魏 波 王 甜

（哈爾濱石油學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

1 研究目的與意義

工作臺(tái)組件是車銑加工中心的重要組成部分，它可以實(shí)現(xiàn)功能有：工件在360°范圍內(nèi)分度旋轉(zhuǎn)或任意分度定位和對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件進(jìn)行加工。因此，工作臺(tái)的尺寸精度、運(yùn)動(dòng)精度及組件間的相對(duì)位置精度會(huì)直接影響機(jī)床功能的實(shí)現(xiàn)，這也就對(duì)機(jī)床的性能有了更高的要求，同時(shí)對(duì)機(jī)床精度要求相應(yīng)的提高[1]。

因此，能夠全面對(duì)工作臺(tái)組件進(jìn)行分析，并分解各關(guān)鍵零件的重要作用，進(jìn)而設(shè)計(jì)出適合機(jī)床性能要求的結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。

2 應(yīng)用前景

隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展，車銑加工中心將會(huì)被越來越多的使用，主要以擴(kuò)大其加工范圍，并提高其生產(chǎn)效率。預(yù)計(jì)將來的幾年內(nèi)，盡管一些機(jī)械行業(yè)因?yàn)楫a(chǎn)能過剩，而影響宏觀調(diào)控力度，使得持續(xù)在低水平條件下，但部分機(jī)械制造業(yè)將有一個(gè)不錯(cuò)的增長速度，尤其是那些在國家政策鼓勵(lì)條件下，大力振興、發(fā)展的機(jī)械行業(yè)[3]。作為機(jī)械類制造業(yè)中主要機(jī)器，車銑加工中心將獲得持續(xù)穩(wěn)定的增長。

當(dāng)下車銑加工中心的工作臺(tái)組件已大量運(yùn)用在立式車削機(jī)床、大型數(shù)控機(jī)床以及多種加工中心上，發(fā)展?fàn)顩r表現(xiàn)在：

（1）規(guī)格上，可以兩頭雙向延伸，發(fā)展成小型、大型的工作臺(tái)；

（2）性能上，可采用以鑄造錫青銅為材料的蝸輪，全面提升工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速以及工作臺(tái)的承受的壓強(qiáng)；

（3）形式上，繼續(xù)開發(fā)出兩軸聯(lián)動(dòng)、多軸并聯(lián)相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的工作臺(tái)[4]。

3 車銑加工中心工作臺(tái)組件傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)

工作臺(tái)組件其主要功能為：根據(jù)其系統(tǒng)控制指令，保證工作臺(tái)組件完成圓周進(jìn)給的切削加工，并使工作臺(tái)組件完成分度功能。車銑加工中心工作臺(tái)組件采用的驅(qū)動(dòng)方式為伺服電機(jī)，利用無級(jí)調(diào)速的方式進(jìn)行工作，故車削加工中心工作臺(tái)組件的定位與重復(fù)定位精度由控制系統(tǒng)而決定[5]。

車銑加工中心的工作臺(tái)組件作為一個(gè)整體，主要由電機(jī)、傳動(dòng)、執(zhí)行、支承、控制等系統(tǒng)組成，傳動(dòng)系統(tǒng)作在電機(jī)與執(zhí)行系統(tǒng)的聯(lián)系部分，用來傳遞運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)組件的分度運(yùn)動(dòng)。該車銑加工中心，其電機(jī)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)傳動(dòng)箱體、一個(gè)主軸組件承擔(dān)，里面裝有齒輪、軸、軸承等傳動(dòng)零件、實(shí)現(xiàn)傳力、分度和旋轉(zhuǎn)的功能。

該車銑加工中心傳動(dòng)方案分析如下：

傳動(dòng)零件主要采用齒輪、齒圈，其能承受的載荷較高，并且有較穩(wěn)定的傳動(dòng)比，其傳遞的功率、速度范圍較大，結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊。將多對(duì)齒輪放在系統(tǒng)的高速級(jí)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力的傳遞，將齒輪、齒圈放在系統(tǒng)低速級(jí)，可獲得旋轉(zhuǎn)和分度的功能，其方案制定較合理。

4 工作臺(tái)組件關(guān)鍵零件的總體設(shè)計(jì)

工作臺(tái)組件主要由工作臺(tái)、工作臺(tái)底座、工作臺(tái)主軸組件、C 軸傳動(dòng)箱、主變速箱，組成，在UG 建模條件下，其裝配圖見圖1，其關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)如下：

圖1 工作臺(tái)組件整體裝配圖

4.1 工作臺(tái)和齒圈設(shè)計(jì)

