一種三軸聯動倒置立式車床設計研究
2025-6-10 來源： 沈陽機床股份有限公司 作者：李 猛，高宇，潘丁丁
摘要：根據倒置立式車床的結構特點以及工件的加工需求，設計了三軸聯動倒置立式車床的整機結構。論述了整機結構具有的性能優勢，并對機床的關鍵部件搖籃機構進行了闡述。詳細介紹了搖籃的結構形式、性能參數、運動參數等，并對三軸聯動倒置立式車床的整機性能進行分析。根據機床要達到的精度要求以及被加工工件的特點，確定了機床主要技術參數的數值。對機床在切削力作用下的受力變形情況進行分析，得出該機床的受力變形較小，剛性強，能夠滿足工件的加工精度要求，并且最終制造出三軸聯動倒置立式車床樣機。
關鍵詞：三軸聯動；倒置立式車床；搖籃；整機結構
０、引言
將發動機動力從變速器傳動到驅動輪的球籠是乘用車傳動軸系統中的重要部件，有著大量的市場需求。由于球籠傳動的驅動力矩大、負載重、傳動精度要求高，因此其制造精度要求高。
倒置立式車床由于具有自動化程度高、精度高、加工效率高和穩定性好等性能優勢，廣泛應用于具有高自動化和高精度需求的零件加工。現有技術條件下的倒置立式車床，刀具無法在加工狀態下前后擺動，不能對球籠鐘形殼內圓弧面進行銑削。針對這一問題，本文對一種三軸聯動倒置立式車床進行研究，運用三軸聯動復合型倒立車加工模式，對工件淬火后進行加工，用硬銑代替磨床、硬車代替磨床，從而提升球籠質量和使用壽命，同時提高生產效率。
１、三軸聯動倒置立式車床整機結構
１．１ 整機結構設計
三軸聯動倒置立式車床整機結構如圖１所示，其特點是可實 現 Ｘ 軸（橫梁２前后運動的方向）、Ｚ軸（主軸箱３沿著橫梁２上的導軌上下運動的方向）和Ｗ 軸（搖籃體前后擺動的方向）三軸聯動加工。設計Ｕ 型結構的床身１，Ｕ 型結構的開口槽設 置在床身的上前方位置；床身的頂面通過 Ｘ 軸驅動機構７連接橫梁２，并且床身的頂面通過導軌與橫梁底面連接。橫梁的前表面通過Ｚ 軸驅動機構４連接主軸箱３，主軸箱的前端通過電機支架５連接主電機６，主電機６通過帶傳動機構連接主軸箱內的主軸，主軸箱內的主軸伸入到床身的開口槽內；在開口槽內腔前端設有 Ｕ 型的搖籃擺動裝置１１；在搖籃擺動裝置１１的后端設 有料線機構１０，料線機構沿Ｙ 軸貫穿床身左右兩側，在料線機構上設有托盤工裝９，托盤工裝上連接球籠 工件８。搖籃底部具有沿著Ｙ 軸方向貫穿床身兩側的排屑器１２［１－３］。
１－床身；２－橫梁；３－主軸箱；４－Ｚ 軸驅動系統；５－電機支架；６－主電機；７－Ｘ 軸驅動系統；８－球籠工件；９－托盤工裝；１０－料線機構；１１－搖籃裝置；１２－排屑器
圖１ 三軸聯動倒置立式車床整機結構
１．２ 整機結構特點
１．２．１ 整機剛性強并且占地面積小
三軸聯動倒置立式車床為龍門式結構，剛性強，搭配自動化料線，實現自動化加工，對加工精度和穩定性有更好的保證。
１．２．２ 主機與料線布局合理
料線機構設計在搖籃后側且左右方向貫穿床身，可以設計拉門式料線防護結構，料線防護門張開能夠保證主軸卡盤對料線上傳送的工件進行靈活抓取，料線防護門閉合能夠實現加工區域全封閉。
１．２．３ 車銑復合擺動橋技術
在搖籃基礎上增加了銑削電主軸和固定車刀座，可滿足隨動銑削功能和車削功能。采用一端驅動另一
端支撐形式，配置剎車系統及編碼器可有效地反饋轉速及定位。
２、搖籃結構
２．１ 搖籃結構設計
搖籃裝置和床身之間形成可旋轉的 Ｂ 軸，搖籃裝置結構如圖２所示。
搖籃體１位于床身的開口槽內，搖籃體兩端的轉軸分別通過軸承支撐在床身的左右兩側，其中一側的
