球面車床的結構及精度設計

趙慧麗 王小勤 路君勇

（1.安陽工學院機械工程學院，河南 安陽 455000；2.安陽福士德鍋爐有限責任公司，河南 安陽 455000；3.安陽鑫盛機床有限公司研發中心，河南 安陽 455000）

球面車床的結構及精度設計

趙慧麗1王小勤2路君勇3

（1.安陽工學院機械工程學院，河南 安陽 455000；2.安陽福士德鍋爐有限責任公司，河南 安陽 455000；3.安陽鑫盛機床有限公司研發中心，河南 安陽 455000）

本文通過對球面加工原理的分析，總結了球面車床基本結構和幾何精度的設計方法。對球面機床的優化設計和合理使用，均具有一定的參考價值。

球面；基本結構；幾何精度

1 球面車床的結構設計及加工原理

球面車床是在普通車床基礎上派生出來的一種用于球面加工的專用車床，車床上各部分除床鞍外同于臥式車床或者僅有少量的改進設計。球面車床簡圖如圖1所示，球面車床上在床鞍和中拖板之間設計了回轉盤。普通車床的床鞍被設計成回轉盤座2，通過山形導軌和床身相連接，回轉盤1通過軸承3及圓形導軌安裝在回轉盤座2上，回轉盤1以軸承3定心繞回轉盤中心軸MN回轉。回轉盤通過燕尾導軌連接中拖板4，刀架5則固定在中拖板上。

圖 1 球面車床簡圖

車床工作時，工件裝夾在車床主軸上，由主軸帶動繞Z軸旋轉，同時在由溜板箱傳遞的動力驅動下，回轉盤帶動刀具繞回轉盤中心軸線MN從初始切削位置開始回轉，開始切球面。中拖板通過燕尾導軌移動，調整刀具位置，切出正確尺寸的球面。回轉盤可以在床身導軌上移動，以便調整球面中心的位置。

為了達到工作要求，要對床鞍和回轉盤進行了重新設計，如圖2所示，回轉盤既可以機動也可以手動，手動可旋轉360度，用于無級調速車削時，最大回轉角度可達180度，刀架可機動進退。車削球面時，蝸輪1與大斜齒輪2嚙合提供驅動力，驅動回轉盤旋轉，切出球面。

圖 2 回轉盤傳動機構

為擴大車床的使用范圍，回轉臺設計了固定裝置，當回轉臺用插銷固定后，回轉臺前面指示燈亮表示固定死，此時，驅動力通過位于回轉臺中心的軸3和錐齒輪傳給刀架，可做一般的車削。回轉臺固定后，不得機動旋轉，否則會造成重大事故。

為了加工內球面，專門設計了內刀架，如圖3所示，使用時將普通外刀架卸下，裝上內刀架，切削時刀架隨回轉盤旋轉，刀架的進給由手輪軸1通過蝸輪蝸桿帶動齒輪3，再通過刀桿4上的齒條帶動刀桿來實現。為了加工需要，還設計了微動進給機構2，用于精確加工。

為了得到更高的表面光潔度，球面車床上還可以增加一個砂帶磨，對車好的外球面進行拋光。但對提高球面的幾何精度并無多少效果，某些球面車床也可以帶砂輪磨頭，以便對球面進行磨削。

