一種立式絲錐磨方機的設計研究

高 榮 羅 剛 張青龍 嚴從勛

(①成都工業學院，四川 成都 611730;②重慶富川機電有限公司，重慶 401329;③成都光明光電股份有限公司，四川 成都 610100)

1 絲錐柄部四方的加工工藝分析

本專用機床需對絲錐刀柄上的四方進行加工，加工工件規格范圍為M8～M22，如圖1 所示。工件的長度L 范圍為60～158 mm，所磨四方厚度a 的范圍為5.00～14.00 mm，L2的范圍為8～18 mm，d1的范圍為6.30～18.00 mm。

圖1 絲錐結構及尺寸

絲錐四方在絲錐工作時用于傳遞扭矩，同時也作為絲錐的安裝定位基準［1］。對絲錐四方的加工，要有一定的形狀、尺寸、表面粗糙度及形位誤差要求。加工絲錐方頭常用的加工方法是銑削或磨削。如用銑削的加工方法，加工后通常還需要安排其他工序(如熱處理、磨削等)來保證絲錐四方的精度和表面質量等方面的要求;而采用直接磨削的方法來加工絲錐四方，其精度和表面質量可以在一次加工中得到保證，而且磨削方法還可以加工經過熱處理的高硬度絲錐刀柄，因此磨削加工四方，通常還可以安排為該種絲錐加工的最后一道工序［1-2］。對磨削量較小的小規格絲錐加工，生產效率高的優勢更加明顯。該專機所加工絲錐四方頭的每方加工余量為0.65～1.75 mm，加工余量小，故特別適用磨削加工。

2 絲錐磨方機的運動分析及運動分配方案

磨削絲錐刀柄四方時，需保證四方的長度L2和四方的厚度a。其中，長度L2可以用砂輪厚度直接保證，厚度a 可用砂輪做徑向進給保證。該機床需要五個運動，一是砂輪的旋轉主運動n，二是砂輪的徑向進給運動fr，三是工件的橫向進給運動fa，四是工件的四方分度運動na，五是適應不同長度工件加工及修整砂輪時工作臺的縱向移動fb。該運動方案的傳動原理圖如圖2 所示。

圖2 絲錐磨方機傳動原理圖

分配機床運動時，應考慮在滿足加工要求的前提下，簡化機床的傳動系統和結構，便于操縱，降低成本，縮小機床占地面積等［3］。通過對各種運動分配方案的分析比較，最后確定主運動n 由電動機通過聯軸器傳給砂輪架完成，縱向運動fb和橫向運動fa由工作臺帶動工件完成，分度運動na由分度頭帶動工件完成，徑向運動fr通過砂輪架沿立柱導軌上下運動完成。

3 機床的總體設計

3.1 傳動形式的選擇

機床的傳動有機械、液壓、氣動、電氣及綜合等多種形式。選擇機床傳動形式的基本要求是:(1)實現所需運動;(2)滿足運動性能要求;(3)經濟效益高［3-4］。

加工工件的尺寸對橫向進給運動fa沒有精度方面要求，但fa的進給量大小不但影響著加工表面的表面質量，而且自動化程度要求較高，故此運動的傳動形式選擇液壓傳動。而縱向進給運動fb是修整砂輪或加工不同規格工件時調整絲錐L2長度的進給運動，精度要求較高，但自動化程度要求不是很高，因此此運動的傳動形式選為絲杠螺母傳動。相比之下，徑向運動fr的精度決定著絲錐刀柄四方的厚度a 的尺寸和精度，要求較高，而且自動化程度決定著生產率的高低，故要求也較高，因此選擇步進電機驅動滾珠絲杠副的傳動形式，此滾珠絲杠傳動的優點有［5］:

(1)傳動效率高，一般可達95%以上，傳動效率是滑動絲杠的2～4 倍;

(2)運動平穩，摩擦力小，靈敏度高，低速無爬行現象;

(3)可預緊，消除絲杠副的間隙，提高軸向的接觸剛度;

(4)使用壽命較長，一般為普通滑動絲杠的4～10倍，甚至更高;

