黃小東 姜杰鳳

(①浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系，浙江 杭州 310027;②杭州師范大學(xué)錢(qián)江學(xué)院，浙江 杭州 310036)

一般把長(zhǎng)度與直徑之比(L/D)大于20 的軸類零件，稱為細(xì)長(zhǎng)軸。細(xì)長(zhǎng)軸零件外形并不復(fù)雜，但由于其自身剛度差，車削時(shí)受側(cè)向切削力、重力、切削熱等因素的影響，加工中容易產(chǎn)生振動(dòng)及彎曲變形，導(dǎo)致加工后產(chǎn)生錐度、鼓形和鞍形等形狀缺陷，并且難以保證加工表面粗糙度等要求，使細(xì)長(zhǎng)軸的切削成為難度較大的加工工藝［1-3］。細(xì)長(zhǎng)軸車削加工時(shí)常采用前端夾、后端頂?shù)难b夾方式。但后端頂尖的頂持作用，常增加了工件的彎曲。有研究表明采用一夾一拉可適當(dāng)改善頂持的影響［4］，故本文提出使用兩端同步夾持并且拉緊工件的方式。為了增強(qiáng)工件剛度，常采用跟刀架(或中心架)，對(duì)增強(qiáng)具有一定的作用［5-6］。針對(duì)工件剛度差的情況，提出應(yīng)用跟刀機(jī)械手，減小工件加工變形，以提高工件的加工精度。

當(dāng)細(xì)長(zhǎng)軸工件兩頭都需要加工時(shí)，使用傳統(tǒng)車削機(jī)床，一般需要兩次裝夾，兩次切削，批量生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)效率低。本文則提出了一種細(xì)長(zhǎng)軸雙頭同步車削專用機(jī)床，提高生產(chǎn)效率。

1 加工工藝需求

某機(jī)車用減振彈簧原料長(zhǎng)度為2000～3000 mm，直徑范圍為8～14 mm，此為典型的細(xì)長(zhǎng)軸。其中一種細(xì)長(zhǎng)軸工件如圖1 所示，材料為55CrSiA。該工件總長(zhǎng)為2800 mm，中間段1200 mm、兩端50 mm 為等徑段，不需要加工;中間段兩側(cè)各750 mm 的變徑段需要加工。變徑段最大直徑為13.6 mm，最小直徑為8.3 ±0.1 mm，錐度約為0.2°。該工件兩側(cè)對(duì)稱的兩段需要加工，加工尺寸大、直徑小，且為帶錐度車削，由于切削量在加工過(guò)程不斷變形，導(dǎo)致切削力不斷變化，更增加了加工的難度。

2 加工裝夾方案

上述細(xì)長(zhǎng)軸工件，如果利用通用車床加工，加工過(guò)程為:裝夾工件，車削工件一側(cè);拆卸工件，掉頭再次裝夾，車削另一側(cè)。需要兩次裝夾、兩次切削，效率低。傳統(tǒng)夾持方式為一夾一頂加跟刀架(或中心架)的形式，如圖2a 所示。根據(jù)壓桿穩(wěn)定理論，尾座頂尖頂持作用，會(huì)增大細(xì)長(zhǎng)軸加工中的不穩(wěn)定性和彎曲變形;另外，因?yàn)楣ぜ囅鞑糠譃樽儚蕉?，而跟刀架為剛性件，跟刀架支撐釘只能預(yù)先調(diào)整為對(duì)應(yīng)最大直徑尺寸，車削到較小直徑端時(shí)，難以起到剛度增強(qiáng)的作用，使得加工精度難以保證。傳統(tǒng)加工夾持方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸雙頭錐度車削的高效、高精度加工。

為了提高加工效率和加工質(zhì)量，充分利用工件的加工特性，設(shè)計(jì)了新的加工夾持方案，如圖2b 所示。在工件的兩端設(shè)計(jì)有左、右兩套夾持裝置，一次裝夾，對(duì)工件兩側(cè)變徑段進(jìn)行同步加工，可成倍提高加工效率;另外，兩側(cè)刀具采用正、反向走刀，可使兩側(cè)軸向走刀力相互抵消，有利于提高加工穩(wěn)定性。鑒于細(xì)長(zhǎng)軸工件頂持的不利影響，在尾座處用夾持代替頂持，同主軸處三爪卡盤(pán)形成對(duì)工件的雙夾持，并在尾座拉緊機(jī)構(gòu)作用下對(duì)工件兩端進(jìn)行拉緊，以達(dá)到提高工件剛度的目的。對(duì)于跟刀架無(wú)法適應(yīng)變徑支撐的情況，設(shè)計(jì)跟刀機(jī)械手作為柔性化支撐，用于錐度帶錐度車削加工。

