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一種四軸精密車床的研制及應(yīng)用

2020-12-10 來源：長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院作者：周志平　陳勇

摘要：普通車床上車削工件內(nèi)圓時(shí)，通常需要將工件拆下重新裝夾才能加工工件的另一端，而拆裝工件易導(dǎo)致安裝誤差，降低加工精度，且二次裝夾也易造成已加工表面的夾傷。本文展示了四軸精密車床的研究成果，具體包括設(shè)計(jì)裝夾兩個(gè)工件的夾具，兩套車削裝置，而每套車削裝置包括兩套主軸裝置。只需一次裝夾，即可四軸同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)加工兩個(gè)工件。該車床特別適合兩端都需要加工的工件，能極大地提高加工精度和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：四軸精密車床研制

普通車床加工工件的常用方法是將工件裝夾在三爪卡盤上，車刀安裝在刀架上，通過工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和車刀的直線運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件的內(nèi)外表面或端面的切削。在車削工件外圓時(shí)，通常可以采用外圓車刀進(jìn)行端面車削，但是車削內(nèi)圓時(shí)必須更換車刀；加工完工件的一端后，通常需要將工件拆下重新裝夾才能加工工件的另一端，拆裝工件易導(dǎo)致安裝誤差，從而降低加工精度；二次裝夾也易造成已加工表面夾傷。

本文展示了一種四軸精密車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用方法。通過設(shè)計(jì)機(jī)床夾具，一次裝夾兩個(gè)工件，同時(shí)設(shè)置兩套車削裝置，每套車削裝置設(shè)置兩套主軸裝置，只需一次裝夾，即可四軸同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)加工兩個(gè)工件。

1、四軸精密車床主要設(shè)計(jì)方案

為提高零件的加工精度和加工效率，本車床采用的主要技術(shù)方案是：在機(jī)架上設(shè)置基板，在基板上安裝夾具；以夾具為中心，位于夾具的橫向兩側(cè)對(duì)稱位置設(shè)有兩套車削裝置；在基板的下方設(shè)有切削液過濾循環(huán)裝置；在機(jī)架上還設(shè)有控制箱、控制面板和操作裝置。本文研制的四軸車床結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 和圖 2 所示，機(jī)床主視圖和俯視圖分別見圖 3 和圖 4。

圖 1　機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2　去除機(jī)罩的機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

圖 3　機(jī)床主視圖

2、四軸精密車床主要結(jié)構(gòu)及工作原理

由上述四軸精密車床結(jié)構(gòu)圖可以看出：在機(jī)架 1 上設(shè)有基板 2，在基板 2 上設(shè)有夾具 3（夾具結(jié)構(gòu)示意圖見圖 5，夾具俯視圖和右視圖分別見圖 6 和圖 7）。以夾具 3 為中心，位于夾具 3 的橫向兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有兩套車削裝置 4A 和 4B，兩套車削裝置結(jié)構(gòu)相同（車削裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖 8）；在基板 2 的下方設(shè)有切削液過濾循環(huán)裝置 5。夾具 3 包括安裝板31，安裝板 31 設(shè)在基板 2 上，在安裝板 31 上設(shè)置有基座32，在基座 32 上設(shè)置有第一 V 形塊 33 和第二 V 形塊 34，在第一 V 形塊 33 的一端位于基座 32 上設(shè)置有第一工件端面定位裝置 35，在第二 V 形塊 34 的一端位于基座 32 上設(shè)置有第二工件端面定位裝置 36。

圖 4　機(jī)床俯視圖

圖 5　夾具結(jié)構(gòu)示意圖

圖 6　夾具俯視圖

圖 7　夾具右視圖

圖 8　車削裝置結(jié)構(gòu)示意圖

第一工件端面定位裝置 35 包括第一滑軌 351、第一滑塊 352、第一定位塊 353、第一連接塊 354、第一卡扣 355和第一推拉氣缸 350。第一滑軌 351 設(shè)置在基座 32 上，第一滑塊 352 滑動(dòng)地設(shè)置在第一滑軌 351 上，第一定位塊 353設(shè)置在第一滑塊 352 上，第一連接塊 354 設(shè)置在第一定位塊 353 上，第一卡扣 355 設(shè)置在第一連接塊 354 上，第一推拉氣缸 350 的活塞桿 3501 與第一卡扣 355 連接，第一推拉氣缸 350 的缸體 3502 設(shè)置在安裝板 31 上。活塞桿 3501驅(qū)動(dòng)第一卡扣 355、第一連接塊 354、第一定位塊 353 和第一滑塊 352，沿第一滑軌 351 上下運(yùn)動(dòng)給工件 310 提供定位。