轉軸穿過床身連接搖籃驅動電 機３，另一側的轉軸 接制動抱閘裝置７；在搖籃體中部的 Ｕ 型凹槽內設有電主軸２，電主軸上連接銑刀４。通過搖籃體的角度擺動，實現對零件內圓弧面等位置的靈活銑削，搖籃體向前最大擺動９０°角，向 后 最 大 擺 動２５°角，大角度擺動能夠加工工件空間受限的區域。
搖籃體上表面銑刀的后側設有車刀座６，車刀座上連接車刀５。車刀５與銑刀４并列設置，可根據 需要選擇其中一種方式進行工件的加工。
１－搖籃體；２－電主軸；３－搖籃驅動電機；４－銑刀；５－車刀；６－車刀座；７－夾鉗
圖２ 搖籃裝置結構
２．２ 搖籃結構特點
２．２．１ 結構形式
采用直驅搖籃轉臺，兩側有軸承支撐，轉動時參與銑削，停止時可以車削，停止時有夾鉗限位，減速機受力。
２．２．２ 性能參數
搖籃體總重量為５４０ｋｇ，質心到回轉軸偏移Ｙ方向－２３２ｍｍ、Ｚ方向１９ｍｍ，偏心距ｌＣＧ ＝２３２．７７ｍｍ，總慣量約為５６．７４ｋｇ／ｍ２（到回轉軸）。搖籃質心位置如圖３所示。
圖３ 搖籃質心位置
２．２．３ 運動參數
搖籃體最大轉速為４０ｒ／ｍｉｎ，加速時間為０．２ｓ。加工時搖籃體額定轉速為２０ｒ／ｍｉｎ，銑削力矩為２０Ｎｍ，停止時減速機不受力。
搖籃體起始角度α＝０°，搖籃體行程為 －９０°～２５°。
轉臺軸承回轉支撐半徑為１００ｍｍ，摩擦力矩為１５Ｎｍ。
Ｂ 軸擺動范圍如圖４所示。
圖４ Ｂ 軸擺動范圍
３、整機性能分析
３．１ 整機主要技術參數
三軸聯動倒置立式車床要求具有較高的加工精度，根據所需加工工件的特點，該機床要達到的主要技
術參數如表１所示。
表１ 整機主要技術參數
３．２ 整機結構受力分析
ＡＮＳＹＳ是專業的有限元分析軟件，廣泛應用于對機械結構的受力分析。本文采用 ＡＮＳＹＳ軟件對該機床進行受力分析。
三軸聯動倒置立式車床在加工狀態下所受的載荷主要來自于切削力，且倒置立式車床用主軸連接卡盤
對工件進行抓取［４，５］。機床在切削力作用下的變形是影響零件加工精度的關鍵［６］。為了保證三軸聯動倒置立式車床對工件的加工精度，結合所加工工件的特點，對其在切削狀態下進行應變分析。
采用最大切削力Ｆ＝２０００Ｎ 來加工工件，可以得到作用在工件上 Ｘ 和Ｙ 方向的合力為２０００Ｎ，通過工件作用到機床主軸箱上 Ｘ 方向或Ｙ 方向的最大作用力為２０００Ｎ。
（１）采用Ｆ＝２０００Ｎ 的力，通過Ｙ 方向作用到主軸箱上，車床變形云圖如圖５所示。
圖５ Ｆ＝２０００Ｎ 作用在Ｙ 向時車床的變形云圖
由圖５可知，車床最大變形發生在主軸箱底部，最大變形量為０．００９ｍｍ，最大變形量不允許超過０．０３ｍｍ。由分析可知，該結構變形量較小，整機剛性好，能夠滿足機床對零件加工精度的要求。
（２）采用Ｆ＝２０００Ｎ 的力，通過Ｘ 方向作用到主軸箱上，車床的變形云圖如圖６所示。
圖６ Ｆ＝２０００Ｎ 作用在 Ｘ 向時車床的變形云圖
由圖６可知，最大變形發生在主軸箱底部，最大變形量為０．０１１ｍｍ，最大變形量不允許超過０．０３ｍｍ。由分析可知，該結構變形量較小，可見整機剛性好，能夠滿足機床對零件加工精度的要求。
４、樣機制造
根據設計要求，制造了三軸聯動倒置立式車床，命名為ＩＶＴ２２ｍ，樣機如圖７所示。
５、結論
（１）設計出了三軸聯動倒置立式車床的整機結構，闡明了搖籃的結構形式及其主要性能參數，搖籃擺動范圍為－９０°～２５°，并給出了車主軸以及銑主軸的主要技術參數
圖７ 三軸聯動倒置車床樣機
（２）根據三軸聯動倒置立式車床的結構特點以及實際加工工件需求，得出該機床的主要技術參數。對該機床在受到最大切削力情況下的變形量進行了分析，得到變形量較小、滿足剛性要求的結論，能夠保證機床的加工精度。
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