多夾持機械傳動機床設計與開發*

王龍飛

(陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院, 陜西 西安 710300)

0 引 言

近些年來，我國工業繼續保持著高速發展，國民經濟的發展對工業發展的母機-機床，也提出了更高的要求。機床技術[1]的發展是不可阻擋的潮流趨勢，對機床領域的持續性開發也具有必要性和緊迫性，這是提高我國工業生產能力的應有之策，也是推動我國產業結構持續升級改造的必要舉措。機床技術[2]的發展目的是為了提升工業機械制造的等級和層次，推動加工業朝著智能化和先進化的方向發展。機床數控技術的應用不僅能夠從根本上革新工業加工的現有模式，而且也能夠在很大程度上體現出國家工業建設的實際水準。

數控加工[3]不但要提高效率又要保證質量，這就要求在允許的精度范圍內，選擇最佳的進給速度，特別在高精度模具加工中，表面質量及尺寸、形狀精度要求極高，不僅需要先進的硬件和高端的軟件技術，還需要通過優化系統和伺服的控制參數，從而實現軟硬件的匹配高效運行。為了提高加工效率，減小裝夾誤差，車銑復合機床[4]發展迅速，車銑復合加工技術的特點包括：生產率高，生產鏈少；基準轉化少，產品精細度高；產品研發周期短。同時車銑復合技術也朝著先進、融合、簡便、可靠、標準化方向發展。

現有的機床，絕大多數情況下，只能同時加工一個零件，筆者從機床夾持方面進行分析，設計了一款多夾持機械傳動機床，該機床可同時夾持多個零件，多工序[5]同時加工，集成了銑削、銼削、磨削、鉆削、攻絲以及插齒、滾齒等制造技術，無需重復裝夾，生產效率高，加工精度高，具有廣闊的應用前景。

1 機床結構設計

多夾持機械傳動機床的設計目的是在機床上，一次完成多工序加工，無需多次裝夾和定位，加工精度高、加工效率高。多夾持機械傳動機床(如圖1所示)，擁有3個三爪卡盤系統，可以同時夾持三個軸類零件，使用對應的刀架臺系統對零件進行徑向加工，包括車外圓、切斷等；也可使用尾座系統對零件進行軸向加工，包括鉆孔，車內孔等。零件完成一道工序的加工之后，使用電動機傳動系統，可對零件進行旋轉與定位，進行下一道工序的加工。

圖1 機床整體結構裝配三維圖

多夾持機械傳動機床，主要由電動機傳動系統、三爪卡盤系統、刀架臺系統和尾座系統組成。電動機傳動系統主要作用是實現圓環的轉動和定位；三爪卡盤系統主要作用是實現三爪的旋轉和零件的夾持；刀架臺系統主要作用是實現零件的徑向加工；尾座系統主要作用是實現零件的軸向加工。

運動過程詳解：電動機轉動，帶動小帶輪轉動，小帶輪通過傳動帶帶動大帶輪轉動。大帶輪與小齒輪共軸，圓環與小齒輪組成內嚙合傳動，進而轉動，圓環內部有3個三爪卡盤系統，實現三爪卡盤系統中三爪的轉動與定位。刀架臺系統可沿著機床床身的矩形直線導軌運動，實現零件的徑向加工；尾座系統，通過后端手柄的轉動，驅動內部的螺桿轉動，實現刀柄的直線運動，完成零件的軸向加工。

2 傳動系統結構設計

2.1 電動機傳動系統

電動機傳動系統由電動機，傳動帶、大小帶輪、軸、小齒輪和圓環組成，如圖2所示。

電動機運轉，通過傳送帶，將運動傳遞給小齒輪，小齒輪嚙合圓環轉動，帶動圓環內部3個三爪傳動系統旋轉定位。本次所設計的機床中所用圓環的作用是用來固定3個三爪卡盤。圓環內部的內齒與小齒輪嚙合，組成內嚙合。從而帶動3個三爪卡盤轉動，實現零件的多工序加工。

2.2 三爪卡盤系統

三爪卡盤傳動系統組成：步進電機，套筒聯軸器，傳動軸，支撐軸承，三爪卡盤。通過步進電機傳動從而帶動三爪卡盤的轉動，來完成零件的夾持和加工。本次項目所設計的機床，采用了3個三爪卡盤，均布于圓環內部，以此來實現多夾持功能。機床可以同時加工多個零件，機床的3個三爪卡盤，依靠小齒輪和圓環實現內嚙合轉動，來實現零件加工工序的轉換。3個三爪卡盤的設計，避免了零件的安裝、定位誤差，從而提升了零件的加工精度。如圖3所示。

圖3 三爪卡盤圖

2.3 刀架臺系統

多夾持機械傳動的機床的刀架臺有3個刀柄，通過刀架臺結構后端的齒輪齒條傳動實現刀架臺的直線運動。刀架臺傳動系統的組成：支撐軸承、軸、刀架臺、刀柄、手柄、齒輪、齒條。

轉動手柄，與手柄相連的齒輪將運動傳遞給齒條，齒條帶動刀架臺機身作直線運動，刀架臺機身下部有一矩形導軌，安裝在機床前端矩形直線導軌內，最底端有支撐軸承，支持手柄的旋轉運動。刀架臺傳動系統具體組成如圖4所示。

圖4 刀架臺系統圖

2.4 尾座傳動系統

尾座傳動系統的組成包括：刀柄、套筒、螺桿、手柄。如圖5所示。

圖5 尾座傳動系統圖

此次設計機床的尾座采用了3個套筒和螺桿，在刀柄中可以安裝不同的刀具如頂尖、鉆頭、鉸刀等刀具，3個尾座系統對應車床前端的3個三爪卡盤，可以同時加工多個零件。旋轉手柄，推動套筒內部的螺桿轉動，進而推動尾座系統前端的刀柄前進運動，實現對零件的軸向加工。螺桿傳動省力，自鎖、速比大。

3 機床有限元分析

使用ABAQUS有限元分析軟件，對機床床身施加不同的外部載荷，可以得到機床床身的應力云圖和位移云圖，如圖6所示。

圖6 機床床身有限元分析圖

從圖中可以看出機床的最大應力值為1.08×10-2MPa，即紅色區域的值，沒有超過機床床身材料鑄鋼的極限應力值，可保證機床的正常工作。機床的位移量也很小，大小為9.019×10-10，不影響機床的加工精度。機床的應力分布在三爪卡盤傳動系統和刀架臺傳動系統，是應力最大部分，但是其余地方應力范圍均勻，可以看出機床的穩定性和牢固性，從而實現多零件加工，使用壽命長。

4 結 語

此次設計的多夾持機械傳動機床，結構簡單，布局合理，功能強大，可以實現多個零件多個工序的一次性加工，無需裝卸零件，加工安裝誤差小，加工效率高。通過對多夾持機械傳動機床的裝配仿真分析，得知該機床結構合理，無劇烈應力變化，加工過程穩定，可滿足絕大多數中小企業的加工需求，為下一步產品的設計制造奠定了有意義的參考價值。