孫崗存 袁 麗

（①沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110141;②沈陽(yáng)合金材料有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110179）

1 概述

交換臺(tái)站是臥式加工中心的重要組成部分，尤其在小型臥式加工中心中，交換臺(tái)站設(shè)計(jì)的好壞將直接影響雙工作臺(tái)的交換時(shí)間，進(jìn)而影響機(jī)床的加工效率。我廠以前的TH6563×63A型臥式加工中心，因采用推拉式交換臺(tái)站結(jié)構(gòu)，存在交換速度慢等缺點(diǎn)。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)HMS63型臥式加工中心時(shí)，采用了具有交換速度快、旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠的直接旋轉(zhuǎn)式雙齒條驅(qū)動(dòng)的交換臺(tái)站。

本文以HMS63型臥式加工中心的雙齒條驅(qū)動(dòng)交換臺(tái)站的設(shè)計(jì)為例，講述雙齒條驅(qū)動(dòng)交換臺(tái)站的設(shè)計(jì)過(guò)程。根據(jù)機(jī)床的總體方案，制定雙齒條驅(qū)動(dòng)交換臺(tái)站的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

交換臺(tái)站主要由交換臺(tái)底座、旋轉(zhuǎn)支架、液壓油缸、回轉(zhuǎn)臺(tái)座和工作臺(tái)板等組成（圖1）。豎直固定在交換臺(tái)底座上的液壓油缸使工作臺(tái)板及旋轉(zhuǎn)支架浮起、落下。水平固定在交換臺(tái)底座上的液壓油缸，通過(guò)驅(qū)動(dòng)雙齒條與齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)板及旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)180°來(lái)完成工作臺(tái)板的交換。由于小型臥式加工中心大都采用2個(gè)工作臺(tái)板，當(dāng)一塊在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的工作臺(tái)板在加工工件時(shí)，另一塊在回轉(zhuǎn)臺(tái)座上的工作臺(tái)板可以裝卸工件，從而減少了加工輔助時(shí)間，明顯提高了機(jī)床的工作效率。

從浮起和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)剖視圖（圖2）中可以看到，當(dāng)工作臺(tái)需要交換時(shí)，液壓油開(kāi)始進(jìn)入浮起油缸的上部油腔，迫使旋轉(zhuǎn)支架帶動(dòng)2塊工作臺(tái)板浮起;接著，液壓油進(jìn)入旋轉(zhuǎn)油缸，推動(dòng)齒條水平運(yùn)動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條的嚙合帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架和工作臺(tái)板旋轉(zhuǎn)180°;最后，液壓油進(jìn)入浮起油缸的下部油腔，在油壓和重力的作用下，迫使旋轉(zhuǎn)支架帶動(dòng)2塊工作臺(tái)板落下，從而完成1次工作臺(tái)的交換。在浮起油缸的浮起和落下行程到位后，都會(huì)有無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及時(shí)反饋信號(hào)來(lái)保證浮起、落下平穩(wěn)可靠;在旋轉(zhuǎn)油缸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架及工作臺(tái)板旋轉(zhuǎn)到位后，也會(huì)有無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及時(shí)反饋信號(hào)來(lái)保證交換臺(tái)板的準(zhǔn)確度。

