車銑加工中心工作臺組件結構分析及其設計

魏 波 王 甜

（哈爾濱石油學院 機械工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028）

1 研究目的與意義

工作臺組件是車銑加工中心的重要組成部分，它可以實現功能有：工件在360°范圍內分度旋轉或任意分度定位和對結構復雜的零件進行加工。因此，工作臺的尺寸精度、運動精度及組件間的相對位置精度會直接影響機床功能的實現，這也就對機床的性能有了更高的要求，同時對機床精度要求相應的提高[1]。

因此，能夠全面對工作臺組件進行分析，并分解各關鍵零件的重要作用，進而設計出適合機床性能要求的結構是至關重要的。

2 應用前景

隨著中國制造業的快速發展，車銑加工中心將會被越來越多的使用，主要以擴大其加工范圍，并提高其生產效率。預計將來的幾年內，盡管一些機械行業因為產能過剩，而影響宏觀調控力度，使得持續在低水平條件下，但部分機械制造業將有一個不錯的增長速度，尤其是那些在國家政策鼓勵條件下，大力振興、發展的機械行業[3]。作為機械類制造業中主要機器，車銑加工中心將獲得持續穩定的增長。

當下車銑加工中心的工作臺組件已大量運用在立式車削機床、大型數控機床以及多種加工中心上，發展狀況表現在：

（1）規格上，可以兩頭雙向延伸，發展成小型、大型的工作臺；

（2）性能上，可采用以鑄造錫青銅為材料的蝸輪，全面提升工作臺的轉速以及工作臺的承受的壓強；

（3）形式上，繼續開發出兩軸聯動、多軸并聯相應結構形式的工作臺[4]。

3 車銑加工中心工作臺組件傳動方案的設計

工作臺組件其主要功能為：根據其系統控制指令，保證工作臺組件完成圓周進給的切削加工，并使工作臺組件完成分度功能。車銑加工中心工作臺組件采用的驅動方式為伺服電機，利用無級調速的方式進行工作，故車削加工中心工作臺組件的定位與重復定位精度由控制系統而決定[5]。

車銑加工中心的工作臺組件作為一個整體，主要由電機、傳動、執行、支承、控制等系統組成，傳動系統作在電機與執行系統的聯系部分，用來傳遞運動、動力，進而實現工作臺組件的分度運動。該車銑加工中心，其電機采用伺服電動機驅動，傳動系統由兩個傳動箱體、一個主軸組件承擔，里面裝有齒輪、軸、軸承等傳動零件、實現傳力、分度和旋轉的功能。

該車銑加工中心傳動方案分析如下：

傳動零件主要采用齒輪、齒圈，其能承受的載荷較高，并且有較穩定的傳動比，其傳遞的功率、速度范圍較大，結構相對緊湊。將多對齒輪放在系統的高速級，實現運動、動力的傳遞，將齒輪、齒圈放在系統低速級，可獲得旋轉和分度的功能，其方案制定較合理。

4 工作臺組件關鍵零件的總體設計

工作臺組件主要由工作臺、工作臺底座、工作臺主軸組件、C 軸傳動箱、主變速箱，組成，在UG 建模條件下，其裝配圖見圖1，其關鍵零件設計如下：

圖1 工作臺組件整體裝配圖

4.1 工作臺和齒圈設計

工作臺作為重要的回轉零件，在其上應有工件的裝夾和找正。工件通過夾具固定在工作臺上后，隨工作臺的轉動而實現被加工的過程，工作臺的另一個作用就是起到支撐作用。為了滿足其分度的功能，故工作臺做成圓形件，此外工作臺表面需要T 型槽，用于工作臺上夾具的定位夾緊。為了保證工作臺其耐用性更好，則在工作臺的中心處加工出一個通孔，主要用于安裝襯套，而工作臺下端面則需用轉軸定位。

齒圈作為其工作臺分度的重要零件，整個工作臺的旋轉和分度是靠齒圈來提供動力，主要功能就是傳遞扭矩，齒圈是用螺釘連接到工作臺上的。工作時，齒輪與齒圈的嚙合傳動，將帶著工作臺及轉軸一起運動。利用UG 建模，則工作臺與齒圈結構如圖2。

圖2 工作臺與齒圈結構

4.2 工作臺主軸組件的設計

工作臺主軸組件通過推力滾子軸承、圓柱滾子軸承、套筒、調整墊及螺栓螺母標準件等固定在工作臺與底座之間，主軸底端法蘭與工作臺底座用螺釘連接，軸承套與工作臺用螺釘連接，間隙用調整墊圈調隙。工作臺主軸組件作為承上啟下的作用，用于連接工作臺與工作臺底座，工作臺主軸是一個空心的階梯軸結構，是工作臺的回轉中心，也是支撐工作臺及被加工工件的重要零部件。該主軸主要用于分擔工作臺重量，使得工作臺繞軸而進行旋轉，由于軸功能結構及使用性能要求，該軸的材料選用40Cr，通過調制熱處理而獲得較高的硬度。

主軸組件中另一個重要的零件就是軸承，軸承的的游隙也是作為影響主軸轉動誤差的一個重要條件，進而影響工作臺組件分度功能。

4.3 工作臺底座設計

工作臺底座材料為灰鑄鐵，工作臺底座前體和工作臺底座后體通過螺栓螺母拼接而成，組成工作太底座，工作臺底座用于支撐整個工作臺及被加工工件重量，安裝在工作臺上的夾緊裝置實現工作臺精密分度、定位的功能。底座的主要作用是支撐作用；同時它也是連接各功能部件的中介（主變速箱，C 軸傳動箱），它們之間的相互位置精度是影響機床性能的關鍵，所以對他們的形位公差有較高的要求。利用UG建模，則工作臺底座結構如圖3。