工作臺(tái)作為重要的回轉(zhuǎn)零件，在其上應(yīng)有工件的裝夾和找正。工件通過夾具固定在工作臺(tái)上后，隨工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)被加工的過程，工作臺(tái)的另一個(gè)作用就是起到支撐作用。為了滿足其分度的功能，故工作臺(tái)做成圓形件，此外工作臺(tái)表面需要T 型槽，用于工作臺(tái)上夾具的定位夾緊。為了保證工作臺(tái)其耐用性更好，則在工作臺(tái)的中心處加工出一個(gè)通孔，主要用于安裝襯套，而工作臺(tái)下端面則需用轉(zhuǎn)軸定位。

齒圈作為其工作臺(tái)分度的重要零件，整個(gè)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和分度是靠齒圈來提供動(dòng)力，主要功能就是傳遞扭矩，齒圈是用螺釘連接到工作臺(tái)上的。工作時(shí)，齒輪與齒圈的嚙合傳動(dòng)，將帶著工作臺(tái)及轉(zhuǎn)軸一起運(yùn)動(dòng)。利用UG 建模，則工作臺(tái)與齒圈結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 工作臺(tái)與齒圈結(jié)構(gòu)

4.2 工作臺(tái)主軸組件的設(shè)計(jì)

工作臺(tái)主軸組件通過推力滾子軸承、圓柱滾子軸承、套筒、調(diào)整墊及螺栓螺母標(biāo)準(zhǔn)件等固定在工作臺(tái)與底座之間，主軸底端法蘭與工作臺(tái)底座用螺釘連接，軸承套與工作臺(tái)用螺釘連接，間隙用調(diào)整墊圈調(diào)隙。工作臺(tái)主軸組件作為承上啟下的作用，用于連接工作臺(tái)與工作臺(tái)底座，工作臺(tái)主軸是一個(gè)空心的階梯軸結(jié)構(gòu)，是工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心，也是支撐工作臺(tái)及被加工工件的重要零部件。該主軸主要用于分擔(dān)工作臺(tái)重量，使得工作臺(tái)繞軸而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由于軸功能結(jié)構(gòu)及使用性能要求，該軸的材料選用40Cr，通過調(diào)制熱處理而獲得較高的硬度。

主軸組件中另一個(gè)重要的零件就是軸承，軸承的的游隙也是作為影響主軸轉(zhuǎn)動(dòng)誤差的一個(gè)重要條件，進(jìn)而影響工作臺(tái)組件分度功能。

4.3 工作臺(tái)底座設(shè)計(jì)

工作臺(tái)底座材料為灰鑄鐵，工作臺(tái)底座前體和工作臺(tái)底座后體通過螺栓螺母拼接而成，組成工作太底座，工作臺(tái)底座用于支撐整個(gè)工作臺(tái)及被加工工件重量，安裝在工作臺(tái)上的夾緊裝置實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)精密分度、定位的功能。底座的主要作用是支撐作用；同時(shí)它也是連接各功能部件的中介（主變速箱，C 軸傳動(dòng)箱），它們之間的相互位置精度是影響機(jī)床性能的關(guān)鍵，所以對(duì)他們的形位公差有較高的要求。利用UG建模，則工作臺(tái)底座結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 工作臺(tái)底座結(jié)構(gòu)圖

4.4 主變速箱和C 軸傳動(dòng)箱

C 軸傳動(dòng)箱是一個(gè)多孔類的薄壁傳動(dòng)箱體，是工作臺(tái)組件中的重要零部件，主變速箱是傳動(dòng)箱體，同C 軸傳動(dòng)箱一樣是工作臺(tái)組件中的重要零部件，區(qū)別為：C 軸傳動(dòng)箱為車銑加工中心的分度及圓周進(jìn)給提供動(dòng)力，而主變速箱是實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的車削加工的條件。

5 工作臺(tái)齒圈變形對(duì)工作臺(tái)組件分度功能的影響

齒圈作為一個(gè)重要的零件，其變形情況直接影響工作臺(tái)組件分度功能，齒圈和工作臺(tái)相連，其中共有兩個(gè)關(guān)鍵結(jié)合面；即一個(gè)為與工作臺(tái)配合面，采用過渡配合；另一個(gè)是螺釘相連的環(huán)形接觸面。齒圈于工作臺(tái)上結(jié)構(gòu)較為特殊，并具有重要的功能，另外齒圈為薄壁零件結(jié)構(gòu)，所以在傳力過程中，極易引起變形。

在對(duì)齒圈功能進(jìn)行分析后，根據(jù)其約束條件、受載荷條件情況，建立了齒圈的受力模型，主要能夠清楚的表現(xiàn)出零件與其相配合件的裝配關(guān)系，則齒圈結(jié)構(gòu)和工作臺(tái)間的裝配位置關(guān)系見圖4。

