一種用于拉削加工的回轉工作臺設計

應炎鑫 盛 青 胡春美 林綠勝

(①浙江暢爾智能裝備股份有限公司， 浙江 縉云 321404；②上海汽車制動系統有限公司，上海 201821)

回轉工作臺是利用自身可轉動的平臺來裝夾具或工件然后對工件進行加工的一種輔助機構。在拉削加工工藝中，常利用夾具、回轉工作臺等機床附件，保持工件不動，拉刀做直線運動進行拉削，使工件某表面達到設計要求精度。不同于常規回轉工作臺，用于拉削裝備的回轉工作臺作為拉床中的一個非常大的部分，其設計要求是承載力大，重復定位精度高。如L2240臥式側拉床是生產連桿副的關鍵設備之一，其回轉工作臺要帶動重達2 t的夾具回轉和承受50 kN的切削力[1]。按照拉削加工的種類，用于拉削的回轉工作臺通常在0°、90°、180°等幾個位置完成夾緊和定位功能即可，而不需像加工中心那樣作為一個軸實現伺服運動。

近年來，文獻中報道了大量關于數控回轉工作臺的研究成果，如湖南大學、南京理工大學、合肥工業大學等單位對加工中心回轉工作臺的結構設計、傳動系統設計與精度分析、靜壓導軌設計等展開研究[2-5]。但是面向拉削工藝的回轉工作臺的研究鮮見報道。面向拉削工藝的工作臺的應用非常多，工作臺向自動分度回轉工作臺、動力源方式向節能環保方向發展。本文介紹一種面向拉削工藝的回轉工作臺設計方法，有著其實際的意義和價值。

1 回轉工作臺整體結構設計

本文設計一種液壓驅動、具有鎖緊和水平旋轉功能的連桿式回轉工作臺。圖1是這種工作臺的整體結構示意圖，由工作臺、抬升鎖緊、回轉傳動、回轉動力和配油五大部分組成。抬升鎖緊油缸部分在液壓驅動下，使上工作臺升起，回轉動力部分的旋轉油缸活塞桿帶動動力轉盤旋轉角度，最后抬升鎖緊部分下降。整個部件通過這樣的循環進行運轉。底部配油部分則為了給工作臺上要放置的夾具供油而設計。

回轉工作臺的動作循環如圖2所示。在機床上，利用工作臺的旋轉進行工件的上下料、改變工位等，再加上外部設備的加工，例如拉削、切割等，使得整個工件的加工得以完成。

2 功能設計

(1)旋轉和鎖緊

工作臺有兩個重要部分，即旋轉和鎖緊部分。旋轉部分由兩根液壓驅動的連桿作用，帶動動力轉盤，再由動力轉盤帶動中間轉軸從而使得上工作臺進行旋轉，圖3是回轉油缸裝配圖。鎖緊部分同樣在液壓驅動條件下，使整個上工作臺及其相關零件形成升降動作。鎖緊則是由上、下工作臺的端齒盤的嚙合與否來決定。上工作臺上升則松開，下降時則鎖緊。

(2)密封和潤滑

觀察圖1可以看到工作臺有兩處必須進行密封和潤滑。分別是升降活塞和中間轉軸的接觸面、閥芯和閥體的接觸面。兩者密封是通過相應的密封圈進行密封。升降活塞和中心轉軸的接觸面是利用升降過程中液壓油正常泄漏出來的油液進入接觸面后而形成潤滑。閥芯閥體之間則通過在閥體底部開潤滑孔將潤滑油通入閥芯和閥體接觸面處來實現潤滑。

(3)緩沖設計

由于回轉工作臺重量較大，導致慣性力較大，所以在回轉到位前為了降低速度、減小慣性力影響而導致內部零件間相互受力以至于減少工作臺壽命需要增加一定的緩沖距離。抬升鎖緊部分的活塞上升到位時即停止相應控制，因為運行距離較短而無須緩沖。但是在下降時若無相應的控制會由于重量的影響對下工作臺及相關部件形成一定的沖擊，其反作用也會對上工作臺產生影響。因此在活塞上升油路控制中多加一個電磁換向閥，活塞上升時它不起作用，但在活塞下降時它作用，將本來回流的油液繼續通入上升的油腔來抵制下降時的力。同時設置了機械緩沖。雙重保護有效保證在重物下降時大大減小慣性力的影響使工作臺能穩定無沖擊地準確下降，使上下工作臺完全嚙合，延長端齒盤壽命。

(4)沖屑防護

考慮到在具體的工作過程中，由于加工時需要沖屑冷卻，冷卻液不可避免的會進入工作臺內部的情況，所以還需要對工作臺進行一些必要的防護。因為整個上工作臺面是一個整塊的面板，而且它本身的面積大于下工作臺，假設水流從上流下，也只是順著上工作臺板流下而流不到下工作臺處。因為考慮到水流動過程中會出現四濺的情況，所以在上下兩個端齒盤外圈各安裝一圈防護。再者，從工作臺的結構看到，工作臺與其他機床部件連接處是下工作臺部分。因此，旋轉油缸這些零件在機床安裝完成后會處于機床床臺內部。所以有兩種方案對其進行防護。第一種就是下工作臺和床臺之間做成密閉的連接空間，使水流無法流到下工作臺以下部分，也就是無法流到旋轉油缸、閥芯閥體等部位。另外在床臺其他地方開口，用來將沖屑液導流出去。第二種方案就是不將下工作臺與床臺之間做成密閉空間，由著沖屑液直接流入床臺內部，最后再進行相關處理。這種方案需要將下工作臺以下的部位全部用防護圍起來，防止進水。顯然，使用第一種方案最為簡潔，本文工作臺就采用這種沖屑防護。它有以下好處：減少防護，降低設計成本；使得床臺內部保持干凈；免去了在進行維修時要把防護拆掉的步驟，也便于在調試過程中對下工作臺下部的觀察；去除了由于冷卻液進入回轉工作臺而導致其出現質量問題的可能。