第二工件端面定位裝置 36 包括第二滑軌 361、第二滑塊 362、第二定位塊 363、第二連接塊 364、第二卡扣 365和第二推拉氣缸 360，第二滑軌 361 設(shè)置在基座 32 上，第二滑塊 362 滑動(dòng)地設(shè)置在第一滑軌 361 上，第二定位塊 363設(shè)置在第二滑塊 362 上，第二連接塊 364 設(shè)置在第二定位塊 363 上，第二卡扣 365 設(shè)置在第二連接塊 364 上，第二推拉氣缸 360 的活塞桿 3601 與第二卡扣 365 連接，第二推拉氣缸 360 的缸體 3602 設(shè)置在安裝板 31 上。活塞桿 3601驅(qū)動(dòng)第二卡扣 365、第二連接塊 364、第二定位塊 363 和第二滑塊 362 沿第二滑軌 361 上下運(yùn)動(dòng)給工件 311 提供定位。在基座 32 的下面設(shè)有旋轉(zhuǎn)夾持裝置 37，旋轉(zhuǎn)夾持裝置37 包括旋轉(zhuǎn)軸 371、馬達(dá) 372、第一夾持氣缸 373、第二夾持氣缸 374、第三卡扣 375、第四卡扣 376、推拉板 377、固定塊 378 和壓板 379。第一夾持氣缸 373 和第二夾持氣缸374 的缸體均固定在基座 32 上，第一夾持氣缸 373 的活塞桿 3731 通過第三卡扣 375 與推拉板 377 相連，第二夾持氣缸 374 的活塞桿 3741 通過第四卡扣 376 與推拉板 377 相連，固定塊 378 安裝在推拉板 377 上，馬達(dá) 372 的本體安裝在固定塊 378 上，馬達(dá) 372 的輸出軸 3720 與旋轉(zhuǎn)軸 371 的下端相連，壓板 379 安裝在旋轉(zhuǎn)軸 371 的上端。第一夾持氣缸373 的活塞桿 3731 和第二夾持氣缸 374的活塞桿 3741 推動(dòng)推拉板 377 帶動(dòng)第三卡扣 375、第四卡扣 376、推拉板 377、固定塊 378、旋轉(zhuǎn)軸 371、壓板 379 和馬達(dá) 372 上下運(yùn)動(dòng)為壓板 379 壓緊工件 310 和工件 311 提供壓力，馬達(dá) 372 帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸 371 旋轉(zhuǎn)，方便放置和取出工件 310 和工件 311。在基座 32 的橫向兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有導(dǎo)套座 38，導(dǎo)套座 38上設(shè)有導(dǎo)套 39。車削裝置 4B 包括安裝在基板 2 上的滑軌 41，滑軌 41上設(shè)有可沿滑軌 41 滑動(dòng)的滑座 42。滑座 42 上靠近夾具 3的一端設(shè)有第一主軸座 43 和第二主軸座 44，第一主軸座43 上設(shè)有第一主軸裝置 45，第二主軸座 44 上設(shè)有第二主軸裝置 46。滑座 42 的另一端設(shè)有電動(dòng)馬達(dá) 47，電動(dòng)馬達(dá)47 的輸出軸上設(shè)有主動(dòng)皮帶輪

470。

第一主軸裝置 45 靠近夾具3的一端設(shè)有第一刀座451，第一刀座 451 上設(shè)有外圓車刀安裝孔、內(nèi)孔車刀安裝孔和端面車刀安裝孔，在外圓車刀安裝孔內(nèi)安裝外圓車刀4511、在內(nèi)孔車刀安裝孔內(nèi)安裝內(nèi)孔車刀 4512、在端面車刀安裝孔內(nèi)安裝端面車刀 4513；第一主軸裝置 45 的另一端設(shè)有第一從動(dòng)皮帶輪 450，第一從動(dòng)皮帶輪 450 與主動(dòng)皮帶輪 470 之間設(shè)有第一皮帶 471；第二主軸裝置 46 靠近夾具3 的一端設(shè)有第二刀座 461，第二刀座 461 上設(shè)有外圓車刀安裝孔、內(nèi)孔車刀安裝孔和端面車刀安裝孔，在外圓車刀安裝孔內(nèi)安裝外圓車刀 4611、在內(nèi)孔車刀安裝孔內(nèi)安裝內(nèi)孔車刀 4612、在端面車刀安裝孔內(nèi)安裝端面車刀 4613，第二主軸裝置 46 的另一端設(shè)有第二從動(dòng)皮帶輪 460，第二從動(dòng)皮帶輪 460 與主動(dòng)皮帶輪 470 之間設(shè)有第二皮帶 472。通過在外圓車刀安裝孔內(nèi)安裝外圓車刀、在內(nèi)孔車刀安裝孔內(nèi)安裝內(nèi)孔車刀、在端面車刀安裝孔內(nèi)安裝端面車刀，主軸裝置旋轉(zhuǎn)可同時(shí)加工工件的外圓、內(nèi)孔和端面，可極大提到加工效率。

