結(jié)構(gòu)的自定心中心架目前應(yīng)用最為廣泛、定位精度最高、夾持最穩(wěn)定。凸輪連桿結(jié)構(gòu)自定心中心架如圖5所示，利用平動(dòng)凸輪上的工作曲線與鉸接機(jī)構(gòu)約束夾持臂作精確地?cái)[動(dòng)，與平動(dòng)凸輪相互配合精確定位夾持中心。雖然凸輪連桿結(jié)構(gòu)的自定心中心架制造成本高，但是因?yàn)槠渚哂懈呔?、小體積、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，依然被使用者青睞，成為市面上的主流產(chǎn)品。

圖5 凸輪連桿類型自定心中心架

齒輪連桿結(jié)構(gòu)的自定心中心架內(nèi)部通過(guò)齒輪副驅(qū)動(dòng)，利用齒輪副之間具有固定的傳動(dòng)比，將運(yùn)動(dòng)傳遞給夾持桿件，從而實(shí)現(xiàn)自定心夾持，如圖6所示。與凸輪連桿結(jié)構(gòu)的自定心中心架對(duì)比，齒輪連桿結(jié)構(gòu)自定心中心架中齒輪副的安裝所需空間大，直接導(dǎo)致了整體架構(gòu)的體積大，并且齒輪副之間存在背隙問(wèn)題，原理上無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度夾持[11-12]。

圖6 齒輪連桿自定心中心架

常見的自定心中心架的夾頭有平面類和滾子類兩種，如圖7所示。使用平面類夾頭夾持工件時(shí)，與工件的接觸類型是凸面—平面接觸，工件表面在夾持力作用下產(chǎn)生的接觸應(yīng)力較小，其通常用于在磨床上以低轉(zhuǎn)速高切削力加工場(chǎng)合。滾子類夾頭夾持軸類工件時(shí)的接觸類型是凸面—凸面接觸，工件表面在夾持力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的接觸壓應(yīng)力，限制了工件切向的承受能力，通常用于車床上以高轉(zhuǎn)速低切削力加工軸類零件。

圖7 自定心中心架的夾頭種類

上世紀(jì)60年代末，德國(guó)的夾具廠商率先研發(fā)出了車床用自定心中心架，此后不久，瑞典、美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家也相繼推出各自的自定心中心架。目前，自定心中心架的著名制造商包括德國(guó)的SCHUNK公司、SMW Autoblok公司，印度的Fenwick and Ravi公司以及瑞典的Atling公司等[13-16]，各公司生產(chǎn)的中心架樣品如圖8所示。

圖8 不同廠家的自定心中心架

國(guó)內(nèi)研究人員徐旭東等[17-18]在上世紀(jì)90年代研究了一種可以在普通車床上的手動(dòng)開啟式自定心中心架，提高了細(xì)長(zhǎng)軸零件的定位精度，但由于是手動(dòng)定位，依舊存在較大的定位誤差，且耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)；欒芝、何榮開等[19-20]定性分析了液壓缸作為動(dòng)力源的凸輪結(jié)構(gòu)自定心中心架，研究了工作原理、凸輪材料的選擇與加工工藝，對(duì)凸輪結(jié)構(gòu)自定心中心架的設(shè)計(jì)、制造奠定了一定的理論基礎(chǔ)；王洪、黃標(biāo)以及盧學(xué)玉等[21-23]推導(dǎo)了自定心中心架中平動(dòng)凸輪的輪廓曲線，給出了曲線方程，建立了凸輪型線的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)曲線方程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，為凸輪的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；涂庭波[24]在對(duì)液壓自定心中心架凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，針對(duì)凸輪型線的設(shè)計(jì)方法分別給出了基于瞬心法和包絡(luò)法的兩種凸輪輪廓建模方法，并對(duì)凸輪的壓力角、不同工況下凸輪機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了分析，最終選定了較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，使夾持臂的運(yùn)動(dòng)更穩(wěn)定，精度更高；趙永強(qiáng)、李京魯[25-26]對(duì)平移凸輪曲線推導(dǎo)及凸輪機(jī)構(gòu)的受力進(jìn)行了研究，建立了參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，并基于虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合，為磨床用自定心中心架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與拓?fù)鋬?yōu)化提供了一種新的方法。

圖9 一種自定心中心架的參數(shù)化模型

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于自定心中心架的研究大多集中在平動(dòng)凸輪輪廓曲線的推導(dǎo)上，雖然對(duì)提高自定心中心架的定位精度與夾持穩(wěn)定性的提高有一定的推進(jìn)作用，但是仍然缺少對(duì)其從設(shè)計(jì)、材料選用、參數(shù)優(yōu)化、加工以及應(yīng)用的系統(tǒng)性研究，且由于國(guó)際先進(jìn)的中心架制造廠商對(duì)中國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)高端產(chǎn)品研究遲緩，市場(chǎng)長(zhǎng)期處于被歐美廠商壟斷狀態(tài)。綜上，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于自定心中心架的研究進(jìn)展緩慢，短期內(nèi)難以在高端自定心中心架產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)突破，技術(shù)上被國(guó)外廠商限制的格局長(zhǎng)期存在，所以高端自定心中心架的完全自主化研究生產(chǎn)進(jìn)程任重道遠(yuǎn)。

