球面車床的結(jié)構(gòu)及精度設(shè)計

趙慧麗 王小勤 路君勇

（1.安陽工學(xué)院機械工程學(xué)院，河南 安陽 455000；2.安陽福士德鍋爐有限責(zé)任公司，河南 安陽 455000；3.安陽鑫盛機床有限公司研發(fā)中心，河南 安陽 455000）

球面車床的結(jié)構(gòu)及精度設(shè)計

趙慧麗1王小勤2路君勇3

（1.安陽工學(xué)院機械工程學(xué)院，河南 安陽 455000；2.安陽福士德鍋爐有限責(zé)任公司，河南 安陽 455000；3.安陽鑫盛機床有限公司研發(fā)中心，河南 安陽 455000）

本文通過對球面加工原理的分析，總結(jié)了球面車床基本結(jié)構(gòu)和幾何精度的設(shè)計方法。對球面機床的優(yōu)化設(shè)計和合理使用，均具有一定的參考價值。

球面；基本結(jié)構(gòu)；幾何精度

1 球面車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工原理

球面車床是在普通車床基礎(chǔ)上派生出來的一種用于球面加工的專用車床，車床上各部分除床鞍外同于臥式車床或者僅有少量的改進設(shè)計。球面車床簡圖如圖1所示，球面車床上在床鞍和中拖板之間設(shè)計了回轉(zhuǎn)盤。普通車床的床鞍被設(shè)計成回轉(zhuǎn)盤座2，通過山形導(dǎo)軌和床身相連接，回轉(zhuǎn)盤1通過軸承3及圓形導(dǎo)軌安裝在回轉(zhuǎn)盤座2上，回轉(zhuǎn)盤1以軸承3定心繞回轉(zhuǎn)盤中心軸MN回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)盤通過燕尾導(dǎo)軌連接中拖板4，刀架5則固定在中拖板上。

圖 1 球面車床簡圖

車床工作時，工件裝夾在車床主軸上，由主軸帶動繞Z軸旋轉(zhuǎn)，同時在由溜板箱傳遞的動力驅(qū)動下，回轉(zhuǎn)盤帶動刀具繞回轉(zhuǎn)盤中心軸線MN從初始切削位置開始回轉(zhuǎn)，開始切球面。中拖板通過燕尾導(dǎo)軌移動，調(diào)整刀具位置，切出正確尺寸的球面。回轉(zhuǎn)盤可以在床身導(dǎo)軌上移動，以便調(diào)整球面中心的位置。

為了達(dá)到工作要求，要對床鞍和回轉(zhuǎn)盤進行了重新設(shè)計，如圖2所示，回轉(zhuǎn)盤既可以機動也可以手動，手動可旋轉(zhuǎn)360度，用于無級調(diào)速車削時，最大回轉(zhuǎn)角度可達(dá)180度，刀架可機動進退。車削球面時，蝸輪1與大斜齒輪2嚙合提供驅(qū)動力，驅(qū)動回轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，切出球面。

圖 2 回轉(zhuǎn)盤傳動機構(gòu)

為擴大車床的使用范圍，回轉(zhuǎn)臺設(shè)計了固定裝置，當(dāng)回轉(zhuǎn)臺用插銷固定后，回轉(zhuǎn)臺前面指示燈亮表示固定死，此時，驅(qū)動力通過位于回轉(zhuǎn)臺中心的軸3和錐齒輪傳給刀架，可做一般的車削?；剞D(zhuǎn)臺固定后，不得機動旋轉(zhuǎn)，否則會造成重大事故。

為了加工內(nèi)球面，專門設(shè)計了內(nèi)刀架，如圖3所示，使用時將普通外刀架卸下，裝上內(nèi)刀架，切削時刀架隨回轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，刀架的進給由手輪軸1通過蝸輪蝸桿帶動齒輪3，再通過刀桿4上的齒條帶動刀桿來實現(xiàn)。為了加工需要，還設(shè)計了微動進給機構(gòu)2，用于精確加工。

為了得到更高的表面光潔度，球面車床上還可以增加一個砂帶磨，對車好的外球面進行拋光。但對提高球面的幾何精度并無多少效果，某些球面車床也可以帶砂輪磨頭，以便對球面進行磨削。

圖 3 內(nèi)刀架及其傳動機構(gòu)

