電機控制簡易車銑復合機床設(shè)計與分析

王龍飛

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院數(shù)控工程學院，陜西 西安710300）

0 引言

車銑復合加工技術(shù)[1-2]是一種縮短產(chǎn)品制造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量的先進加工理念，同時車銑復合加工技術(shù)是一種先進的智能化的加工技術(shù)，集精密測量技術(shù)、CAD/CAM應用技術(shù)和現(xiàn)代先進控制技術(shù)于一體。該技術(shù)通過夾具的一次性夾裝，便可以完成被加工零件的復雜表面或多個形面的加工過程，極大地降低了工件裝夾的時間、簡化了加工系統(tǒng)的操作復雜性，減少了被加工零件的非生產(chǎn)時間。車銑復合加工技術(shù)[3-4]不僅滿足了客戶高加工精度、高生產(chǎn)效率、低庫存、低零件轉(zhuǎn)移和低占地面積的需求，它還符合“中國制造2025”節(jié)能減排的要求。可以預見，車銑復合加工技術(shù)的應用市場會越來越廣泛，并將朝著更寬工藝范圍、更高效率、更高精度和模塊化方向發(fā)展。

車銑復合加工機床是世界上最先進的數(shù)控加工設(shè)備之一。現(xiàn)在國內(nèi)已有多家生產(chǎn)廠商可生產(chǎn)車銑復合加工機床，但機床的關(guān)鍵功能部件，如數(shù)控系統(tǒng)、銑頭和回轉(zhuǎn)臺等產(chǎn)品，還有待進一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。我國的車銑復合機床技術(shù)[5]和國外相比還有數(shù)十年的經(jīng)驗積累差距，整體加工技術(shù)和歐洲、日本相比還有不小的差距。車銑復合加工技術(shù)[5]的特點包括：生產(chǎn)率高，生產(chǎn)鏈少；基準轉(zhuǎn)化少，產(chǎn)品精細度高；產(chǎn)品研發(fā)周期短。同時車銑復合技術(shù)朝著先進、融合、簡便、可靠、標準化方向發(fā)展。

本文提出了一種簡易車銑復合加工機床，可應用于中小型企業(yè)，并為民用車銑復合加工機床的設(shè)計提供了依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

1 機床總體設(shè)計

車銑復合機床結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，機身和底座采用鑄鐵結(jié)構(gòu)，一次鑄造成型。在機身上開有通孔，安裝軸和軸承，用于連接三爪卡盤和電動機1。主軸部件通過絲杠結(jié)構(gòu)與機身連接，工作臺的橫向及縱向運動通過步進電機和滾珠絲杠實現(xiàn)，虎鉗刀架臺位于工作臺上，尾座位于最左端[6]，如圖1所示。

圖1 車銑復合機床總裝配圖

運動過程詳解：電動機1運轉(zhuǎn)，通過帶輪帶動三爪卡盤旋轉(zhuǎn)，從而帶動安裝在三爪卡盤上的工件做旋轉(zhuǎn)運動；步進電機1運轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠帶動虎鉗刀架臺上的刀架臺做橫向運動，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)工件的車削加工。電動機2旋轉(zhuǎn)，通過帶輪帶動滾珠絲杠運動，實現(xiàn)主軸部件的上下運動。步進電機3旋轉(zhuǎn)，通過帶輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對虎鉗工作臺上夾持工件的銑削加工。

2 主要零部件設(shè)計

2.1 機身設(shè)計

機身是機床的重要支撐件，在機床工作過程中起著支撐機床主軸上下運動、三爪卡盤旋轉(zhuǎn)和尾座運動等作用，如圖2所示。

圖2 機身

機身材料常使用灰鑄鐵（HT250）材料，這種材料耐磨性、耐熱性較好，強度高，鑄造性能優(yōu)異，減振性良好，需要進行人工時效處理。除此之外經(jīng)常用到的機身材料還有HT200、HT300和球墨鑄鐵，根據(jù)不同工作條件而定。

