一種用于拉削加工的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

應(yīng)炎鑫 盛 青 胡春美 林綠勝

(①浙江暢爾智能裝備股份有限公司， 浙江 縉云 321404；②上海汽車制動(dòng)系統(tǒng)有限公司，上海 201821)

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是利用自身可轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)來(lái)裝夾具或工件然后對(duì)工件進(jìn)行加工的一種輔助機(jī)構(gòu)。在拉削加工工藝中，常利用夾具、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等機(jī)床附件，保持工件不動(dòng)，拉刀做直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行拉削，使工件某表面達(dá)到設(shè)計(jì)要求精度。不同于常規(guī)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，用于拉削裝備的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)作為拉床中的一個(gè)非常大的部分，其設(shè)計(jì)要求是承載力大，重復(fù)定位精度高。如L2240臥式側(cè)拉床是生產(chǎn)連桿副的關(guān)鍵設(shè)備之一，其回轉(zhuǎn)工作臺(tái)要帶動(dòng)重達(dá)2 t的夾具回轉(zhuǎn)和承受50 kN的切削力[1]。按照拉削加工的種類，用于拉削的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)通常在0°、90°、180°等幾個(gè)位置完成夾緊和定位功能即可，而不需像加工中心那樣作為一個(gè)軸實(shí)現(xiàn)伺服運(yùn)動(dòng)。

近年來(lái)，文獻(xiàn)中報(bào)道了大量關(guān)于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的研究成果，如湖南大學(xué)、南京理工大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等單位對(duì)加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與精度分析、靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)等展開(kāi)研究[2-5]。但是面向拉削工藝的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。面向拉削工藝的工作臺(tái)的應(yīng)用非常多，工作臺(tái)向自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、動(dòng)力源方式向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。本文介紹一種面向拉削工藝的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)方法，有著其實(shí)際的意義和價(jià)值。

1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種液壓驅(qū)動(dòng)、具有鎖緊和水平旋轉(zhuǎn)功能的連桿式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。圖1是這種工作臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)示意圖，由工作臺(tái)、抬升鎖緊、回轉(zhuǎn)傳動(dòng)、回轉(zhuǎn)動(dòng)力和配油五大部分組成。抬升鎖緊油缸部分在液壓驅(qū)動(dòng)下，使上工作臺(tái)升起，回轉(zhuǎn)動(dòng)力部分的旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿帶動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度，最后抬升鎖緊部分下降。整個(gè)部件通過(guò)這樣的循環(huán)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。底部配油部分則為了給工作臺(tái)上要放置的夾具供油而設(shè)計(jì)。

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的動(dòng)作循環(huán)如圖2所示。在機(jī)床上，利用工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行工件的上下料、改變工位等，再加上外部設(shè)備的加工，例如拉削、切割等，使得整個(gè)工件的加工得以完成。

2 功能設(shè)計(jì)

(1)旋轉(zhuǎn)和鎖緊

工作臺(tái)有兩個(gè)重要部分，即旋轉(zhuǎn)和鎖緊部分。旋轉(zhuǎn)部分由兩根液壓驅(qū)動(dòng)的連桿作用，帶動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)盤(pán)，再由動(dòng)力轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)中間轉(zhuǎn)軸從而使得上工作臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，圖3是回轉(zhuǎn)油缸裝配圖。鎖緊部分同樣在液壓驅(qū)動(dòng)條件下，使整個(gè)上工作臺(tái)及其相關(guān)零件形成升降動(dòng)作。鎖緊則是由上、下工作臺(tái)的端齒盤(pán)的嚙合與否來(lái)決定。上工作臺(tái)上升則松開(kāi)，下降時(shí)則鎖緊。

(2)密封和潤(rùn)滑

觀察圖1可以看到工作臺(tái)有兩處必須進(jìn)行密封和潤(rùn)滑。分別是升降活塞和中間轉(zhuǎn)軸的接觸面、閥芯和閥體的接觸面。兩者密封是通過(guò)相應(yīng)的密封圈進(jìn)行密封。升降活塞和中心轉(zhuǎn)軸的接觸面是利用升降過(guò)程中液壓油正常泄漏出來(lái)的油液進(jìn)入接觸面后而形成潤(rùn)滑。閥芯閥體之間則通過(guò)在閥體底部開(kāi)潤(rùn)滑孔將潤(rùn)滑油通入閥芯和閥體接觸面處來(lái)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑。

(3)緩沖設(shè)計(jì)