從雙齒條旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)剖視圖（圖3）中可以看到，當(dāng)旋轉(zhuǎn)支架需要旋轉(zhuǎn)時(shí)，液壓油開(kāi)始進(jìn)入油腔1，推動(dòng)齒條1向左水平運(yùn)動(dòng)，齒條1和齒輪嚙合，迫使齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)固定在齒條1左部的活塞撞到左面油缸的小活塞上時(shí)，小活塞需要克服油腔3內(nèi)的油壓，從而減小了沖擊，使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn);在齒條1向左水平運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，齒輪會(huì)驅(qū)動(dòng)齒條2迫使齒條2克服油腔2內(nèi)一定的油壓向右水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)固定在齒條2右側(cè)的活塞撞到行程定位塊后，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)停止。4個(gè)油缸的端部都設(shè)計(jì)有緩沖閥結(jié)構(gòu)，能夠起到很好的緩沖作用，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)快速平穩(wěn)、沖擊小。由于雙齒條同時(shí)與一個(gè)齒輪嚙合，可以很好地消除齒輪與齒條的間隙，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠。當(dāng)旋轉(zhuǎn)支架需要進(jìn)行下一次旋轉(zhuǎn)時(shí)，液壓油開(kāi)始進(jìn)入油腔2，推動(dòng)齒條2向左水平運(yùn)動(dòng)，齒條2和齒輪嚙合，迫使齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其余運(yùn)動(dòng)原理相同、順序相反，不再贅述。

3 理論計(jì)算

整個(gè)工作臺(tái)交換時(shí)間為8 s，其中:浮起2 s，旋轉(zhuǎn)4 s，落下2 s。因?yàn)槊慷螘r(shí)間都很短，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中都按勻加速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論計(jì)算。

3．1 浮起油缸的理論計(jì)算

由于交換臺(tái)浮起時(shí)需要克服重力的作用，浮起需要的油壓遠(yuǎn)比交換臺(tái)落下時(shí)需要的油壓高，因此，這里只計(jì)算浮起時(shí)需要的油壓。

浮起的加速度計(jì)算如下:

式中:a為浮起的加速度，m/s2;s為浮起行程，s=0.07 m;t為浮起的時(shí)間，t=2 s。

油缸浮起時(shí)需要的油壓計(jì)算如下:

式中:P為油缸浮起油壓，MPa;S為油缸活塞面積，S=π（R2－r2）=3.14（0.082－0.062 52）=0.007 83 m2;M為交換臺(tái)浮起部分及工件的總質(zhì)量，M=1 500+2×1 200=3 900 kg;g為重力加速度。

計(jì)算油缸浮起時(shí)的油壓為

因?yàn)橛透椎母∑鹚鑹毫π∮谝簤罕谜镜某隹趬毫?，所以浮起油缸設(shè)計(jì)合理。

3．2 旋轉(zhuǎn)油缸的理論計(jì)算

齒條水平運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)算如下:

式中:a2為齒條水平運(yùn)動(dòng)的加速度，m/s2;S2為齒條水平運(yùn)動(dòng)的行程，S2=0．39 m;t2為旋轉(zhuǎn)時(shí)間，t2=4 s。

計(jì)算齒條水平運(yùn)動(dòng)所需要的油壓計(jì)算如下:

式中:P2為齒條水平運(yùn)動(dòng)所需要的油壓，MPa;S2為油缸活塞面積，S2=π×R22=3.14×0.0352=0.003 846 5 m2;M為工作臺(tái)浮起部分及工件的總質(zhì)量，M=3 900 kg;μ為鋼的靜摩擦系數(shù)，查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得，μ=0.30。

因?yàn)橛透淄苿?dòng)齒條水平運(yùn)動(dòng)所需的壓力小于液壓泵站的出口壓力，所以旋轉(zhuǎn)油缸設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)床樣機(jī)裝配完成后，對(duì)雙齒條驅(qū)動(dòng)交換臺(tái)站進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，結(jié)果證明該交換臺(tái)站浮起高度穩(wěn)定、旋轉(zhuǎn)交換沖擊小、運(yùn)行平穩(wěn)可靠，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

該機(jī)床樣機(jī)試制完成后，在2010年南京中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)上展出，榮獲中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)頒發(fā)的“春燕獎(jiǎng)”，并且被國(guó)內(nèi)某客戶搶購(gòu)。從客戶反饋回來(lái)的信息看，該雙齒條驅(qū)動(dòng)交換臺(tái)站在實(shí)際應(yīng)用中浮起高度穩(wěn)定、旋轉(zhuǎn)定位精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，完全能夠滿足客戶需要。

［1］《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組．機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986．

［2］張利平．液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．