王龍飛

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程學(xué)院，陜西 西安710300）

0 引言

車銑復(fù)合加工技術(shù)[1-2]是一種縮短產(chǎn)品制造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量的先進(jìn)加工理念，同時(shí)車銑復(fù)合加工技術(shù)是一種先進(jìn)的智能化的加工技術(shù)，集精密測(cè)量技術(shù)、CAD/CAM應(yīng)用技術(shù)和現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)于一體。該技術(shù)通過(guò)夾具的一次性?shī)A裝，便可以完成被加工零件的復(fù)雜表面或多個(gè)形面的加工過(guò)程，極大地降低了工件裝夾的時(shí)間、簡(jiǎn)化了加工系統(tǒng)的操作復(fù)雜性，減少了被加工零件的非生產(chǎn)時(shí)間。車銑復(fù)合加工技術(shù)[3-4]不僅滿足了客戶高加工精度、高生產(chǎn)效率、低庫(kù)存、低零件轉(zhuǎn)移和低占地面積的需求，它還符合“中國(guó)制造2025”節(jié)能減排的要求。可以預(yù)見，車銑復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)會(huì)越來(lái)越廣泛，并將朝著更寬工藝范圍、更高效率、更高精度和模塊化方向發(fā)展。

車銑復(fù)合加工機(jī)床是世界上最先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備之一。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有多家生產(chǎn)廠商可生產(chǎn)車銑復(fù)合加工機(jī)床，但機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，如數(shù)控系統(tǒng)、銑頭和回轉(zhuǎn)臺(tái)等產(chǎn)品，還有待進(jìn)一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)的車銑復(fù)合機(jī)床技術(shù)[5]和國(guó)外相比還有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)積累差距，整體加工技術(shù)和歐洲、日本相比還有不小的差距。車銑復(fù)合加工技術(shù)[5]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)朝著先進(jìn)、融合、簡(jiǎn)便、可靠、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

本文提出了一種簡(jiǎn)易車銑復(fù)合加工機(jī)床，可應(yīng)用于中小型企業(yè)，并為民用車銑復(fù)合加工機(jī)床的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

1 機(jī)床總體設(shè)計(jì)

車銑復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，機(jī)身和底座采用鑄鐵結(jié)構(gòu)，一次鑄造成型。在機(jī)身上開有通孔，安裝軸和軸承，用于連接三爪卡盤和電動(dòng)機(jī)1。主軸部件通過(guò)絲杠結(jié)構(gòu)與機(jī)身連接，工作臺(tái)的橫向及縱向運(yùn)動(dòng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，虎鉗刀架臺(tái)位于工作臺(tái)上，尾座位于最左端[6]，如圖1所示。

圖1 車銑復(fù)合機(jī)床總裝配圖

運(yùn)動(dòng)過(guò)程詳解：電動(dòng)機(jī)1運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)帶輪帶動(dòng)三爪卡盤旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)安裝在三爪卡盤上的工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)1運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)虎鉗刀架臺(tái)上的刀架臺(tái)做橫向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)工件的車削加工。電動(dòng)機(jī)2旋轉(zhuǎn)，通過(guò)帶輪帶動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸部件的上下運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)3旋轉(zhuǎn)，通過(guò)帶輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虎鉗工作臺(tái)上夾持工件的銑削加工。

2 主要零部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)身設(shè)計(jì)

機(jī)身是機(jī)床的重要支撐件，在機(jī)床工作過(guò)程中起著支撐機(jī)床主軸上下運(yùn)動(dòng)、三爪卡盤旋轉(zhuǎn)和尾座運(yùn)動(dòng)等作用，如圖2所示。

圖2 機(jī)身

機(jī)身材料常使用灰鑄鐵（HT250）材料，這種材料耐磨性、耐熱性較好，強(qiáng)度高，鑄造性能優(yōu)異，減振性良好，需要進(jìn)行人工時(shí)效處理。除此之外經(jīng)常用到的機(jī)身材料還有HT200、HT300和球墨鑄鐵，根據(jù)不同工作條件而定。

本文中的機(jī)身將車床的車身和銑床的立柱結(jié)合在了一起，更加節(jié)約空間，銑刀軸部件與機(jī)身通過(guò)燕尾槽連接，銑刀軸部件的上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向利用了絲杠原理，該設(shè)計(jì)可減輕機(jī)床的使用難度。

