缸筒類零件專用數控車床的設計

梁瑞鋒 李寧艷

(①寧夏新瑞長城機床有限公司，寧夏銀川 750021;②寧夏民族職業技術學院，寧夏吳忠 751100)

煤礦液壓支架、大型壓力機、工程機械等設備的大規格液壓缸由于其承受負載很大，對其關鍵零件缸筒的加工有很高的要求。以往各個生產廠家基本采用分序加工，零件質量難以保證，工人勞動強度大，生產效率低下，難以滿足要求。寧夏新瑞長城機床有限公司2008年開始研發LC系列缸筒類零件專用數控車床，根據缸筒類零件的技術要求及工藝特點，有針對性地設計了機床布局和多種模塊化功能部件，解決了此類零件車削加工工序集中的瓶頸問題，確保了零件加工精度及效率，在實際應用中其技術得到了充分驗證。

1 缸筒類零件工藝分析

以煤礦液壓支架的400規格液壓缸缸筒(圖1)為例，圖中粗實線所示內止口是精度要求高，加工難度大的部位。要求加工出的定位孔及矩形螺紋孔與前序深孔鏜床精加工出的內孔同軸度誤差在0.02 mm以內，表面粗糙度值小于Ra1.6 μm。

原有的加工工序:先在一臺車床上以前序內孔為基準，加工出圖1所示中心架架窩，然后在另一臺機床上如圖1所示以內孔和架窩為基準加工內止口。此工藝由于工件需二次裝卡找正，對工人技術水平的要求很高，也很難達到圖紙的要求。同時由于工件較大，工人的勞動強度也很大。因此能夠在一次裝卡下完成架窩加工、中心架夾持、內止口加工的專用數控車床是解決這一問題的理想途徑。

2 專用數控車床設計及難點

一次裝卡下完成缸筒類工件的架窩加工、中心架夾持、內止口加工等工藝過程，并保證工件的加工精度和要求，是本專用機床的設計目標。為完成設計目標，機床各部件必須相互協調完成較為復雜的動作，如何使機床具備可靠地完成這些動作的功能是本專用機床要解決的主要問題之一。同時本專用機床最大加工工件的重量接近2 t，對于斜床身數控車床來說屬于較大的范疇，如何保證各部件有足夠的承載能力，達到運動部件既要運動靈活又要與床身之間有足夠的接觸剛度是本專用機床要解決的另一個主要問題。另外由于缸筒類工件在加工時多為多品種小批量生產，各品種間更換頻繁，要求機床調整方便快速，如何縮短機床調整、上下料等輔助時間也是本專用機床要解決的問題。

3 專用數控車床的布局與功能

本專用機床綜合考慮整體剛性、空間結構和排屑性能等因素，采用75°高剛性斜床身布局方式。為確保整機穩定性和剛性，床身底面形狀設計為“L”形，而非一般機床所采用的“I”形，同時將床頭箱通過支撐塊與床身連接。機床各部件布局見圖2。

機床完成設計目標的動作順序是:上料→副主軸前進將工件頂靠至定位面→副主軸箱體鎖緊至床身導軌面→雙卡盤同時動作撐緊工件→車中心架架窩→中心架夾緊工件→副主軸卡盤松開→副主軸鎖緊裝置松開→副主軸退回→車內止口及端面→中心架松開→主主軸卡盤松開→下料。本專用機床具備通過數控系統程序控制自動完成上述除上下料以外所有動作的功能，并在設計中保證了機床各主要零部件有足夠的剛性和穩定性，解決了本機床的主要設計要點和難點。

4 專用數控車床的主要結構特點

4.1 中心架

在中心架支架鎖緊方式上，一般多采用沿次平面用螺釘拉緊壓板、沿主平面用螺桿帶動楔塊頂緊的鎖緊方式。調整中心架位置時需要擰動至少5個螺釘才能將壓板及楔塊松開，移動到位后再依次擰緊這些螺釘，調整費時費力(每次至少需要20 min時間)，且由于擰緊螺釘的順序以及力量的不同會影響中心架夾持中心與主軸軸線同軸度的穩定，對加工精度產生不利影響。本專用機床采用沿次平面由一組4個彈簧鎖緊油缸拉緊壓板，沿主平面由一組6個液壓活柱頂緊的鎖緊方式，調整中心架位置時只需利用按鈕或M指令控制松開或鎖緊即可松開鎖緊裝置，調整一次不到1 min，且此結構鎖緊力恒定，避免中心架精度的變化。另外在支架與壓板間設有限位軸，裝配時通過其將松開狀態壓板與床身導軌間的間隙控制在0.04～0.05 mm，這樣能夠使移動平穩、減小阻力，同時可將彈簧鎖緊油缸(結構見圖4)中碟形彈簧的變形量控制在較小范圍內，提高其使用壽命。

在中心架開口方向上，通用型臥式斜床身數控車床一般為平行于機床X軸方向，上料時需將工件推至中心架開口處再向回拉至裝卡位置，工件極容易碰傷中心架進而影響中心架精度，且上下料費時費力操作不便，尤其大規格工件更為嚴重。本專用機床中心架開口豎直向上，工件可由上方直接吊裝放置在托料架上，避免了上述現象發生，同時為配置自動上下料機器人提供了技術儲備。

4.2 彈簧鎖緊油缸

本裝置固定在中心架支架及尾架下體上，并與壓板連接，通過內部碟形彈簧將壓板拉緊在床身導軌上，松開壓板時通入液壓油推動活塞壓縮彈簧推開壓板。以使用規格為φ60 mm×φ30.5 mm×3 mm的碟形彈簧12片，采用圖4所示排列形式，碟簧壓縮50%為例，每個鎖緊缸可提供2.5 t以上的鎖緊力，每組使用4個，共可提供至少10 t的鎖緊力。利用此裝置可有效避免直接使用液壓油缸鎖緊時，油壓不穩引起的鎖緊力變化，可靠地保證了中心架及尾架的穩定性。