3 自定心中心架的發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)制造業(yè)朝著高精度邁進(jìn)，細(xì)長(zhǎng)軸類零件的加工精度越來(lái)越被重視，從而使自定心中心架的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，商業(yè)市場(chǎng)也越來(lái)越大。由于工廠對(duì)于自動(dòng)化、高精度的要求逐步提高，將會(huì)有更多的研發(fā)機(jī)構(gòu)與公司投入到自定心中心架的研究開發(fā)中。未來(lái)自定心中心架的發(fā)展趨勢(shì)將主要集中在以下幾點(diǎn)：

（1）高精度。普通閉式結(jié)構(gòu)的中心架通常采用三點(diǎn)夾緊或四點(diǎn)夾緊，夾緊精度及重復(fù)性精度普遍大于0.01 mm；一些廠家推出的液壓驅(qū)動(dòng)自定心中心架的定位精度可達(dá)0.005 mm。自定心中心架的實(shí)質(zhì)是一種夾具，而夾具本身的制造精度與裝配誤差會(huì)對(duì)工件的定位精度與機(jī)構(gòu)特性造成影響[27]。如果可以對(duì)自定心中心架的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)定心精度以及夾持穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究，并得到優(yōu)化結(jié)果，提高自定心中心架的加工精度與定位精度，則可以在降低制造成本的前提下，推進(jìn)高端自定心中心架的發(fā)展。

（2）新的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。加工大尺寸軸類零件時(shí)，對(duì)于自定心中心架的要求也較高，例如為了在高承載能力的前提下提高定位精度，則需要更長(zhǎng)的平動(dòng)凸輪和連桿、尺寸結(jié)構(gòu)更合適的滾輪等，大幅提升加工制造難度，因此需要對(duì)一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合專門設(shè)計(jì)新的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以滿足使用要求。

（3）高負(fù)載。鍛壓設(shè)備和大型軍事設(shè)備上需要更大尺寸的軸類零件，但是目前大型軸類毛坯加工困難，普通中心架無(wú)法滿足此類工件的支撐條件。連桿支撐臂機(jī)構(gòu)是自定心中心架的主要承力機(jī)構(gòu)，隨著連桿支撐臂機(jī)構(gòu)制作技術(shù)和材料的發(fā)展，自定心中心架的承載能力將得到很大提高[28]。

（4）小型化和一體化。隨著數(shù)控機(jī)床的一體化發(fā)展，自定心中心架作為其附屬構(gòu)件，必定要實(shí)現(xiàn)小體積、一體化結(jié)構(gòu)，減少安裝占用空間與質(zhì)量。如德國(guó)的 SCHUNK公司將某型號(hào)的自定心中心架中的實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的所有關(guān)聯(lián)部件都集中在一個(gè)小型封閉單元中，大幅降低了直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積，從而使此型號(hào)的自定心中心架整體體積降低，且實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)[29]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著軸類零件加工精度的要求越來(lái)越高，自定心中心架將得到更加廣泛的應(yīng)用。與普通三點(diǎn)或四點(diǎn)支撐的閉式中心架相比，自定心中心架的定位精度高、夾持穩(wěn)定性高且自動(dòng)化程度高，裝夾工件的操作簡(jiǎn)單。由于自定心中心架的高精度、快速響應(yīng)、夾持部件運(yùn)動(dòng)的同步性好和夾持穩(wěn)定性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，所以能夠勝任大多數(shù)生產(chǎn)實(shí)踐場(chǎng)合工件的自動(dòng)定心與夾持。

國(guó)外很多企業(yè)在自定心中心架生產(chǎn)制造技術(shù)上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)的自定心中心架產(chǎn)品占據(jù)了大部分的國(guó)際市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)的自定心中心架生產(chǎn)廠家起步晚，研究不具有系統(tǒng)性，技術(shù)水平總體落后于國(guó)外，所以國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)需要繼續(xù)加大研發(fā)力度與研究的系統(tǒng)性，爭(zhēng)取將國(guó)產(chǎn)高端自定心中心架產(chǎn)品推向國(guó)際市場(chǎng)。

由于自定心中心架在眾多細(xì)長(zhǎng)軸類零件加工場(chǎng)合應(yīng)用廣泛，會(huì)有越來(lái)越多的企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)投入到自定心中心架的研究開發(fā)中。自定心中心架將朝向高精度、高負(fù)載、一體化的方向發(fā)展。