(5)定位精度和重復定位精度高。

3.2 支承形式的選擇

機床中常用的支承件有床身、底座、立柱、橫梁等，這些支承件單獨或組合使用，構成臥式或立式機床的基礎件。

臥式機床和立式機床各有優缺點。立式機床占地面積小，且立式機床的執行部件可在縱向、橫向和垂直3 個方向運動，而臥式機床的執行部件一般只能在縱向和橫向兩個方向運動。操作立式機床時，操作者可以站在機床的前面、左面或右面，而操作臥式機床時，一般只能站在機床的前面。但加工工件要求機床上下移動量較大時，則立式機床重心位置較高，機床易于產生振動。

因為加工絲錐四方時，徑向加工余量較小，故垂直方向的移動量較小，因此選用立式支承形式時機床重心不會很高，機床抗振性較好，加工絲錐四方需要縱向、橫向和垂直3 個方向的運動，故機床的支承形式選擇為立式，具體布置為:工作臺裝在床身上，帶動工件作橫向及縱向進給，立柱支承磨頭部件作垂直徑向進給。本來此支承形式可以在一次裝夾時同時完成多個工件的加工，但因受到空間和分度頭結構的限制，本機床選擇了一次裝夾后同時加工兩個工件的方案。其結構簡圖如圖3 所示。

3.3 操縱部件的布置

機床總體布局應保證操作者與工件之間有合適的相對位置，以便于裝卸工件、調整刀具、觀察加工情況以及測量工件尺寸等，常用的操縱手柄、手輪、按鈕、數顯表等應盡可能布置在操作者近身處，使操作方便、省力。有時為了簡化機床結構，允許將不常用的手柄就近布置在被操作部件上［3-5］。本機床的操縱部件布局依據是操作者視覺的觀察范圍和人手的工作區域特點［6］，取機床手輪的高度為800 mm，裝料高度為1 100 mm，按鈕箱的高度為1 300 mm，這些高度的選擇能很好地滿足操作者的肢體舒適度要求。

4 絲錐磨四方加工流程

圖3 絲錐磨方機結構簡圖

裝卸工件時，按下按鈕箱上的裝卸按鈕，此時裝卸液壓缸通過進出壓力油來帶動分度頭上的兩個頂尖前后移動，以此來夾緊或松開工件。

工件裝夾后，按下啟動按鈕，磨頭部件在立柱上作等差間歇進給，對工件進行粗磨、半精磨、精磨加工。工作臺采用了滾柱交叉導軌，在進給液壓缸的帶動下作橫向往復進給。當一個方加工完成時，由立柱上的檢測裝置發出信號，磨頭部件回到安全位置。磨頭部件回到安全位置后，再由立柱上另一個檢測裝置發出信號，分度頭在分度液壓缸的帶動下自動拔銷、分度、插銷以完成分度動作，由分度頭上的檢測裝置發出信號，之后，磨頭部件繼續作等差間歇進給，工作臺件作橫向往復進給，以此循環。

當四方中的每一方都加工完成后，由分度頭上的檢測裝置發出信號，磨頭部件回到初始位置，工作臺停止進給，完成一個工作循環(即完成兩個絲錐四方的磨削)。

5 結語

針對絲錐四方頭的加工特點，采用磨削加工工藝來加工絲錐四方，設計了該立式絲錐磨方機。同原來的絲錐四方加工機床相比，該專用機床加工精度和表面質量高，能同時加工兩個工件，且能實現自動分動，自動檢測，提高了生產效率，減輕了操作者的勞動強度。磨頭部件在立柱上通過步進電機帶動滾珠絲杠作等差間歇進給，進給量大小可調，因此本專用機床能夠對工件進行粗磨、半精磨、精磨加工，工件的精度、表面質量和生產效率有了很大的提高。工作臺采用了滾柱交叉導軌副和液壓驅動，運動更加平穩，發熱量小，精度保持性好。在操縱部件的布置上遵循了機床宜人學，為操作者提供了良好的工作條件和環境，以保證操作者能夠高效率、高可靠性地操作機床。

［1］陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［2］鄭修本.機械制造工藝學［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［3］許曉旸.專用機床設備設計［M］.重慶:重慶大學出版社，2003.

［4］顧維邦.金屬切削機床概論［M］.北京:機械工業出版社，1999.

［5］隋秀凜，高安邦.實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［6］陳心昭.現代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.