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立式數控車床的工作循環及設計分析論文
摘要：文章主要分析了普通臥式車床和簡易臥式數控車床加工轉向節桿部及法蘭端面工藝方法不足，提出了采用專用立式數控車加工轉向節桿部和大端面的工藝方案。給出了轉向節專用立式數控車床總體結構、機床的工作循環及機床主要技術參數；并對轉向節專用立式數控車床關鍵部件主軸箱、進給系統及轉向節工裝夾具等進行了設計。該機床使用結果表明，有效保證了轉向節桿部和大端面與兩頂尖孔的位置精度，同時有效降低裝卸工件的勞動強度。
關鍵詞：數控車床；設計；進給系統
汽車轉向節是汽車上應力最集中、形狀最復雜的零件之一，需要具有良好的機械性能。它的加工質量直接影響到汽車的操作性和安全性。隨著汽車數量的迅猛增加，轉向節的需求也隨之上升，因此提高生產效率是至關重要的。但由于其結構的復雜性，給機械加工帶來一定難度，特別是轉向節桿部及法蘭端面的加工，尺寸精度和位置精度很難保證。傳統的轉向節桿部及法蘭端面的加工采用普通臥式車床或簡易臥式數控車床，設計簡易車具，利用尾座頂尖將轉向節夾持在車具和尾座頂尖之間，車具撥動轉向節旋轉進行加工。此種加工工藝方法的不足：工件裝夾困難；車具無配重，轉速提高受限；加工效率低。鑒于上述對傳統轉向節生產工藝的分析，為了解決傳統加工轉向節桿部及法蘭端面生產工藝的不足，我們開發設計了一種新的加工轉向節桿部的專用立式數控車床。該設備具有同規格立式數控車床的工藝性能，同時具備加工轉向節的高效性，同時減輕了工人裝夾工件的勞動強度，是一種一舉兩得的理想設備。
1轉向節專用立式數控車床工藝方案分析
1.1整體式轉向節工藝特性
形狀如羊角，結構復雜；毛坯為鍛件，加工余量大，特別是法蘭盤根部圓弧部分；工件偏重，轉動慣量大；定位夾緊困難。
1.2機床方案
根據轉向節工藝特性和定位夾緊要求，該機床采用主軸偏置的立式數控車床結構，在傳統立式數控車床的基礎上，增設尾座頂尖部件，并設計專用車具，形成高效加工轉向節的新型機床，同時仍具備通用數控立車的功能。電氣控制系統為日本FANUC-0i-Mate數控系統。液壓系統為符合ISO標準的疊加閥結構。
1.3機床的工作循環
安裝工件—定位夾緊—數控滑臺快移—X、Z軸聯動，同時主軸旋轉—完成外圓加工—數控滑臺快退至原位—伺服刀架換刀—數控滑臺快移—X、Z軸聯動，完成工件外圓各槽的加工—數控滑臺快退至原位—伺服刀架換刀—數控滑臺快移—X、Z軸聯動，完成工件各螺紋的加工—數控滑臺退至原位—松卡—卸下工件—進入下一循環。
2轉向節專用立式數控車床部件設計
2.1主軸箱設計
2.1.1主軸箱結構設計
本機床為立式結構，主軸箱就是傳統意義上的床身，其作用一是安裝主軸及其傳動系統，二是支撐立柱即在其上安裝的縱橫滑板和電動刀架。因此要求主軸箱具有據夠的剛性，結構必須合理，長期使用不變形。
2.1.2主軸箱傳動系統
傳動比確定：機床主要加工轉向節，兼顧通用數控立車功能，傳動比為1:10，最低轉速為63轉分鐘，最高轉速為1000轉分鐘；轉動路線確定：傳動路線采用伺服電機通過行星減速箱、皮帶輪驅動主軸單元使主軸旋轉；主軸單元結構：采用主軸單元結構目的是方便制造、安裝、維修。選用主軸單元結構要適合加工轉向節特殊件的需要。選用主軸單元結構要適應加工轉向節特殊件的需要，第一滿足剛性要求，旋轉精度的長久穩定性；第二要有夾緊油缸及分油裝置；第三動力卡盤和專用車具可快速切換，實現通用立式數控車床功能和專用轉向節數控加工的切換。據此，選用的主軸單元為標準50規格的車主軸支撐形式，具有高剛性、高精度的特點。 2.2進給系統設計
2.2.1縱向進給傳動系統設計
縱向進給傳動系統主要有縱向滑板和縱向滾珠絲杠傳動副組成。其縱向滑板安裝在立柱的縱向滾動導軌上，它可以沿立柱導軌做縱向運動。導軌采用重載型滾珠滾動導軌，導軌承載能力大，剛性強。縱向伺服電機經聯軸直接驅動滾珠絲杠螺母副，帶動縱向滑板沿立柱導軌運動。
2.2.2橫向進給系統設計
橫向進給傳動系統主要由橫向滑板和橫向滾珠絲杠傳動副組成。其橫向滑板安裝在縱向護板的橫向滾動導軌上，它可沿著縱向滑板向滑板橫向導軌做橫向運動。導軌采用重載型滾珠滾動導軌，導軌承載能力大，剛性強。橫向伺服電機經聯軸器直接驅動滾珠絲杠螺母副，帶動橫向滑板沿縱向滑板橫向導軌運動。
2.3轉向節工裝夾具設計
2.3.1頂尖部件設計
頂尖是機床的重要定位機構，其功用：定位功能、回轉功能、夾緊功能，其動作：安裝工件時，頂尖部件處于上部，當工件在專用車具的正確位置上時，頂尖在油缸的作用下向下移動，使上頂尖頂緊工件桿部上頂尖孔，完成工件的定位夾緊。主軸旋轉時頂尖也隨著旋轉，實現機床的主運動。設計此部件首先確定夾緊力，設計驅動油缸的規格，確保夾緊可靠；轉向節是不平衡件，頂尖主軸及頂尖要有足夠的剛性，以保證回轉精度的長久穩定性。
2.3.2轉向節車具設計
轉向節是異形件，非常的不平衡，其車具設計有一定難度，第一是定位采用頂尖孔，其剛性不好，需要上下頂尖定位夾緊，下頂尖固定在主軸上，上頂尖單獨設計移動部件；第二是夾緊，沒有規則的夾緊面，同時不同的頂尖形狀各異，要使車具具有通用性，車具必須具有適應不同工件的柔性；第三是工件的不平衡性，在設計車具時必須有可調整的配置設置；第四是在旋轉的主軸上采用液壓自動夾緊，主軸設置旋轉編碼器，以適應車螺紋功能，車具設置夾緊油缸。
3結束語
本機床已交付用戶使用，其性能已達到設計要求。圖紙經完善后開始投入小批量生產，并參加了2010年在北京舉辦的第十屆國際機床博覽會，得到廣泛好評。
參考文獻：
[1]張振國，數控機床的結構與應用[M]，北京：機械工業出版社，2010
[2]王愛玲，現代數控機床[M]，北京：國防工業出版社，2008
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