一種桌面級車床教具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)＊

郭延艷，何萬濤，孟祥麗

（嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048）

數(shù)控車床的加工過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程[1]，為了便于學(xué)生理解車床的結(jié)構(gòu)和工作方式，提高學(xué)生對機(jī)床類課程的學(xué)習(xí)積極性，教師在車床授課的過程中需要一些可展示、體積小、結(jié)構(gòu)類似的授課教具，以此向?qū)W生展示車床的各個(gè)部件和工作方式，提升其理論與實(shí)際結(jié)合的能力。本文結(jié)合當(dāng)下車床的操作過程，設(shè)計(jì)了一種桌面級車床教具，實(shí)現(xiàn)了簡易皮帶張緊裝置的圓帶傳動，刀架的三軸調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的無級調(diào)速，尾座和卡盤的同軸度調(diào)整。該車床教具主軸具有一定的變速范圍（無級變速），較高的轉(zhuǎn)速，較小的扭矩；主軸組件具有足夠的抗震性；結(jié)構(gòu)緊湊，操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，且成本低，工藝性好，能夠有效地展示車床的主要結(jié)構(gòu)和加工過程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)式刀架設(shè)計(jì)，可移動式尾座設(shè)計(jì)，張緊裝置的設(shè)計(jì)，底板設(shè)計(jì)[2-7]。整體結(jié)構(gòu)裝配圖如圖1所示。

1.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

桌面級車床教具按傳動方式可分為帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等[2-3]。

1）帶傳動是以張緊在至少兩輪上的帶作為中間撓性件，靠帶與輪接觸面間產(chǎn)生摩擦力來傳遞運(yùn)動與動力的一種傳動方式。通常有兩種帶型傳動：平帶傳動和V帶傳動。

2）鏈傳動是利用鏈與鏈輪輪齒的嚙合來傳遞動力和運(yùn)動的機(jī)械傳動。可以在兩軸中心距較遠(yuǎn)的情況下傳遞動力（與齒輪傳動相比），鏈條磨損后，鏈節(jié)變長，容易產(chǎn)生脫鏈現(xiàn)象。

3）齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運(yùn)動的機(jī)械傳動。齒輪種類繁多，可以滿足各種傳動形式的需要。齒輪的制造和安裝的精度要求較高。

4）蝸輪蝸桿傳動用于兩軸交叉成90°、但彼此既不平行又不相交的情況下，通常在蝸輪傳動中，蝸桿是主動件，而蝸輪是被動件。蝸輪蝸桿傳動傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，但傳動效率低。

結(jié)合桌面級車床設(shè)計(jì)要求，本文主傳動系統(tǒng)采用帶傳動，帶輪和卡盤采用側(cè)固式與主軸連接，卡盤采用四爪卡盤，側(cè)面用4個(gè)M5頂絲夾緊工件進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

1.2 刀架的設(shè)計(jì)

目前，木工車床的刀架主要有以下兩種形式：回轉(zhuǎn)式刀架和桿式刀架。

1）回轉(zhuǎn)式刀架是目前大部分?jǐn)?shù)控車床及其所有大型木工車床上使用的刀架形式。它按照工位形式還可以分成四工位、六工位兩種類型。相比桿式刀架，回轉(zhuǎn)式刀架尺寸較大，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，同時(shí)能裝夾多把刀具，刀具的定位和夾緊都比較精準(zhǔn)。

2）桿式刀架由解鎖手柄、刀架鎖柄、刀架、刀架基座四部分組成。桿式刀架大多用在小型的家用木工車床上。它沒有回轉(zhuǎn)刀架的夾緊螺釘，刀具依靠人工手持。但其具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，比較適用于手動的普通木工車床上。

由于桌面級車床多是手工加工，所以選用桿式刀架，并在桿式刀架形式上進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)三方向調(diào)節(jié)。因此，刀架設(shè)計(jì)由3 部分組成，裝配圖如圖2所示。