圖 3 內刀架及其傳動機構

2 球面車床幾何精度誤差對球面加工精度的影響

球面加工精度包含三個方面的內容：形狀精度，位置精度，尺寸精度[4]。本文僅研究形狀精度，在沒有特殊說明的情況下，本文所說的球面加工精度，球面加工誤差均指其形狀精度，形狀誤差。在機床加工過程中，球面形狀能否準確形成，取決于球面和刀具在切削運動過程中是否具有準確的相互位置關系。機床幾何精度對通過在加工過程中改變刀具和工件的相互位置關系引起加工誤差來影響球面的加工精度。各種幾何精度的誤差在大小和方向上各不相同，而加工精度必須在工序尺寸方向上度量，因而不同的機床幾何精度對球面加工精度的影響也不相同。當機床幾何精度誤差的方向與工序尺寸方向（即通過刀尖的加工表面的法線方向即誤差敏感方向）一致時，對加工精度的影響最大。球面車床幾何精度包括三部分：回轉盤的幾何精度，導軌的幾何精度，車床主軸的回轉精度。它們對球面加工精度的影響在方向、大小上各不相同。其中回轉盤的幾何精度對球面加工精度的影響較大，為該項幾何誤差的二分之一。導軌的幾何精度中，導軌在水平面內的直線度和導軌對主軸軸線在水平面內的平行度對球面加工精度的影響也較大。在車床主軸的幾何精度中，主軸軸向竄動對球面加工精度的影響最大。

生產實際中遇到的球面車床幾何精度誤差對球面加工精度的影響往往是多項誤差的綜合影響，也就是各單項誤差的合成問題，可以采用分析計算法計算總誤差[5]。

3 球面車床的幾何精度設計

球面車床工作精度的設計也就是確定球面機床的工作精度即球面加工的允許誤差。可以綜合以下幾個方面來確定：其一，確定車床所加工球面的類型，調查該類型球面所應用的行業對其精度要求，并把其作為確定車床工作精度的依據。其二，如果某行業對球面精度要求很高，需進行精加工，如磨、研等，應以精加工前所需精度作為確定車床工作精度的依據。其三，類比于同類車床確定車床的工作精度。

車床工作精度確定之后，確定車床各項幾何精度時一般應考慮以下幾方面的因素：一是各項幾何精度的工藝難易程度。工藝難易程度對加工誤差的影響程度基本一致時，平均分配公差。二是各項幾何精度的工藝性。根據各項幾何精度的工藝難易程度，分配公差。幾何精度保證難度大的，分配較大的公差值，反之，幾何精度易于保證的項目，分配較小的公差值。三是確定機床幾何精度時，必須考慮其對加工誤差影響。根據其對加工精度的影響程度，決定其公差值的大小：影響大的幾何精度，分配給較小的公差值，反之，影響小的幾何精度，分配給較大的公差值。確定車床的幾何精度時，僅考慮一個方面是不全面的，不合理的，必須兼顧以上幾個方面，才能達到合理、經濟。當確定了各項幾何精度后，還需進行驗算，如有不妥，必須進行調整，直至合理為止。

綜上，球面車床的設計一般依托普通車床進行改進，一定注意回轉盤和刀架的設計。由于幾何精度對加工誤差的影響在大小和方向上各不相同，保證球面車床幾何精度的工藝難度也不盡相同，這是進行機床幾何精度設計時必須考慮的問題。

[1]尚建軍.球面車削工藝及車床改進設計原理分析[J].煤炭技術，2006（3）：6-7.

[2]金兆鈞，王靜波，郝志國.球面車床的改造[J].制造技術與機床，2004（5）：99-101.

[3]李飛.球面加工工裝改進[J].金屬加工，2012（9）：46.

[4]王先逵.機械制造工藝學[M].北京：機械工業出版社，2002：27.

[5]關玉祥.機械加工誤差與控制[M].北京：機械工業出版社，1994：29.

TH122

A

1671-0037（2014）06-95-1.5球面車床適用于加工外球面、內球面及軸上帶球的工件，并能進行鉆孔、鉸孔等工作，隨著國民經濟的迅速發展，光學鏡面加工，汽車球頭桿加工，球閥加工等球體類行業對球面加工車床的需求日益擴大。目前球面車床都是簡單改裝或者由普通車床變型而改裝成的專用車床[1，2，3]，精度要求尚無國家標準或行業標準。在球面車床的設計方面，由于缺乏必要的文獻資料，其幾何精度設計目前只能由機床開發廠家根據經驗確定。為了加工出高精度的球面，怎樣合理地設計球面車床的結構及幾何精度，已成為球面車床開發廠家急待解決的一個課題。

趙慧麗（1979-），女，碩士研究生，講師，研究方向：機械制造工藝、材料的制備及性能檢測。