2.2 尾座設(shè)計(jì)

尾座是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其主要作用是在加工過(guò)程中為軸類零件定心，同時(shí)具有輔助支撐和夾緊軸類零件的功能。臥式數(shù)控車床的尾座常采用由套筒、尾座體、芯軸結(jié)構(gòu)等組成的整體式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。芯軸結(jié)構(gòu)靜剛度、動(dòng)剛度好，選取高精度的進(jìn)口軸承支承，同時(shí)整體式結(jié)構(gòu)尾座具有剛度高、抗震性能好，精度高等特點(diǎn)。

圖3 尾座

尾座的工作原理是：尾座套筒和螺紋軸相互配合，頂尖裝在套筒內(nèi)，套筒裝在主體上，螺紋軸的另一邊穿過(guò)后蓋與手搖輪相連，當(dāng)手搖動(dòng)時(shí)，套筒帶動(dòng)頂尖向前移動(dòng)。

2.3 主軸設(shè)計(jì)

主軸銑刀，使用傳統(tǒng)銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式，在機(jī)身立柱處，設(shè)計(jì)有燕尾槽與銑刀主軸連接，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)帶輪控制銑刀主軸的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步帶動(dòng)銑刀的旋轉(zhuǎn)。銑刀主軸與刀柄的上下運(yùn)動(dòng)，依靠機(jī)身處的絲杠和主軸的齒輪齒條結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。這樣的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，操控方便。銑刀刀柄可以依據(jù)使用銑刀的不同而進(jìn)行更換，使用范圍廣泛。

圖4 主軸

2.4 虎鉗刀架臺(tái)設(shè)計(jì)

虎鉗與刀架的相結(jié)合，便產(chǎn)生了一種即可以裝夾刀具，又可以裝夾工件的組合裝置。裝夾車刀時(shí)可以進(jìn)行車削加工；裝夾工件時(shí)可使用鉆頭對(duì)工件進(jìn)行銑削加工，如圖5所示。平口虎鉗的工作原理如下：使用開口扳手轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，通過(guò)絲杠螺母帶動(dòng)活動(dòng)鉗身向左、向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加緊與松開動(dòng)作?；顒?dòng)鉗身上部的刀架臺(tái)隨之移動(dòng)，不起夾緊作用，刀架臺(tái)一般為回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，刀具沿圓周方向安裝在刀架臺(tái)上，可以安裝軸向車刀、徑向車刀、鏜刀、鉆頭、軸向銑刀和徑向銑刀等。

圖5 虎鉗刀架臺(tái)裝置

3 機(jī)身有限元分析

使用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)車銑復(fù)合機(jī)床的機(jī)身進(jìn)行了不同彎矩載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變分析，施加1 000 N·m的彎矩。

從圖6應(yīng)力云圖分析結(jié)果觀察可知，機(jī)身的最大應(yīng)力發(fā)生在機(jī)身與底座的接觸處，機(jī)身的最大應(yīng)力為3.340×10-4Pa，小于灰鑄鐵（HT250）的最低抗拉強(qiáng)度250 MPa，機(jī)身可正常工作；從圖7位移云圖觀察可知，機(jī)身的最大位移變量是1.649×10-12m，變化量較小，不影響機(jī)床的正常使用。

圖6 應(yīng)力云圖

圖7 位移云圖

如圖8所示，通過(guò)PRO/E軟件裝配各構(gòu)件，在電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)上施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，觀察機(jī)床的三爪卡盤、主軸、虎鉗刀架臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，觀察得知：各子系統(tǒng)部分裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常，無(wú)干涉，可正常工作，機(jī)床能完成簡(jiǎn)單的車削和銑削加工，符合設(shè)計(jì)要求，滿足設(shè)計(jì)目的。

圖8 運(yùn)動(dòng)仿真示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的車銑復(fù)合機(jī)床，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，占地面積小，可實(shí)現(xiàn)車床及銑床的加工功能，能夠完成基本的外圓車削、鉆孔、車螺紋等功能，能夠適應(yīng)大多數(shù)零件的輪廓加工，適應(yīng)面廣，適合中小型企業(yè)進(jìn)行小批量生產(chǎn)。