2 球面車床幾何精度誤差對球面加工精度的影響

球面加工精度包含三個方面的內(nèi)容：形狀精度，位置精度，尺寸精度[4]。本文僅研究形狀精度，在沒有特殊說明的情況下，本文所說的球面加工精度，球面加工誤差均指其形狀精度，形狀誤差。在機床加工過程中，球面形狀能否準(zhǔn)確形成，取決于球面和刀具在切削運動過程中是否具有準(zhǔn)確的相互位置關(guān)系。機床幾何精度對通過在加工過程中改變刀具和工件的相互位置關(guān)系引起加工誤差來影響球面的加工精度。各種幾何精度的誤差在大小和方向上各不相同，而加工精度必須在工序尺寸方向上度量，因而不同的機床幾何精度對球面加工精度的影響也不相同。當(dāng)機床幾何精度誤差的方向與工序尺寸方向（即通過刀尖的加工表面的法線方向即誤差敏感方向）一致時，對加工精度的影響最大。球面車床幾何精度包括三部分：回轉(zhuǎn)盤的幾何精度，導(dǎo)軌的幾何精度，車床主軸的回轉(zhuǎn)精度。它們對球面加工精度的影響在方向、大小上各不相同。其中回轉(zhuǎn)盤的幾何精度對球面加工精度的影響較大，為該項幾何誤差的二分之一。導(dǎo)軌的幾何精度中，導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度和導(dǎo)軌對主軸軸線在水平面內(nèi)的平行度對球面加工精度的影響也較大。在車床主軸的幾何精度中，主軸軸向竄動對球面加工精度的影響最大。

生產(chǎn)實際中遇到的球面車床幾何精度誤差對球面加工精度的影響往往是多項誤差的綜合影響，也就是各單項誤差的合成問題，可以采用分析計算法計算總誤差[5]。

3 球面車床的幾何精度設(shè)計

球面車床工作精度的設(shè)計也就是確定球面機床的工作精度即球面加工的允許誤差。可以綜合以下幾個方面來確定：其一，確定車床所加工球面的類型，調(diào)查該類型球面所應(yīng)用的行業(yè)對其精度要求，并把其作為確定車床工作精度的依據(jù)。其二，如果某行業(yè)對球面精度要求很高，需進行精加工，如磨、研等，應(yīng)以精加工前所需精度作為確定車床工作精度的依據(jù)。其三，類比于同類車床確定車床的工作精度。

車床工作精度確定之后，確定車床各項幾何精度時一般應(yīng)考慮以下幾方面的因素：一是各項幾何精度的工藝難易程度。工藝難易程度對加工誤差的影響程度基本一致時，平均分配公差。二是各項幾何精度的工藝性。根據(jù)各項幾何精度的工藝難易程度，分配公差。幾何精度保證難度大的，分配較大的公差值，反之，幾何精度易于保證的項目，分配較小的公差值。三是確定機床幾何精度時，必須考慮其對加工誤差影響。根據(jù)其對加工精度的影響程度，決定其公差值的大?。河绊懘蟮膸缀尉?，分配給較小的公差值，反之，影響小的幾何精度，分配給較大的公差值。確定車床的幾何精度時，僅考慮一個方面是不全面的，不合理的，必須兼顧以上幾個方面，才能達(dá)到合理、經(jīng)濟。當(dāng)確定了各項幾何精度后，還需進行驗算，如有不妥，必須進行調(diào)整，直至合理為止。

綜上，球面車床的設(shè)計一般依托普通車床進行改進，一定注意回轉(zhuǎn)盤和刀架的設(shè)計。由于幾何精度對加工誤差的影響在大小和方向上各不相同，保證球面車床幾何精度的工藝難度也不盡相同，這是進行機床幾何精度設(shè)計時必須考慮的問題。

[1]尚建軍.球面車削工藝及車床改進設(shè)計原理分析[J].煤炭技術(shù)，2006（3）：6-7.

[2]金兆鈞，王靜波，郝志國.球面車床的改造[J].制造技術(shù)與機床，2004（5）：99-101.

[3]李飛.球面加工工裝改進[J].金屬加工，2012（9）：46.

[4]王先逵.機械制造工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：27.

[5]關(guān)玉祥.機械加工誤差與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994：29.

TH122

A

1671-0037（2014）06-95-1.5球面車床適用于加工外球面、內(nèi)球面及軸上帶球的工件，并能進行鉆孔、鉸孔等工作，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，光學(xué)鏡面加工，汽車球頭桿加工，球閥加工等球體類行業(yè)對球面加工車床的需求日益擴大。目前球面車床都是簡單改裝或者由普通車床變型而改裝成的專用車床[1，2，3]，精度要求尚無國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在球面車床的設(shè)計方面，由于缺乏必要的文獻資料，其幾何精度設(shè)計目前只能由機床開發(fā)廠家根據(jù)經(jīng)驗確定。為了加工出高精度的球面，怎樣合理地設(shè)計球面車床的結(jié)構(gòu)及幾何精度，已成為球面車床開發(fā)廠家急待解決的一個課題。

趙慧麗（1979-），女，碩士研究生，講師，研究方向：機械制造工藝、材料的制備及性能檢測。