4.3 副主軸及其驅動裝置

本專用數控車床將一般車床所用的尾架設計為全新的無動力副主軸結構(見圖5)，從而可安裝自定心液壓卡盤，與主主軸卡盤配合撐緊缸筒內孔，可靠地將設計基準轉化為加工基準。將箱體分為上下兩部分，結合面設計為與床身導軌面成一定角度的斜面，在上下體之間設有基準板，在下體上設有調整鑲條，這樣在需要時可方便地沿主、次平面兩個方向調整副主軸中心位置，提高其與主主軸軸線的同軸度，保證工件加工精度。本副主軸設計有與中心架部分相同的主、次平面鎖緊機構，總鎖緊力接近15 t，可靠保證了加工過程中切削力和工件重量不會對主軸中心產生影響，保證了加工精度的穩定性。本副主軸整體由如圖6所示的伺服裝置驅動移動，移動范圍覆蓋整個機床加工長度，避免了一般采用油缸驅動所帶來的行程限制，移動時鎖緊機構由指令控制自動松開，到位后再自動鎖緊，動作靈活可靠。

由于驅動裝置為滿足行程的要求，絲杠較長，絲杠轉速不能高，否則會產生振顫現象。為此本裝置使用的是大導程滾珠絲杠，使副主軸有足夠的移動速度節約輔助時間。由于安裝在機床工作區域內，使用環境比較惡劣，為保護絲杠在絲杠上套裝了一組對接的螺旋護套。所用伺服電動機采用內裝絕對值編碼器，省去了使用增量編碼器時所需的行程開關、回零擋鐵及行程擋鐵等件，避免了切屑、切削液等造成開關誤發令而引起的機床故障。

4.4 托料架

由于本專用機床要加工的工件規格及重量都較大，如果直接將工件吊裝至裝卡位置，工件會對卡具和主軸有沖擊，影響機床精度和壽命，因此需要將工件先放置在托料架上再推靠至卡盤定位端面。加工的工件規格更換比較頻繁，要求托料架調整方便。常用的托料架結構不能滿足上述要求，因此專門設計了如圖7所示的自鎖式帶滾輪可調整托料架裝置。

本裝置采用帶自鎖性的梯形螺母副，調整完畢后無需其它措施就可保證調整后的位置不發生變化，同時由于梯形螺母副的剛性較高可承受較大的工件重量;將調節手輪設置在機床正面水平位置，調整時只需轉動手輪即可調整滾輪的高低位置，方便操作者的使用;托料采用帶軸承座的滾輪，從而大大降低了在托料架上移動工件所需的力，降低了操作者的勞動強度;滾輪采用金屬內芯外包尼龍(或橡膠等具有一定彈性、強度和耐磨性的材料)避免損傷工件表面。

5 模塊化部件與機床功能擴展

本專用機床在設計中利用模塊化設計思路，將機床分為許多個相互關聯又各自獨立的模塊化功能部件，這樣可根據用戶不同的需求，在機床的基礎部件基礎上選擇相應的模塊化部件，以實現不同的功能。下面就本機床的模塊化設計舉例說明。

5.1 模塊化副主軸

本機床副主軸部件分為上下兩部分，對上部分設計了3種不同的模塊，第一種為前文所述可安裝卡盤的無動力副主軸;第二種為數控車床通常采用的芯軸式液壓尾架，可用于端面有盲孔且與外圓有較高同軸度要求的工件，以及其他一些特殊軸類工件的加工;第三種為圖8所示的復合尾架，這種尾架將中空主軸與頂緊油缸集合為一體，主軸前部設計為莫氏錐孔，這樣既可安裝液壓卡盤又可安裝頂尖，可實現前兩種模塊的功能，可用在一些需要一機多能的場合，變更功能時只需將工裝卡具在頂尖和液壓卡盤間更換即可。

5.2 模塊化中心架部件

由于用戶目標工件的不同，所需要的中心架規格型號有所不同。本專用機床設計了配備不同規格中心架的部件模塊，可根據需要靈活安裝于機床。

5.3 模塊化刀臺部件

本專用機床刀臺部件根據機床功能的要求設計為伺服刀臺型、液壓刀臺型、動力刀臺型、雙面應用型等不同的模塊，可根據需要選用。

5.4 其他

本機床在滿足機床基本功能的基礎上，還設計了可擴展機床功能的模塊化部件。如在主軸箱上加裝環形編碼器及主軸鎖緊裝置，配置動力刀臺，增加系統功能，這樣機床將擴展為具備C軸及銑削功能的車削中心;將在無動力副主軸上加裝內裝主軸電動機，使機床成為雙主軸數控車床等。

6 結語

缸筒類工件專用數控車床的設計，基于對目標工件要求及工藝的仔細分析，得出對機床動作及功能的要求，找出其設計要點及難點，通過對這些問題以及機床布局、運動和結構等的設計進行分析和探討，采用了一系列新技術、新方法、新結構，運用三維設計技術以及有限元分析技術，使設計目標得以合理充分地實現。

本專用機床通過近兩年的實際應用驗證，在原設計基礎上對產品進行持續改進，使其更趨完善。同時也發現機床在功能方面還有進一步擴展的空間。

［1］鄒慧君.機械原理課程設計手冊［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［2］成大先.機械設計手冊［M］.5版.北京:化學工業出版社，2008.

［3］現代實用機床設計手冊編委會.現代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.