圖4 齒圈結(jié)構(gòu)和工作臺(tái)間的裝配位置關(guān)系

C 軸傳動(dòng)箱里的一對(duì)消隙齒輪、主傳動(dòng)箱里與齒圈小齒輪，他們的位置關(guān)系是齒圈受載荷進(jìn)行分析的重要約束條件，小齒輪主要提供切削動(dòng)力，其消隙齒輪對(duì)除了用于消除齒間的嚙合間隙時(shí)，更重要的作用是滿足工作臺(tái)的分度。這三個(gè)齒輪中，小齒輪與齒圈嚙合受力為主要研究對(duì)象，其運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、齒面的變形、磨損破壞對(duì)齒圈變形有著重要的影響。消隙齒輪與齒圈的嚙合，影響著工作臺(tái)分度、運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。齒圈與主傳動(dòng)箱小齒輪相互嚙合，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳動(dòng)，則齒圈受到交變載荷的作用，其主要應(yīng)力形式為脈動(dòng)循環(huán)，齒圈的基本參數(shù)如下：材料45 號(hào)鋼、齒數(shù)288、模數(shù)16 mm、壓力角20°、螺旋角4.5°。

根據(jù)齒圈參數(shù)，可得到齒圈的直徑，具體的計(jì)算見式1。

已知工作臺(tái)最大轉(zhuǎn)矩為：460KN.m，齒圈受到圓周力Ft、徑向力Fr、軸向力Fa、法向力Fn，則相應(yīng)的計(jì)算見式（2）、（3）、（4）、（5）。

由于齒圈與小齒輪嚙合時(shí)的受力狀況，所以取摩擦系數(shù)為0.08，則摩擦力的計(jì)算見式（6）。

為了使ANSYS 分析更加簡便，減少其力的個(gè)數(shù)，而將外力和摩擦力做合成，則x 方向、y 方向、z 方向、總受力的計(jì)算見式（7）、（8）、（9）、（10）。

齒圈重合度為端面、縱向的重合度的總和。則表達(dá)式為：ε=εa+εβ。在這里將齒圈、小齒輪作為研究的對(duì)象，根據(jù)條件：齒圈的齒數(shù)288，小齒輪的齒數(shù)36，而螺旋角是4.5°。

即端面的重合度：計(jì)算見式（11）。

即縱向的重合度：計(jì)算見式（12）。

可得總重合度：計(jì)算見式（13）。

齒圈變形直接影響工作臺(tái)組件的分度功能，通過對(duì)工作臺(tái)齒圈進(jìn)行載荷計(jì)算，目的是為后續(xù)裝配在工作臺(tái)上變形作進(jìn)一步的分析。齒圈與主傳動(dòng)箱中小齒輪齒面嚙合，在約束、載荷的作用下，傳遞切削動(dòng)力，能夠完成車削加工功能，C 軸傳動(dòng)箱中的消隙齒輪對(duì)可以消除反響嚙合間隙，可以有效地控制嚙合誤差并減少傳動(dòng)誤差與回程誤差，提高齒圈穩(wěn)定性和使用壽命，并保證工作臺(tái)主軸的傳動(dòng)、分度功能[5]。

通過對(duì)齒圈施加載荷，進(jìn)而對(duì)齒圈做變形分析，通過齒圈變形的分析，得到齒圈受到載荷作用下的齒面變形情況，由于齒圈的變形，致使齒圈齒面輪廓失去正確形狀，從而導(dǎo)致工作臺(tái)組件分度不再準(zhǔn)確。

將上述計(jì)算所得載荷施加于齒圈上，利用ANSYS 軟件，通過對(duì)齒圈應(yīng)力、應(yīng)變、變形分析，由于齒圈變形的不均勻，使其傳動(dòng)出現(xiàn)誤差，進(jìn)一步影響工作臺(tái)組件分度功能準(zhǔn)確性的保證。按照其相應(yīng)的載荷約束條件，輸出齒圈的應(yīng)力、應(yīng)變、總體變形云圖見圖5。

圖5 應(yīng)力、應(yīng)變、總體變形云圖

從變形云圖里可以清楚地看到齒圈整體變形的不均勻性，變形從齒頂部向內(nèi)依次遞減，齒頂圓附近變形較大，對(duì)工作臺(tái)組件的分度影響較為嚴(yán)重，不妨可采用更為嚴(yán)格的表面熱處理方法，增加其硬度，提高其抗變形能力，進(jìn)而保證工作臺(tái)組件分度的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

本文將車銑加工中心工作臺(tái)組件的結(jié)構(gòu)做出全面的分析，明確了車銑加工中心工作臺(tái)組件的旋轉(zhuǎn)與分度過程，掌握了其工作原理及結(jié)構(gòu)，通過對(duì)工作臺(tái)組件各關(guān)鍵零件的UG 建模，充分認(rèn)識(shí)了工作臺(tái)組件重要作用，進(jìn)而解決了工作臺(tái)組件中各關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)過程，重點(diǎn)對(duì)齒圈進(jìn)行了載荷計(jì)算的重要分析，利用ANSYS 軟件，做出其整體變形云圖，采用表面熱處理提高其硬度的方式抵抗變形，從而進(jìn)一步確保工作臺(tái)組件分度功能的準(zhǔn)確性。