多工位組合機床的設計與應用

□張 恒 □賈建軍 □陳 松 □孫 成

西安工業大學機電工程學院 西安 710032

1 設計背景

目前，汽車、內燃機某些部件的加工以組合機床為主要加工設備，對生產行業的發展起到了重要的推動作用。但由于組合機床固有的局限性，只能滿足單一零件的加工，難以快速、經濟地響應需求的變化，即不具有可變性。為了迅速響應市場及客戶需求的頻繁變化，應從實現機床整個生命周期的可重構性角度出發，對可重構機床的設計理論與方法進行研究，為可重構機床理論體系的建立、實際應用和發展創造條件[1-2]。目前，國內外學者在多工位機床設計與重構、組合機床配置形式和通用部件選擇方面進行了研究，并以組合模式微型數控機床及深孔加工機床為研究對象，對可重構設計原理方法、結構配置、重構方案等進行了分析，將現代設計方法融入可重構創新設計過程中，開發基于多方法集成的可重構計算機輔助創新設計系統，為產品的創新設計提供了多角度科學思維模式和理論支撐[3-10]。文獻[11-12]介紹了可重構微型機床的設計與研究，并對機器配置和重構過程的參數提出了多層次、多目標優化方法。雖然可重構機床在理論及實際應用中取得了一些進展，但尚未偏重用戶需求，一些中小型企業還難以承受昂貴的費用，在加工小批量生產中性價比不高，實用性欠缺。

筆者以實用性為基礎，設計了一種原理簡單、由多臺機床組成的可變速多工位加工組合機床，滿足一定范圍內零件的加工，并且能保證加工轉速要求。應用這種機床時，通過立柱、液壓滑臺及回轉工作臺來加工尺寸，每一臺機床對應一道工序，完成一道加工工序后，回轉工作臺旋轉一定角度，進而實現機床的轉換，進行下一道工序的加工。若要加工不同的零件，只需要改變轉速及零件的加工位置就可以了，而不需要再重新設計一臺專用機床來進行加工。

2 機床裝配形式及工作原理

機床作為工作母機，是制造產品的重要設備，要解決零件的加工問題，需要對機床進行裝配安置。在轉速設計方面，根據經驗得出大部分零件加工的轉速范圍，然后通過計算齒輪傳動系統、排列齒輪的安裝順序，得到滿足加工要求的通用機床轉速。在加工尺寸方面，機床通過升降臺及液壓滑臺進行X軸與Y軸方向的移動，Z軸方向通過液壓滑臺實現進給，用于加工帶孔零件和退刀。將零件放置在回轉工作臺的夾具上，每臺機床對應一個夾具位置，即對應一道加工工序。當機床加工完自身工序后，通過回轉工作臺轉過一定角度，轉換至下一臺機床，完成下一道工序。每完成一道工序，回轉工作臺就旋轉一定角度，轉換至下道工序加工，直至最終完成所有工序的加工。如果孔的個數大于機床組的臺數，第一輪工序完成之后可進行第二輪工序的加工，如6臺機床需要加工12道工序，則一次裝夾6個工件，只需要兩次循環就可以實現所有工位的加工。

多工位組合機床如圖1所示，其結構如圖2所示。

▲圖1 多工位組合機床結構

▲圖2 多工位組合機床

3 變速機構

為了使多工位組合機床中每臺機床能夠滿足粗加工、半精加工、精加工等的要求，需要對主軸箱進行變速設計。筆者改進了常規的變速設計方法，設計了一種結構緊湊、傳動比穩定、滿足轉速要求、可以用于大批量加工的傳動系統。

如圖3所示，這一傳動系統主要通過兩個主軸及軸上的齒輪組實現變速，其中軸1與電機軸相連，為固定軸，設置有不同齒數的齒輪組；軸2為工作主軸，可以調節位置。根據經驗，在軸1與軸2上布置滿足傳動要求的齒輪，用于加工不同要求的零件，軸2上的齒輪與軸1齒輪組上的不同齒輪進行嚙合，實現傳動比的改變，從而得到零件加工所需要的轉速。

筆者以齒輪組分布5個齒輪為例，在軸1上布置齒數為 17、21、24、28、34 的齒輪，在軸 2 上布置齒數為34的齒輪，由公式nz/nc=zc/zz得到傳動比范圍為1～2。其中nz為軸1轉速，nc為軸2轉速，zz為軸1上齒輪齒數，zc為軸2上齒輪齒數。當動力箱確定后，軸1是與電機相連的固定軸，軸2上的齒輪及軸1安裝在部件2上，如圖4所示。部件2與部件1相連，且可以相對部件1上下移動。部件1與箱體相連，并通過滑臺可以左右移動。當轉速確定后，調節兩個部件的移動位置并將其固定，可以通過軸2上齒輪與軸1上不同齒輪的嚙合來實現不同的傳動比，最終實現各種零件的加工，滿足鉆、擴、鉸工序的要求。

▲圖3 傳動系統

4 實例

鉆削加工零件如圖5、圖6所示，多工位組合機床加工參數見表1。

將零件統一放置在回轉工作臺上，用夾具將零件固定好，機床驅動轉速為500 r/min。由于加工零件上6個孔需要不同的轉速，因此通過軸2上齒輪與軸1上不同齒輪相嚙合來實現。

▲圖4 部件連接示意圖

▲圖5 加工零件尺寸

對加工各孔的速度調整確定后，以孔1為坐標軸原點，使其中一臺機床的鉆頭指定孔1，下一臺機床通過滑臺沿著X軸負方向移動76.5 mm，第三臺機床沿著X軸負方向移動至98 mm，Y軸方向通過升降臺將機床升高64 mm，其余機床繼續通過滑臺及升降臺調整到指定坐標位置，最后通過滑臺進行Z軸方向的進給加工。

表1 主軸加工參數表

5 結論

筆者設計了多工位組合機床，可以滿足不同零件的加工，且傳動比可調，集多孔加工及鉆、擴、鉸等工序于一身，彌補了傳統組合機床的不足。

應用筆者設計的多工位組合機床，在進行不同零件孔的加工時，需要調節滑臺、升降臺、夾具的位置，進而實現零件各孔加工位置的要求；在進行鉆、擴、鉸等工序時，需要合理布置兩軸上齒輪的嚙合，進而滿足加工轉速的要求。