圖2 刀架裝配圖

刀架上半部分能在中間的套筒內(nèi)自由上下伸縮，調(diào)節(jié)好高度之后通過側(cè)面的頂絲固定，實(shí)現(xiàn)上下方向的調(diào)節(jié)和固定。刀架下半部分螺栓組穿過開槽，從而帶動整體以螺栓為中心轉(zhuǎn)動和移動，調(diào)節(jié)好所需位置之后，通過螺栓螺母夾緊實(shí)現(xiàn)固定，最終實(shí)現(xiàn)左右方向的調(diào)節(jié)和固定。刀架下半部分所穿過的螺栓組也穿過木工車床底板上的開槽，與左右方向的移動形式相同，螺栓組也能夠在底板上的開槽間移動，調(diào)節(jié)好位置之后，螺栓組將刀架下部分和底板固定，從而實(shí)現(xiàn)前后方向的調(diào)節(jié)和固定。

1.3 尾座的設(shè)計(jì)

尾座是車床的重要附屬部件，其主要作用是加工，特別是軸類零件時(shí)能夠定心，同時(shí)具有輔助支撐和夾緊功能。綜合考慮現(xiàn)有車床尾座和設(shè)計(jì)要求的前提下，桌面級車床教具的尾座由尾支座和頂尖兩部分組成。尾支座要實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向的移動。尾支座分為兩部分，上尾支座和下尾支座。下尾支座底部開有兩個(gè)通孔長度為20 mm、10 mm的調(diào)節(jié)空間，下尾支座上部銑兩個(gè)凸臺和一個(gè)矩形開槽；上尾支座銑兩個(gè)6 mm 的凹槽，分別在兩個(gè)凹槽里打兩個(gè)通孔攻絲，中間銑直徑為10 mm 的通孔。通過底板上兩個(gè)開槽和尾支座底部的通孔，螺栓組和支座能在底板的開槽里移動，從而實(shí)現(xiàn)前后方向的調(diào)節(jié)；上尾支座和下尾支座通過4 個(gè)M5 的頂絲聯(lián)接，滑動上尾支座可以實(shí)現(xiàn)上下方向的調(diào)節(jié)，尾支座與底板裝配圖如圖3所示。

圖3 尾支座裝配圖

1.4 張緊裝置設(shè)計(jì)

張緊裝置的設(shè)計(jì)原則為：機(jī)構(gòu)緊湊，體積小；操作方便，拆卸安裝簡單；手動調(diào)節(jié)，低成本，外形美觀。張緊裝置主要有張緊輪張緊裝置、擺架式定期張緊裝置和滑道式定期張緊裝置3種張緊裝置[2]。

1）張緊輪張緊裝置，張緊輪是帶傳動的張緊裝置，當(dāng)帶的中心距不能調(diào)節(jié)時(shí)，可以采用張緊輪將帶張緊。張緊輪一般布置在松邊的內(nèi)側(cè)，從而使帶只受單向彎曲；同時(shí)，為保證小帶輪包角不致減小過多，張緊輪應(yīng)盡量靠近大帶輪安裝。張緊輪分為水平式和豎直式。這種張緊裝置依靠外面的配重將張緊輪靠緊在皮帶的松邊，達(dá)到張緊效果。此裝置的張緊輪的輪槽尺寸與帶輪的相同，且直徑小于小帶輪的直徑。這種張緊裝置容易使皮帶的使用壽命縮短。

2）擺架式定期張緊裝置，如圖4 所示。這種張緊裝置通過螺桿及調(diào)節(jié)螺母1使電動機(jī)繞小軸2擺動，從而實(shí)現(xiàn)張緊。這種張緊裝置的特點(diǎn)是拉緊力不變，拉緊位移可變，它適用于固定式長距離運(yùn)輸機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是安全可靠性高，缺點(diǎn)是拉緊力不能調(diào)節(jié)，空間要求大，在空間受限制的地方，無法使用。

圖4 擺架式定期張緊裝置

3）滑道式定期張緊裝置，如圖5所示。調(diào)節(jié)螺釘1使裝有帶輪的電動機(jī)沿滑軌2 移動，改變中心距從而實(shí)現(xiàn)張緊。滑道式張緊裝置一般都用在水平或豎直且距離較近的場合。因其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，廣泛應(yīng)用于傾斜不大的各種場合。