由于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)重量較大，導(dǎo)致慣性力較大，所以在回轉(zhuǎn)到位前為了降低速度、減小慣性力影響而導(dǎo)致內(nèi)部零件間相互受力以至于減少工作臺(tái)壽命需要增加一定的緩沖距離。抬升鎖緊部分的活塞上升到位時(shí)即停止相應(yīng)控制，因?yàn)檫\(yùn)行距離較短而無(wú)須緩沖。但是在下降時(shí)若無(wú)相應(yīng)的控制會(huì)由于重量的影響對(duì)下工作臺(tái)及相關(guān)部件形成一定的沖擊，其反作用也會(huì)對(duì)上工作臺(tái)產(chǎn)生影響。因此在活塞上升油路控制中多加一個(gè)電磁換向閥，活塞上升時(shí)它不起作用，但在活塞下降時(shí)它作用，將本來(lái)回流的油液繼續(xù)通入上升的油腔來(lái)抵制下降時(shí)的力。同時(shí)設(shè)置了機(jī)械緩沖。雙重保護(hù)有效保證在重物下降時(shí)大大減小慣性力的影響使工作臺(tái)能穩(wěn)定無(wú)沖擊地準(zhǔn)確下降，使上下工作臺(tái)完全嚙合，延長(zhǎng)端齒盤(pán)壽命。

(4)沖屑防護(hù)

考慮到在具體的工作過(guò)程中，由于加工時(shí)需要沖屑冷卻，冷卻液不可避免的會(huì)進(jìn)入工作臺(tái)內(nèi)部的情況，所以還需要對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行一些必要的防護(hù)。因?yàn)檎麄€(gè)上工作臺(tái)面是一個(gè)整塊的面板，而且它本身的面積大于下工作臺(tái)，假設(shè)水流從上流下，也只是順著上工作臺(tái)板流下而流不到下工作臺(tái)處。因?yàn)榭紤]到水流動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)四濺的情況，所以在上下兩個(gè)端齒盤(pán)外圈各安裝一圈防護(hù)。再者，從工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)看到，工作臺(tái)與其他機(jī)床部件連接處是下工作臺(tái)部分。因此，旋轉(zhuǎn)油缸這些零件在機(jī)床安裝完成后會(huì)處于機(jī)床床臺(tái)內(nèi)部。所以有兩種方案對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。第一種就是下工作臺(tái)和床臺(tái)之間做成密閉的連接空間，使水流無(wú)法流到下工作臺(tái)以下部分，也就是無(wú)法流到旋轉(zhuǎn)油缸、閥芯閥體等部位。另外在床臺(tái)其他地方開(kāi)口，用來(lái)將沖屑液導(dǎo)流出去。第二種方案就是不將下工作臺(tái)與床臺(tái)之間做成密閉空間，由著沖屑液直接流入床臺(tái)內(nèi)部，最后再進(jìn)行相關(guān)處理。這種方案需要將下工作臺(tái)以下的部位全部用防護(hù)圍起來(lái)，防止進(jìn)水。顯然，使用第一種方案最為簡(jiǎn)潔，本文工作臺(tái)就采用這種沖屑防護(hù)。它有以下好處：減少防護(hù)，降低設(shè)計(jì)成本；使得床臺(tái)內(nèi)部保持干凈；免去了在進(jìn)行維修時(shí)要把防護(hù)拆掉的步驟，也便于在調(diào)試過(guò)程中對(duì)下工作臺(tái)下部的觀察；去除了由于冷卻液進(jìn)入回轉(zhuǎn)工作臺(tái)而導(dǎo)致其出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的可能。

3 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

關(guān)于液壓驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的提升能力研究，根據(jù)工作臺(tái)及所安裝的夾具重量計(jì)算油缸的直徑，同時(shí)又兼顧到夾具油路的分布，要保證油路的通徑和數(shù)量，必須用φ120 mm直徑的通油芯軸，油缸直徑選擇φ190 mm，活塞桿選擇φ150 mm，活塞桿中心孔直徑φ120 mm，所以計(jì)算出橫截面積。

北京油氣調(diào)控中心是中國(guó)石油為優(yōu)化管道運(yùn)營(yíng)管理體制、適應(yīng)管道業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，于2006年5月8日正式成立，也是管理體制與世界接軌的舉措。調(diào)控中心根據(jù)生產(chǎn)和銷售計(jì)劃，編制管道運(yùn)行方案，通過(guò)季協(xié)調(diào)、月計(jì)劃、周平衡、日指定等方式，對(duì)中國(guó)石油油氣管網(wǎng)資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的供需平衡[8]。截至2017年底，集中調(diào)控運(yùn)行的長(zhǎng)輸油氣管道總里程超過(guò)5.7萬(wàn)千米。其中，天然氣管網(wǎng)超過(guò)3.7萬(wàn)千米，年輸氣能力超過(guò)1800億立方米，貫通中亞、塔里木、青海、長(zhǎng)慶、西南幾大氣區(qū)和25個(gè)省市，1000多家大型用戶，惠及近5億人口。

