孟 琪 關(guān) 元 艾鵬先 冉 東 劉玉雪

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)選擇

珍珠棉塊，主軸，裝夾總質(zhì)量為20kg，假設(shè)其為一質(zhì)量分布均勻的長(zhǎng)方體，長(zhǎng)寬均960mm，工件正常轉(zhuǎn)速為 300r/min。Ta1=1/12×20×(2×0.962)×5=15360N·mm；切削時(shí)在軸上產(chǎn)生的扭矩平均約為 5000N·mm工作扭矩 Ta=Ta1+T=20360N·mm；慣性扭矩Tb=W×a×L，W為負(fù)載質(zhì)量，a為啟動(dòng)加速度，負(fù)載到轉(zhuǎn)軸距離是800mm，故 Tb=200×0.1×10×0.8=160000N·mm，故啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為T=Ta+Tb=160+15.36=175360N·m。

綜上所述這里選取電機(jī)型號(hào)為Y315S2-2-B3，其同步轉(zhuǎn)速為1000r/min，功率為0.75kW。

1.2 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)

在電機(jī)與機(jī)床主軸之間采取帶傳動(dòng)，由于傳動(dòng)比較大，結(jié)構(gòu)緊湊，需要較大的摩擦力，因此選用普通V帶進(jìn)行傳動(dòng)。為了減少加工成本，容易裝配，帶輪選用實(shí)心式結(jié)構(gòu)，材料采用HT150，帶輪與電機(jī)主軸和機(jī)床主軸采取普通平鍵連接，間隙配合。

選擇帶型，根據(jù)計(jì)算功率為0.825，小帶輪轉(zhuǎn)速為1000r/min，選擇Z型V帶傳動(dòng)。確定小帶輪基準(zhǔn)直徑，dd1=50mm，轉(zhuǎn)速300r/min，傳動(dòng)中心距a0=1000，帶長(zhǎng)根據(jù)基準(zhǔn)取Ld=2480mm。

考慮帶輪的制造誤差，帶長(zhǎng)誤差，帶的彈性誤差，和因?yàn)閹У乃沙诋a(chǎn)生的補(bǔ)充張緊需要，帶的中心距變動(dòng)范圍如下：amin=a-0.015Ld=1044mm；amax=a+0.03Ld=1155mm。

輪轂采用實(shí)心式，與傳動(dòng)軸之間采用普通平鍵連接。傳動(dòng)軸公稱直徑為50mm，查閱手冊(cè)，平鍵尺寸為b=14mm，h=9mm，鍵長(zhǎng)L=100mm，鍵的材料采用45鋼。

1.3 軸的設(shè)計(jì)

為降低軸的重量，降低能量損失，減少?zèng)_擊載荷，提高加工精度，使用空心軸，材料為45鋼，進(jìn)行正火回火處理增強(qiáng)其強(qiáng)度與硬度。初定外徑為50mm，內(nèi)徑為3mm，與帶輪采用普通平鍵連接實(shí)現(xiàn)帶輪與軸的周向定位，與機(jī)架用滾動(dòng)軸承連接，與法蘭盤用M50螺紋連接。

由于軸上開有鍵槽，對(duì)于直徑d≤100mm的軸，當(dāng)開有一個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)將其軸徑增大5%～7%。由于這里的軸徑50＜100，開有一個(gè)鍵槽，將軸徑增大5%～7%，這里取7%，故有d≥（1+0.7）17.6=29.92。

2 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水平進(jìn)給設(shè)計(jì)：要實(shí)現(xiàn)對(duì)珍珠棉復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面的加工，必須實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的移動(dòng)，為降低成本，采取分層，將兩個(gè)自由度的移動(dòng)放在不同的高度，中間用移動(dòng)板連接這樣就實(shí)現(xiàn)了加工面的準(zhǔn)確移動(dòng)。見圖1。

圖1 軸向進(jìn)給模型圖

徑向進(jìn)給：在徑向需要大于加工曲面的回轉(zhuǎn)半徑，加工的曲面半徑為400mm，考慮到退刀需要留出足夠的空間，初定徑向進(jìn)給為900mm。徑向進(jìn)給采取光軸導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，光軸長(zhǎng)度為950mm。同時(shí)利用絲杠實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，絲杠長(zhǎng)度為1200mm，直徑為20mm，螺紋長(zhǎng)度為1000mm。見圖2。

圖2 徑向進(jìn)給模型圖

步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)：由于徑向進(jìn)給在加工過程中需要一直保持進(jìn)給，而且徑向加工為曲線為了保證加工的粗糙度滿足要求，提高加工質(zhì)量，因此將絲杠連接步進(jìn)電機(jī)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。用梅花聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)軸與絲杠的連接。為了確保步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作準(zhǔn)確性，有如下要求：滿足每秒徑向進(jìn)給10mm，而且要確保其可以反轉(zhuǎn)，這樣可以避免移動(dòng)刀具位置浪費(fèi)時(shí)間，提高加工效率，即每40s后實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

3 裝夾支撐設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)將珍珠棉固定在裝夾板上，利用四個(gè)L型卡爪，同時(shí)與裝夾板用螺釘連接，擋片防止珍珠棉在加工工程中由于軸向震動(dòng)脫落，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸規(guī)格的珍珠棉加工，極大地提高了機(jī)床的通用性，操作簡(jiǎn)單，固定可靠。

3.1 機(jī)架設(shè)計(jì)

為了節(jié)約資金，減少質(zhì)量，增加強(qiáng)度，加工難度，機(jī)架采取 70×70×7 Q235B 和 80×80×7 Q235B角鋼用電焊焊接在一起。機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：為降低成本采用框架式焊接，中間用鐵皮焊接一個(gè)梯形切削廢料箱，負(fù)責(zé)承接加工中產(chǎn)生的切削廢料，同時(shí)集裝主軸，防止對(duì)人造成意外傷害設(shè)置了鐵皮罩子進(jìn)行保護(hù)。

3.2 刀架設(shè)計(jì)

刀具要在活動(dòng)架上移動(dòng)并且還要實(shí)現(xiàn)對(duì)刀桿的固定。兩邊兩個(gè)孔固定在光軸上可以實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，中間的空孔固定在絲杠上可以實(shí)現(xiàn)徑向的進(jìn)給，同時(shí)上面的矩形槽防止刀桿，上面用螺釘固定擋片，實(shí)現(xiàn)拆卸和安裝。采取整體加工保證三個(gè)空位置精度，消除軸向誤差，提高刀頭加工精度。見圖3。

圖3 刀架模型圖

刀桿設(shè)計(jì)：刀桿采取后面為矩形方桿，安裝時(shí)放置在刀架中，用擋片進(jìn)行固定，前面用螺紋連接刀頭，螺紋旋向與加工時(shí)刀頭所受扭矩方向相反，加工時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自鎖，保證加工時(shí)刀頭不會(huì)晃動(dòng)，確保加工精度。矩形刀桿固定在刀架上的方形槽里不易轉(zhuǎn)動(dòng)更加穩(wěn)定，螺紋連接刀頭拆卸更加方便，可以隨時(shí)更換。刀桿要便于加工，同時(shí)具有較強(qiáng)的剛度，保證加工時(shí)刀具軸線，不會(huì)因?yàn)槭艿酵饬τ绊懓l(fā)生較大的變形。因此采用45鋼進(jìn)行加工。見圖4。

圖4 刀桿模型圖

3.3 珍珠棉復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面加工裝置總裝圖

加工裝置總裝圖見圖5、圖6。

圖5 珍珠棉復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面加工裝置三視圖

圖6 珍珠棉復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面加工裝置三維模型