3 專用機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝需求和加工裝夾方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了可對(duì)工件兩端進(jìn)行同步錐度車削加工的專用機(jī)床，如圖3所示。在車削機(jī)床機(jī)身上，關(guān)于O-O 對(duì)稱布局有左、右兩套相同的執(zhí)行裝置，每套裝置包括主傳動(dòng)系統(tǒng)、尾部夾緊拉緊系統(tǒng)、刀架進(jìn)給系統(tǒng)(包括跟刀機(jī)械手)、排屑系統(tǒng)。在機(jī)床縱向(Z 向)上，機(jī)架上中間位置安裝有左、右主傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)床兩側(cè)設(shè)置左、右尾座夾緊拉緊系統(tǒng)。左、右主傳動(dòng)系統(tǒng)和左、右尾座夾緊拉緊系統(tǒng)位于同一直線上，加工時(shí)同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行夾緊，工件下方設(shè)置排屑槽，排屑槽中安裝有排屑系統(tǒng);在機(jī)床橫向(X 向)上，刀架進(jìn)給系統(tǒng)都分布于排屑槽后方，切屑不易落入進(jìn)給用導(dǎo)軌上。

3.1 雙主傳動(dòng)系統(tǒng)

圖4 所示為雙主傳動(dòng)系統(tǒng)(圖3 中俯視局部放大)，該雙傳動(dòng)系統(tǒng)由同一臺(tái)主電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)輸出軸和花鍵軸相連，通過(guò)左、右兩套同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)兩側(cè)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。主傳動(dòng)系統(tǒng)處的裝夾裝置主要由動(dòng)力卡盤(pán)和回轉(zhuǎn)油缸組成，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制卡盤(pán)夾緊和放松工件，且?jiàn)A緊可靠。主電動(dòng)機(jī)和左主軸箱安裝于左滑板上，右主軸箱安裝于右滑板上，通過(guò)左、右線性傳動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)，可改變左、右主傳動(dòng)系統(tǒng)的相對(duì)位置，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)軸工件。

3.2 尾座夾緊拉緊系統(tǒng)

尾座夾緊拉緊系統(tǒng)如圖5 所示(圖3 中主視局部放大圖)，工件的夾緊和放松由氣動(dòng)筒夾夾頭實(shí)現(xiàn)。上端氣缸用于控制氣動(dòng)筒夾夾頭的伸縮，由于細(xì)長(zhǎng)軸工件系列長(zhǎng)度的不同，其伸縮的距離由套筒尺寸確定，同時(shí)上端氣缸可起到拉緊工件的作用。下端氣缸通過(guò)軸銷和滑板相連，可帶動(dòng)尾座在機(jī)床縱向(圖3 中Z向)移動(dòng)，用于細(xì)長(zhǎng)軸工件裝卸時(shí)為工件留出空間位置。

3.3 跟刀機(jī)械手

跟刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，該機(jī)械手具有伸縮功能和夾緊功能，伸縮功能由氣動(dòng)滑臺(tái)推動(dòng)安裝座等來(lái)實(shí)現(xiàn)，氣缸驅(qū)動(dòng)推桿，進(jìn)而帶動(dòng)兩個(gè)手指夾緊和放松工件。另外，通過(guò)緊定螺釘、彈簧和滾輪達(dá)到自適應(yīng)工件帶錐度車削時(shí)直徑變化的目的，且滾輪可以跟隨工件自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)從提高生產(chǎn)效率和加工穩(wěn)定性出發(fā)，提出對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸工件兩側(cè)同步且正、反走刀的車削方案，進(jìn)而給出了專用機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)布局和雙傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(2)從提高工件加工夾持剛度考慮，提出了應(yīng)用尾座夾持并拉緊代替?zhèn)鹘y(tǒng)頂持、用跟刀機(jī)械手代替跟刀架的裝夾方案，進(jìn)而設(shè)計(jì)了尾座夾緊拉緊系統(tǒng)和跟刀機(jī)械手。

由于本專用機(jī)床還在系統(tǒng)調(diào)試階段，未進(jìn)行試車，故工件實(shí)際加工效果將在后續(xù)研究進(jìn)行分析。

［1］王韜.細(xì)長(zhǎng)軸的車削加工［J］.機(jī)械工程師，1998(3):48 -51.

［2］王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)［M］.2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］李健，龐勇.細(xì)長(zhǎng)軸車削加工徑向變形和切削力的分析計(jì)算［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化技術(shù)，2012(2):23 -25.

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［5］韓榮第，郭建亮.加跟刀架的細(xì)長(zhǎng)軸車削加工尺寸誤差的仿真［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(11):108 -112.

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