3 驅動力計算

關于液壓驅動工作臺的提升能力研究，根據工作臺及所安裝的夾具重量計算油缸的直徑，同時又兼顧到夾具油路的分布，要保證油路的通徑和數量，必須用φ120 mm直徑的通油芯軸，油缸直徑選擇φ190 mm，活塞桿選擇φ150 mm，活塞桿中心孔直徑φ120 mm，所以計算出橫截面積。

北京油氣調控中心是中國石油為優化管道運營管理體制、適應管道業務的快速發展，于2006年5月8日正式成立，也是管理體制與世界接軌的舉措。調控中心根據生產和銷售計劃，編制管道運行方案，通過季協調、月計劃、周平衡、日指定等方式，對中國石油油氣管網資源進行統一調配，優化運行，實現全國范圍內的供需平衡[8]。截至2017年底，集中調控運行的長輸油氣管道總里程超過5.7萬千米。其中，天然氣管網超過3.7萬千米，年輸氣能力超過1800億立方米，貫通中亞、塔里木、青海、長慶、西南幾大氣區和25個省市，1000多家大型用戶，惠及近5億人口。

油缸筒橫截面積：

A1=π(D1/2)2=3.14×(190/2)2mm2=28 338.5 mm2=283.385 cm2

油缸桿橫截面積：

A2=π(D2/2)2=3.14×(150/2)2mm2=17 662.5 mm2=176.625 cm2

受力面積:

A=A1-A2=106.76 cm2

根據推力計算公式，在液壓壓力P1設置為在10.0 MPa(=101.971 6 kgf/ cm2)的情況下，工作臺的提升力：

F=P×A=101.971 6×106.76 kgf

如夾具重量在變化時，可以調整液壓壓力與之相匹配，以滿足使用需求。

在進行回轉動作時，選擇直經φ80 mm的油缸，大腔工作壓力設置為10 MPa(=101.971 6 kgf/ cm2)的情況下，可提供驅動力：

F=P×A=101.971 6 kgf/ cm2×[3.14×(8/2))2] cm2=101.971 6×50.24 kgf=5 123.053 2 kgf(保留4位小數)

升降工作臺上頂裝有平面軸承支撐，所以在回轉時可減小回轉力，同樣用液壓驅動，液壓壓力可以根據工作臺和夾具的重量隨時調整壓力。

4 性能指標

表1是該回轉工作臺的尺寸參數和性能指標。有630 mm×630 mm×220 mm，1 200 mm×1 200 mm×350 mm等，可按工件需要設計專用規格尺寸?？梢?0°、180°、360°回轉也可連續同方向旋轉重復定位精度達到0.05°。夾具可多路油缸同時進油工作，經過閥芯閥體和中間轉軸，配油盤等，油路相互間互不干憂，同時可使用20路液壓油進入工作，油管絕對不會造成纏繞現象，閥芯閥體間有液壓油潤滑，無須其它附加潤滑，回轉速度22.5°～90°/s，工作臺提升重量可達10 t，回轉力可達5 tf。圖4是回轉工作臺實物圖。

表1 尺寸和性能參數

5 結語

總體看來，此回轉工作臺的結構合理，設計也十分靈巧簡潔。突出表現在利用工作臺中心部分的空間將液壓油通過閥芯和中間轉軸輸送到工作臺上部，用來驅動夾具。這樣大量節省了空間，結構也十分緊湊?？梢詫崿F360°的旋轉，大大提升了工作臺本身的靈活性，同時使得機床布局也靈活起來，不受旋轉角度的影響，可以進行適合場地的機床布局。

此外，夾具可多路油缸同時進油工作，經過閥芯閥體和中間轉軸，配油盤等，油路相互間互不干憂，同時可使用20路液壓油進入工作，油管絕對不會造成纏繞現象，閥芯閥體間有液壓油潤滑，無須其他附加潤滑?？焖倩剞D到位時有液壓減速緩沖和機械緩沖雙重保護從而避免到位時的慣性力過大而損壞工作臺。

[1]張仁杰. L2240側拉床回轉工作臺的改進 [J]. 裝備維修技術，1998 (3) :18-18.

[2]楊凱. MCH50四軸加工中心回轉工作臺傳動系統設計與精度分析 [D]. 南京：南京理工大學 2016.

[3]翟耀先. 重型數控回轉工作臺及其靜壓導軌設計研究 [D]. 長沙：湖南大學, 2016.

[4]許加凱. 大型數控回轉工作臺的有限元分析與優化設計研究 [D]. 合肥：合肥工業大學, 2016.

[5]秦立雨. MCH63加工中心回轉工作臺結構設計及精度優化 [D]. 南京：南京理工大學, 2016.