細長軸雙頭帶錐度車削專用機床設計

2015-04-24 07:25:42黃小東姜杰鳳

制造技術與機床 2015年9期

黃小東姜杰鳳

(①浙江大學機械工程學系，浙江杭州 310027;②杭州師范大學錢江學院，浙江杭州 310036)

一般把長度與直徑之比(L/D)大于20 的軸類零件，稱為細長軸。細長軸零件外形并不復雜，但由于其自身剛度差，車削時受側向切削力、重力、切削熱等因素的影響，加工中容易產生振動及彎曲變形，導致加工后產生錐度、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，使細長軸的切削成為難度較大的加工工藝［1-3］。細長軸車削加工時常采用前端夾、后端頂的裝夾方式。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。為了增強工件剛度，常采用跟刀架(或中心架)，對增強具有一定的作用［5-6］。針對工件剛度差的情況，提出應用跟刀機械手，減小工件加工變形，以提高工件的加工精度。

當細長軸工件兩頭都需要加工時，使用傳統車削機床，一般需要兩次裝夾，兩次切削，批量生產時，生產效率低。本文則提出了一種細長軸雙頭同步車削專用機床，提高生產效率。

1 加工工藝需求

某機車用減振彈簧原料長度為2000～3000 mm，直徑范圍為8～14 mm，此為典型的細長軸。其中一種細長軸工件如圖1 所示，材料為55CrSiA。該工件總長為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°。該工件兩側對稱的兩段需要加工，加工尺寸大、直徑小，且為帶錐度車削，由于切削量在加工過程不斷變形，導致切削力不斷變化，更增加了加工的難度。

2 加工裝夾方案

上述細長軸工件，如果利用通用車床加工，加工過程為:裝夾工件，車削工件一側;拆卸工件，掉頭再次裝夾，車削另一側。需要兩次裝夾、兩次切削，效率低。傳統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。根據壓桿穩定理論，尾座頂尖頂持作用，會增大細長軸加工中的不穩定性和彎曲變形;另外，因為工件車削部分為變徑段，而跟刀架為剛性件，跟刀架支撐釘只能預先調整為對應最大直徑尺寸，車削到較小直徑端時，難以起到剛度增強的作用，使得加工精度難以保證。傳統加工夾持方式無法實現對細長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量，充分利用工件的加工特性，設計了新的加工夾持方案，如圖2b 所示。在工件的兩端設計有左、右兩套夾持裝置，一次裝夾，對工件兩側變徑段進行同步加工，可成倍提高加工效率;另外，兩側刀具采用正、反向走刀，可使兩側軸向走刀力相互抵消，有利于提高加工穩定性。鑒于細長軸工件頂持的不利影響，在尾座處用夾持代替頂持，同主軸處三爪卡盤形成對工件的雙夾持，并在尾座拉緊機構作用下對工件兩端進行拉緊，以達到提高工件剛度的目的。對于跟刀架無法適應變徑支撐的情況，設計跟刀機械手作為柔性化支撐，用于錐度帶錐度車削加工。

3 專用機床結構設計

根據工藝需求和加工裝夾方案設計，設計了可對工件兩端進行同步錐度車削加工的專用機床，如圖3所示。在車削機床機身上，關于O-O 對稱布局有左、右兩套相同的執行裝置，每套裝置包括主傳動系統、尾部夾緊拉緊系統、刀架進給系統(包括跟刀機械手)、排屑系統。在機床縱向(Z 向)上，機架上中間位置安裝有左、右主傳動系統，機床兩側設置左、右尾座夾緊拉緊系統。左、右主傳動系統和左、右尾座夾緊拉緊系統位于同一直線上，加工時同時對工件進行夾緊，工件下方設置排屑槽，排屑槽中安裝有排屑系統;在機床橫向(X 向)上，刀架進給系統都分布于排屑槽后方，切屑不易落入進給用導軌上。

3.1 雙主傳動系統

圖4 所示為雙主傳動系統(圖3 中俯視局部放大)，該雙傳動系統由同一臺主電動機提供動力，電動機輸出軸和花鍵軸相連，通過左、右兩套同步帶傳動帶動兩側主軸轉動。主傳動系統處的裝夾裝置主要由動力卡盤和回轉油缸組成，便于實現自動控制卡盤夾緊和放松工件，且夾緊可靠。主電動機和左主軸箱安裝于左滑板上，右主軸箱安裝于右滑板上，通過左、右線性傳動部件驅動，可改變左、右主傳動系統的相對位置，以適應不同長度的細長軸工件。

3.2 尾座夾緊拉緊系統

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