油缸筒橫截面積：

A1=π(D1/2)2=3.14×(190/2)2mm2=28 338.5 mm2=283.385 cm2

油缸桿橫截面積：

A2=π(D2/2)2=3.14×(150/2)2mm2=17 662.5 mm2=176.625 cm2

受力面積:

A=A1-A2=106.76 cm2

根據(jù)推力計(jì)算公式，在液壓壓力P1設(shè)置為在10.0 MPa(=101.971 6 kgf/ cm2)的情況下，工作臺(tái)的提升力：

F=P×A=101.971 6×106.76 kgf

如夾具重量在變化時(shí)，可以調(diào)整液壓壓力與之相匹配，以滿足使用需求。

在進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，選擇直經(jīng)φ80 mm的油缸，大腔工作壓力設(shè)置為10 MPa(=101.971 6 kgf/ cm2)的情況下，可提供驅(qū)動(dòng)力：

F=P×A=101.971 6 kgf/ cm2×[3.14×(8/2))2] cm2=101.971 6×50.24 kgf=5 123.053 2 kgf(保留4位小數(shù))

升降工作臺(tái)上頂裝有平面軸承支撐，所以在回轉(zhuǎn)時(shí)可減小回轉(zhuǎn)力，同樣用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓壓力可以根據(jù)工作臺(tái)和夾具的重量隨時(shí)調(diào)整壓力。

4 性能指標(biāo)

表1是該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的尺寸參數(shù)和性能指標(biāo)。有630 mm×630 mm×220 mm，1 200 mm×1 200 mm×350 mm等，可按工件需要設(shè)計(jì)專用規(guī)格尺寸。可以90°、180°、360°回轉(zhuǎn)也可連續(xù)同方向旋轉(zhuǎn)重復(fù)定位精度達(dá)到0.05°。夾具可多路油缸同時(shí)進(jìn)油工作，經(jīng)過(guò)閥芯閥體和中間轉(zhuǎn)軸，配油盤(pán)等，油路相互間互不干憂，同時(shí)可使用20路液壓油進(jìn)入工作，油管絕對(duì)不會(huì)造成纏繞現(xiàn)象，閥芯閥體間有液壓油潤(rùn)滑，無(wú)須其它附加潤(rùn)滑，回轉(zhuǎn)速度22.5°～90°/s，工作臺(tái)提升重量可達(dá)10 t，回轉(zhuǎn)力可達(dá)5 tf。圖4是回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)物圖。

表1 尺寸和性能參數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

總體看來(lái)，此回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計(jì)也十分靈巧簡(jiǎn)潔。突出表現(xiàn)在利用工作臺(tái)中心部分的空間將液壓油通過(guò)閥芯和中間轉(zhuǎn)軸輸送到工作臺(tái)上部，用來(lái)驅(qū)動(dòng)夾具。這樣大量節(jié)省了空間，結(jié)構(gòu)也十分緊湊。可以實(shí)現(xiàn)360°的旋轉(zhuǎn)，大大提升了工作臺(tái)本身的靈活性，同時(shí)使得機(jī)床布局也靈活起來(lái)，不受旋轉(zhuǎn)角度的影響，可以進(jìn)行適合場(chǎng)地的機(jī)床布局。

此外，夾具可多路油缸同時(shí)進(jìn)油工作，經(jīng)過(guò)閥芯閥體和中間轉(zhuǎn)軸，配油盤(pán)等，油路相互間互不干憂，同時(shí)可使用20路液壓油進(jìn)入工作，油管絕對(duì)不會(huì)造成纏繞現(xiàn)象，閥芯閥體間有液壓油潤(rùn)滑，無(wú)須其他附加潤(rùn)滑。快速回轉(zhuǎn)到位時(shí)有液壓減速緩沖和機(jī)械緩沖雙重保護(hù)從而避免到位時(shí)的慣性力過(guò)大而損壞工作臺(tái)。

[1]張仁杰. L2240側(cè)拉床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的改進(jìn) [J]. 裝備維修技術(shù)，1998 (3) :18-18.

[2]楊凱. MCH50四軸加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與精度分析 [D]. 南京：南京理工大學(xué) 2016.

[3]翟耀先. 重型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)及其靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)研究 [D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué), 2016.

[4]許加凱. 大型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 [D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué), 2016.

[5]秦立雨. MCH63加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度優(yōu)化 [D]. 南京：南京理工大學(xué), 2016.