圖3 工作臺底座結構圖

4.4 主變速箱和C 軸傳動箱

C 軸傳動箱是一個多孔類的薄壁傳動箱體，是工作臺組件中的重要零部件，主變速箱是傳動箱體，同C 軸傳動箱一樣是工作臺組件中的重要零部件，區別為：C 軸傳動箱為車銑加工中心的分度及圓周進給提供動力，而主變速箱是實現工作臺的車削加工的條件。

5 工作臺齒圈變形對工作臺組件分度功能的影響

齒圈作為一個重要的零件，其變形情況直接影響工作臺組件分度功能，齒圈和工作臺相連，其中共有兩個關鍵結合面；即一個為與工作臺配合面，采用過渡配合；另一個是螺釘相連的環形接觸面。齒圈于工作臺上結構較為特殊，并具有重要的功能，另外齒圈為薄壁零件結構，所以在傳力過程中，極易引起變形。

在對齒圈功能進行分析后，根據其約束條件、受載荷條件情況，建立了齒圈的受力模型，主要能夠清楚的表現出零件與其相配合件的裝配關系，則齒圈結構和工作臺間的裝配位置關系見圖4。

圖4 齒圈結構和工作臺間的裝配位置關系

C 軸傳動箱里的一對消隙齒輪、主傳動箱里與齒圈小齒輪，他們的位置關系是齒圈受載荷進行分析的重要約束條件，小齒輪主要提供切削動力，其消隙齒輪對除了用于消除齒間的嚙合間隙時，更重要的作用是滿足工作臺的分度。這三個齒輪中，小齒輪與齒圈嚙合受力為主要研究對象，其運動的平穩性、齒面的變形、磨損破壞對齒圈變形有著重要的影響。消隙齒輪與齒圈的嚙合，影響著工作臺分度、運動的準確性。齒圈與主傳動箱小齒輪相互嚙合，并實現連續傳動，則齒圈受到交變載荷的作用，其主要應力形式為脈動循環，齒圈的基本參數如下：材料45 號鋼、齒數288、模數16 mm、壓力角20°、螺旋角4.5°。

根據齒圈參數，可得到齒圈的直徑，具體的計算見式1。

已知工作臺最大轉矩為：460KN.m，齒圈受到圓周力Ft、徑向力Fr、軸向力Fa、法向力Fn，則相應的計算見式（2）、（3）、（4）、（5）。

由于齒圈與小齒輪嚙合時的受力狀況，所以取摩擦系數為0.08，則摩擦力的計算見式（6）。

為了使ANSYS 分析更加簡便，減少其力的個數，而將外力和摩擦力做合成，則x 方向、y 方向、z 方向、總受力的計算見式（7）、（8）、（9）、（10）。

齒圈重合度為端面、縱向的重合度的總和。則表達式為：ε=εa+εβ。在這里將齒圈、小齒輪作為研究的對象，根據條件：齒圈的齒數288，小齒輪的齒數36，而螺旋角是4.5°。

即端面的重合度：計算見式（11）。

即縱向的重合度：計算見式（12）。

可得總重合度：計算見式（13）。

齒圈變形直接影響工作臺組件的分度功能，通過對工作臺齒圈進行載荷計算，目的是為后續裝配在工作臺上變形作進一步的分析。齒圈與主傳動箱中小齒輪齒面嚙合，在約束、載荷的作用下，傳遞切削動力，能夠完成車削加工功能，C 軸傳動箱中的消隙齒輪對可以消除反響嚙合間隙，可以有效地控制嚙合誤差并減少傳動誤差與回程誤差，提高齒圈穩定性和使用壽命，并保證工作臺主軸的傳動、分度功能[5]。

通過對齒圈施加載荷，進而對齒圈做變形分析，通過齒圈變形的分析，得到齒圈受到載荷作用下的齒面變形情況，由于齒圈的變形，致使齒圈齒面輪廓失去正確形狀，從而導致工作臺組件分度不再準確。

將上述計算所得載荷施加于齒圈上，利用ANSYS 軟件，通過對齒圈應力、應變、變形分析，由于齒圈變形的不均勻，使其傳動出現誤差，進一步影響工作臺組件分度功能準確性的保證。按照其相應的載荷約束條件，輸出齒圈的應力、應變、總體變形云圖見圖5。

圖5 應力、應變、總體變形云圖

從變形云圖里可以清楚地看到齒圈整體變形的不均勻性，變形從齒頂部向內依次遞減，齒頂圓附近變形較大，對工作臺組件的分度影響較為嚴重，不妨可采用更為嚴格的表面熱處理方法，增加其硬度，提高其抗變形能力，進而保證工作臺組件分度的準確性。

6 結論

本文將車銑加工中心工作臺組件的結構做出全面的分析，明確了車銑加工中心工作臺組件的旋轉與分度過程，掌握了其工作原理及結構，通過對工作臺組件各關鍵零件的UG 建模，充分認識了工作臺組件重要作用，進而解決了工作臺組件中各關鍵零件設計過程，重點對齒圈進行了載荷計算的重要分析，利用ANSYS 軟件，做出其整體變形云圖，采用表面熱處理提高其硬度的方式抵抗變形，從而進一步確保工作臺組件分度功能的準確性。