選用電動(dòng)馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，噪音小。主動(dòng)皮帶輪和從動(dòng)皮帶輪之間選用皮帶作為傳動(dòng)件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，運(yùn)行噪音小。在滑座 42 上還設(shè)有導(dǎo)柱座 48，導(dǎo)柱座 48 上設(shè)有導(dǎo)柱49。工作時(shí)，滑座上設(shè)置的導(dǎo)柱與夾具的基座上的導(dǎo)套配合，以提高加工精度。在滑座 42 和基板 2 之間設(shè)有進(jìn)給裝置 40，進(jìn)給裝置40 包括伺服電機(jī) 400、絲杠 401、螺母 402 和固定塊 403。固定塊 403 設(shè)置在滑座 42 上，螺母 402 設(shè)置在固定塊 403 上，伺服電機(jī) 400 固定在基板 2 上，絲杠 401 的一端與伺服電機(jī) 400 相連，絲杠 401 的另一端與螺母 402 配合。進(jìn)給裝置選用伺服電機(jī)作為動(dòng)力，伺服電機(jī)運(yùn)行精度高，能提高工件的加工精度。傳動(dòng)件選用絲杠，運(yùn)行可靠，精度高。切削液過濾循環(huán)裝置 5包括過濾筐 51、儲(chǔ)液箱 52 和水泵 53。過濾筐 51 設(shè)在儲(chǔ)液箱 52 的上方，過濾筐 51 底部為多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水泵 53 安裝在機(jī)架 1 上，水泵 53 的泵頭 530 設(shè)置在儲(chǔ)液箱 52 內(nèi)。基板 1 上圍繞夾具 3 設(shè)有回形斜板 54，在基板 1 上回形斜板 54 圍繞的區(qū)域內(nèi)開有落料孔55，在基板 1 的底面上圍繞落料孔 55 設(shè)有落料管 56，落料管 56 底部落料口的投影面位于過濾筐 51 內(nèi)。過濾筐底部為多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能過濾切削下來的廢料。回形斜板具有導(dǎo)流作用，落料管底部落料口的投影面位于過濾筐內(nèi)，能使從過濾筐流下的切削液完全流入儲(chǔ)液箱。機(jī)架 1 上設(shè)有機(jī)罩 9，機(jī)罩 9 內(nèi)頂部設(shè)有照明燈（圖中未示出）。在機(jī)架 1 的前面設(shè)有安全光幕 10，在機(jī)架 1 的底部設(shè)有旋轉(zhuǎn)腳輪 11 和固定腳蹄 12。機(jī)架上還設(shè)有控制箱6、控制面板 7 和操作裝置 8，操作裝置 8 上設(shè)有啟動(dòng)按鈕80 和急停按鈕 81。機(jī)罩能防止切削液甩出，隔離加工區(qū)，防止發(fā)生安全事故。安全光幕能防止發(fā)生安全事故。在機(jī)架的底部同時(shí)設(shè)置旋轉(zhuǎn)腳輪和固定腳蹄，旋轉(zhuǎn)腳輪能方便移動(dòng)車床，移動(dòng)到預(yù)定的位置后，調(diào)整固定腳蹄的高度，使用固定腳蹄支撐車床，并可通過固定腳蹄調(diào)整車床的水平度，確保車床的加工精度。控制箱內(nèi)安裝控制車床的電器元件，控制面板用來設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)來控制車床。操作裝置上設(shè)置的啟動(dòng)按鈕和急停按鈕方便操作車床，緊急情況下可快速停機(jī)。

3、結(jié)語

機(jī)床設(shè)置了四套主軸裝置，夾具能同時(shí)裝夾兩個(gè)工件，通過一次裝夾即可完成對(duì)工件兩端外圓、內(nèi)孔及端面的加工，顯著提高了生產(chǎn)效率。該機(jī)床夾具結(jié)構(gòu)合理，裝夾和拆卸工件方便、可靠，并且能較好地保證工件的同軸度，極大地提高了產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量，特別適合大批量生產(chǎn)兩端都需要加工的工件。

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