本文中的機身將車床的車身和銑床的立柱結(jié)合在了一起，更加節(jié)約空間，銑刀軸部件與機身通過燕尾槽連接，銑刀軸部件的上下運動導向利用了絲杠原理，該設(shè)計可減輕機床的使用難度。

2.2 尾座設(shè)計

尾座是數(shù)控機床的重要組成部分，其主要作用是在加工過程中為軸類零件定心，同時具有輔助支撐和夾緊軸類零件的功能。臥式數(shù)控車床的尾座常采用由套筒、尾座體、芯軸結(jié)構(gòu)等組成的整體式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。芯軸結(jié)構(gòu)靜剛度、動剛度好，選取高精度的進口軸承支承，同時整體式結(jié)構(gòu)尾座具有剛度高、抗震性能好，精度高等特點。

圖3 尾座

尾座的工作原理是：尾座套筒和螺紋軸相互配合，頂尖裝在套筒內(nèi)，套筒裝在主體上，螺紋軸的另一邊穿過后蓋與手搖輪相連，當手搖動時，套筒帶動頂尖向前移動。

2.3 主軸設(shè)計

主軸銑刀，使用傳統(tǒng)銑刀的旋轉(zhuǎn)運動方式，在機身立柱處，設(shè)計有燕尾槽與銑刀主軸連接，步進電機通過帶輪控制銑刀主軸的旋轉(zhuǎn)，進一步帶動銑刀的旋轉(zhuǎn)。銑刀主軸與刀柄的上下運動，依靠機身處的絲杠和主軸的齒輪齒條結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，如圖4所示。這樣的結(jié)構(gòu)簡單明了，操控方便。銑刀刀柄可以依據(jù)使用銑刀的不同而進行更換，使用范圍廣泛。

圖4 主軸

2.4 虎鉗刀架臺設(shè)計

虎鉗與刀架的相結(jié)合，便產(chǎn)生了一種即可以裝夾刀具，又可以裝夾工件的組合裝置。裝夾車刀時可以進行車削加工；裝夾工件時可使用鉆頭對工件進行銑削加工，如圖5所示。平口虎鉗的工作原理如下：使用開口扳手轉(zhuǎn)動絲杠，通過絲杠螺母帶動活動鉗身向左、向右移動，實現(xiàn)對工件的加緊與松開動作。活動鉗身上部的刀架臺隨之移動，不起夾緊作用，刀架臺一般為回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，刀具沿圓周方向安裝在刀架臺上，可以安裝軸向車刀、徑向車刀、鏜刀、鉆頭、軸向銑刀和徑向銑刀等。

圖5 虎鉗刀架臺裝置

3 機身有限元分析

使用ABAQUS有限元分析軟件對車銑復合機床的機身進行了不同彎矩載荷作用下的應力應變分析，施加1 000 N·m的彎矩。

從圖6應力云圖分析結(jié)果觀察可知，機身的最大應力發(fā)生在機身與底座的接觸處，機身的最大應力為3.340×10-4Pa，小于灰鑄鐵（HT250）的最低抗拉強度250 MPa，機身可正常工作；從圖7位移云圖觀察可知，機身的最大位移變量是1.649×10-12m，變化量較小，不影響機床的正常使用。

圖6 應力云圖

圖7 位移云圖

如圖8所示，通過PRO/E軟件裝配各構(gòu)件，在電動機和步進電機上施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，觀察機床的三爪卡盤、主軸、虎鉗刀架臺的運動，觀察得知：各子系統(tǒng)部分裝置運轉(zhuǎn)正常，無干涉，可正常工作，機床能完成簡單的車削和銑削加工，符合設(shè)計要求，滿足設(shè)計目的。

圖8 運動仿真示意圖

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計的車銑復合機床，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，占地面積小，可實現(xiàn)車床及銑床的加工功能，能夠完成基本的外圓車削、鉆孔、車螺紋等功能，能夠適應大多數(shù)零件的輪廓加工，適應面廣，適合中小型企業(yè)進行小批量生產(chǎn)。