圖5 滑道式定期張緊裝置

綜合分析3 種張緊裝置的特點(diǎn)，并結(jié)合設(shè)計(jì)原則，選擇滑道式張緊裝置。創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)的張緊裝置不是水平調(diào)節(jié)中心距，而是豎直式的調(diào)節(jié)。豎直式的張緊裝置使底板的體積縮小，沒有張緊輪等贅物影響體積尺寸，且結(jié)構(gòu)簡單，靠螺釘鎖緊和放松調(diào)節(jié)，操作方便。由于材料限制和對聯(lián)接緊固的考慮，此處把豎直張緊裝置與底板支撐座一體加工，更好地解決張緊裝置和底板支撐座的聯(lián)接緊固問題。豎直式張緊裝置如圖6所示。張緊裝置選擇豎直式滑道張緊。

圖6 豎直式張緊裝置

1.5 底板設(shè)計(jì)

底板是機(jī)床的簡易工作臺，根據(jù)設(shè)計(jì)要求盡可能地保證尾座和卡盤的同軸度，因此在底板上開兩個(gè)直徑為8 mm的槽，使之在X軸方向更好地保證水平。

2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳動系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的系統(tǒng)，它具有一定的變速范圍，能方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化、開停、換向和制動。該車床教具主傳動系統(tǒng)包括電機(jī)、傳動裝置和主軸部件，比普通車床傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單。

2.1 電動機(jī)的選用

桌面級車床教具由于體積限制，為了使用方便，不宜配置較大的交流變壓器。并且在相同的輸出功率下，直流電機(jī)的尺寸較交流電機(jī)小。本文選用JGB3-540 型號電機(jī)，其功率P為5 W。

2.2 主軸的設(shè)計(jì)

軸是組成機(jī)械的一個(gè)重要零件，它支撐其他回轉(zhuǎn)件并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)它又通過軸承和機(jī)架連接。微型木工車床主軸上的零件布置從左往右依次是帶輪、軸承座、軸承、卡盤。軸承與主軸之間是過盈配合連接，帶輪和卡盤皆是側(cè)固形式傳遞轉(zhuǎn)矩。裝配方式如圖7所示。

圖7 主軸零件裝配方式

主軸的材料選擇：由于桌面級車床傳遞轉(zhuǎn)矩較小，并且微型化的概念要求其質(zhì)量較小，并為了降低成本，選用鋁合金材料牌號6061來設(shè)計(jì)主軸。

2.3 帶輪的設(shè)計(jì)

確定大小帶輪的公稱直徑：

圓形帶輪的公稱直徑為輪槽的底徑。小帶輪公稱直徑D1可根據(jù)結(jié)構(gòu)而定。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)定小帶輪公稱直徑D1=21 mm，大帶輪公稱直徑D2可由公式（1）計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取聚氨酯圓形帶。

計(jì)算大、小帶輪的外徑：

確定中心距調(diào)整量：

張緊或補(bǔ)償伸長所需要的最大中心距由公式（4）計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算得出：

3 電控元件的選擇

調(diào)速電控板要求有電機(jī)的無級調(diào)速功能，正反轉(zhuǎn)開關(guān)，尺寸還要求盡量小巧。所選用的PWM 調(diào)速模塊包含一個(gè)電機(jī)主控芯片，一個(gè)電位器，一個(gè)正反轉(zhuǎn)開關(guān)，若干接線引腳。電控板如圖8所示，外形尺寸完全滿足控制要求。

圖8 電控板

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一種桌面級車床教具，區(qū)別于普通的車床，本車床教具主要實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)功能：主軸正反轉(zhuǎn)開關(guān)控制，手動無級變速；堵轉(zhuǎn)時(shí)皮帶打滑，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；皮帶的手動調(diào)節(jié)張緊，刀架的三軸調(diào)節(jié)和固定，活頂尖的軸向調(diào)節(jié)和鎖緊；尾座在X、Z 兩個(gè)方向上的調(diào)整，尾座與卡盤同軸度調(diào)整等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該桌面級車床教具有效展示了車床的基本結(jié)構(gòu)和工作方式，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。