珍珠棉復雜回轉曲面加工裝置結構設計

孟 琪 關 元 艾鵬先 冉 東 劉玉雪

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065）

1 傳動系統設計

1.1 電機選擇

珍珠棉塊，主軸，裝夾總質量為20kg，假設其為一質量分布均勻的長方體，長寬均960mm，工件正常轉速為 300r/min。Ta1=1/12×20×(2×0.962)×5=15360N·mm；切削時在軸上產生的扭矩平均約為 5000N·mm工作扭矩 Ta=Ta1+T=20360N·mm；慣性扭矩Tb=W×a×L，W為負載質量，a為啟動加速度，負載到轉軸距離是800mm，故 Tb=200×0.1×10×0.8=160000N·mm，故啟動轉矩為T=Ta+Tb=160+15.36=175360N·m。

綜上所述這里選取電機型號為Y315S2-2-B3，其同步轉速為1000r/min，功率為0.75kW。

1.2 帶傳動設計

在電機與機床主軸之間采取帶傳動，由于傳動比較大，結構緊湊，需要較大的摩擦力，因此選用普通V帶進行傳動。為了減少加工成本，容易裝配，帶輪選用實心式結構，材料采用HT150，帶輪與電機主軸和機床主軸采取普通平鍵連接，間隙配合。

選擇帶型，根據計算功率為0.825，小帶輪轉速為1000r/min，選擇Z型V帶傳動。確定小帶輪基準直徑，dd1=50mm，轉速300r/min，傳動中心距a0=1000，帶長根據基準取Ld=2480mm。

考慮帶輪的制造誤差，帶長誤差，帶的彈性誤差，和因為帶的松弛產生的補充張緊需要，帶的中心距變動范圍如下：amin=a-0.015Ld=1044mm；amax=a+0.03Ld=1155mm。

輪轂采用實心式，與傳動軸之間采用普通平鍵連接。傳動軸公稱直徑為50mm，查閱手冊，平鍵尺寸為b=14mm，h=9mm，鍵長L=100mm，鍵的材料采用45鋼。

1.3 軸的設計

為降低軸的重量，降低能量損失，減少沖擊載荷，提高加工精度，使用空心軸，材料為45鋼，進行正火回火處理增強其強度與硬度。初定外徑為50mm，內徑為3mm，與帶輪采用普通平鍵連接實現帶輪與軸的周向定位，與機架用滾動軸承連接，與法蘭盤用M50螺紋連接。

由于軸上開有鍵槽，對于直徑d≤100mm的軸，當開有一個鍵槽時，應將其軸徑增大5%～7%。由于這里的軸徑50＜100，開有一個鍵槽，將軸徑增大5%～7%，這里取7%，故有d≥（1+0.7）17.6=29.92。

2 進給系統設計

水平進給設計：要實現對珍珠棉復雜回轉曲面的加工，必須實現實現兩個自由度的移動，為降低成本，采取分層，將兩個自由度的移動放在不同的高度，中間用移動板連接這樣就實現了加工面的準確移動。見圖1。

圖1 軸向進給模型圖

徑向進給：在徑向需要大于加工曲面的回轉半徑，加工的曲面半徑為400mm，考慮到退刀需要留出足夠的空間，初定徑向進給為900mm。徑向進給采取光軸導軌實現移動，光軸長度為950mm。同時利用絲杠實現進給，絲杠長度為1200mm，直徑為20mm，螺紋長度為1000mm。見圖2。

圖2 徑向進給模型圖

步進電機設計：由于徑向進給在加工過程中需要一直保持進給，而且徑向加工為曲線為了保證加工的粗糙度滿足要求，提高加工質量，因此將絲杠連接步進電機用單片機實現控制。用梅花聯軸器實現步進電機軸與絲杠的連接。為了確保步進電機的動作準確性，有如下要求：滿足每秒徑向進給10mm，而且要確保其可以反轉，這樣可以避免移動刀具位置浪費時間，提高加工效率，即每40s后實現反轉。

3 裝夾支撐設計

要實現將珍珠棉固定在裝夾板上，利用四個L型卡爪，同時與裝夾板用螺釘連接，擋片防止珍珠棉在加工工程中由于軸向震動脫落，同時為實現對不同尺寸規格的珍珠棉加工，極大地提高了機床的通用性，操作簡單，固定可靠。

3.1 機架設計

為了節約資金，減少質量，增加強度，加工難度，機架采取 70×70×7 Q235B 和 80×80×7 Q235B角鋼用電焊焊接在一起。機床結構設計：為降低成本采用框架式焊接，中間用鐵皮焊接一個梯形切削廢料箱，負責承接加工中產生的切削廢料，同時集裝主軸，防止對人造成意外傷害設置了鐵皮罩子進行保護。

3.2 刀架設計

刀具要在活動架上移動并且還要實現對刀桿的固定。兩邊兩個孔固定在光軸上可以實現自由移動，中間的空孔固定在絲杠上可以實現徑向的進給，同時上面的矩形槽防止刀桿，上面用螺釘固定擋片，實現拆卸和安裝。采取整體加工保證三個空位置精度，消除軸向誤差，提高刀頭加工精度。見圖3。

圖3 刀架模型圖

刀桿設計：刀桿采取后面為矩形方桿，安裝時放置在刀架中，用擋片進行固定，前面用螺紋連接刀頭，螺紋旋向與加工時刀頭所受扭矩方向相反，加工時可以實現自鎖，保證加工時刀頭不會晃動，確保加工精度。矩形刀桿固定在刀架上的方形槽里不易轉動更加穩定，螺紋連接刀頭拆卸更加方便，可以隨時更換。刀桿要便于加工，同時具有較強的剛度，保證加工時刀具軸線，不會因為受到外力影響發生較大的變形。因此采用45鋼進行加工。見圖4。

圖4 刀桿模型圖

3.3 珍珠棉復雜回轉曲面加工裝置總裝圖

加工裝置總裝圖見圖5、圖6。

圖5 珍珠棉復雜回轉曲面加工裝置三視圖

圖6 珍珠棉復雜回轉曲面加工裝置三維模型