多功能機(jī)床的設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用
2020-11-20 來(lái)源： 山東魯南機(jī)床有限公司 作者：孫彥旭
摘 要: 針對(duì)遠(yuǎn)洋船舶行業(yè)維護(hù)設(shè)備特點(diǎn)，研發(fā)制造了系列船用多功能機(jī)床，敘述了機(jī)床的主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和主要技術(shù)參數(shù)。
關(guān)鍵詞: 車(chē)鉆復(fù)合; 凸輪抱剎機(jī)構(gòu); 技術(shù)參數(shù)
隨著我國(guó)往來(lái)遠(yuǎn)洋經(jīng)貿(mào)總量的蓬勃增長(zhǎng)，船用多功能維護(hù)機(jī)床的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于遠(yuǎn)洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，針對(duì)這一特殊行業(yè)，筆者公司在產(chǎn)品研發(fā)和工藝制造上深耕細(xì)作，在公司多年出口船用機(jī)床日、
韓的基礎(chǔ)上，與長(zhǎng)期對(duì)船用多功能機(jī)床研究的國(guó)內(nèi)知名大學(xué)合作，筆者發(fā)研制了 KL36B 系列多功能機(jī)床，在船用機(jī)床細(xì)分領(lǐng)域形成了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
該機(jī)床整體采用輕量化設(shè)計(jì)，車(chē)床和鉆床共用一臺(tái)主電動(dòng)機(jī)，機(jī)床尾部配裝有砂輪修磨機(jī)。它與常規(guī)的臥式數(shù)控機(jī)床相比，其一顯著特點(diǎn)是工序集中，實(shí)現(xiàn)了工件短加工循環(huán)［1］，提高了工件加工效率; 其二是節(jié)省作業(yè)面積，減少了工件間的搬運(yùn)和儲(chǔ)存，機(jī)床的功率充分被利用，減少了消耗。
本機(jī)床經(jīng)濟(jì)適用、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、故障率底、占用空間小，尤其適用于對(duì)機(jī)床占用空間有嚴(yán)格限制的船舶行業(yè)中。
1、機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案
由于船用多功能機(jī)床長(zhǎng)期處于海洋波浪載荷作用下的船體振動(dòng)環(huán)境中，極易產(chǎn)生部件的損傷或者脫落。特別是該機(jī)床只能通過(guò)螺栓與船用甲板緊固聯(lián)接，其運(yùn)行環(huán)境直接關(guān)聯(lián)到所在船舶的波浪振動(dòng)特點(diǎn)，所以實(shí)現(xiàn)機(jī)床耐波性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精度穩(wěn)定性制造體系是首要任務(wù)。因此借用船舶機(jī)械設(shè)計(jì)的理念，使用 Solid-Works 軟件三維建模和有限元應(yīng)力分析等方法，對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)輕量拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括總體結(jié)構(gòu)的布局優(yōu)化、功能結(jié)構(gòu)件的適應(yīng)性以及關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)可靠性。
提出集可靠性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性于一體機(jī)床結(jié)構(gòu)耐鹽霧腐蝕設(shè)計(jì)方案［2］。床身內(nèi)部采用大曲面空間構(gòu)造，既減輕了重量，又有利于排屑; 箱體采用箱中箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，箱壁使用米字筋大圓弧，同樣減輕了重量，降低了噪聲。機(jī)床整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。
以普通車(chē)床為主體，左側(cè)面加裝鉆車(chē)部分，右側(cè)后挎 250 mm 厚20 mm 砂輪修磨機(jī)。
2 、機(jī)床主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理
床腿是機(jī)床的重要基礎(chǔ)部件之一，是機(jī)床其他功能部件的載體。圖 2 中機(jī)床左床腿與鉆床工作臺(tái)機(jī)座導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為一體，實(shí)現(xiàn)機(jī)床耐波性輕量化設(shè)計(jì)，導(dǎo)軌為承載能力大、運(yùn)動(dòng)精度高、連接比較穩(wěn)定的 55° 燕尾軌［3］; 整體采用樹(shù)脂沙鑄造后經(jīng)時(shí)效處理，具有較強(qiáng)的抗震性和吸震性。
車(chē)床與鉆床共用一臺(tái)主電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)車(chē)鉆復(fù)合多功能機(jī)床是在原車(chē)床基礎(chǔ)上增加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型的鉆床，車(chē)床和鉆床中間用連接板聯(lián)接，為兩個(gè)獨(dú)立的傳動(dòng)系統(tǒng)，普遍存在機(jī)床外型尺寸過(guò)大、操作不方便等缺陷。
如圖 1 所示，該機(jī)床是一種緊湊型單電動(dòng)機(jī)車(chē)鉆多功能機(jī)床，打破了傳統(tǒng)車(chē)鉆復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)的模式，在原普通車(chē)床基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)增加鉆車(chē)，車(chē)床、鉆車(chē)共用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)鉆車(chē)主軸箱內(nèi)離合器結(jié)合分開(kāi)，既實(shí)現(xiàn)車(chē)床和鉆車(chē)轉(zhuǎn)速的單獨(dú)控制，又實(shí)現(xiàn)鉆車(chē)主軸轉(zhuǎn)速通過(guò)車(chē)床床頭箱內(nèi)滑移齒輪調(diào)節(jié)，利用車(chē)床主軸箱齒輪不同傳動(dòng)組合，實(shí)現(xiàn)鉆車(chē)高中低三級(jí)調(diào)速; 車(chē)床六級(jí)變速。
單電動(dòng)機(jī)車(chē)鉆復(fù)合結(jié)構(gòu)，該機(jī)床特別適用于對(duì)機(jī)床占用空間有嚴(yán)格限制但又需要能分別實(shí)現(xiàn)車(chē)、鉆功能的場(chǎng)合。2017 年 11 月被國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授于實(shí)用新型專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào) 2017113674701。其結(jié)構(gòu) 見(jiàn)圖 3、圖 4。
當(dāng)對(duì)工件加工時(shí)，圖 1 中主電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)三角帶經(jīng)圖 3 中、皮帶輪 3 將動(dòng)力傳到主軸箱體 1 內(nèi)的Ⅰ軸 5。而車(chē)床主軸箱體 1 內(nèi)安裝有車(chē)床主軸 2、Ⅰ軸 5、Ⅱ軸 7、Ⅲ軸 10，Ⅰ軸上裝有皮帶輪 3 和齒輪 4，Ⅱ軸上裝有齒輪 6 和齒輪 8; Ⅰ軸 5 通過(guò)齒輪 4 帶動(dòng)齒輪 6 轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)Ⅱ軸 7 帶動(dòng)齒輪 8 轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪 8 徑三聯(lián)滑移齒輪 9 帶動(dòng)Ⅲ軸 10 轉(zhuǎn)動(dòng)，Ⅲ軸 10 通過(guò)二聯(lián)滑移齒輪 11 帶動(dòng)車(chē)床主軸 2 轉(zhuǎn)動(dòng)，三聯(lián)滑移齒輪 9 和二聯(lián)滑移齒輪 11 可實(shí)現(xiàn)車(chē)床主軸 2 六級(jí)速度變化。
圖 3 中Ⅲ軸的中間皮帶輪 12 通過(guò)圖 4 中的三角帶 11 帶動(dòng)鉆車(chē)皮帶輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆車(chē)箱體 2 內(nèi)的離合器3 左移結(jié)合，經(jīng)過(guò)傘齒輪 4、5 帶動(dòng)鉆車(chē)主軸 6 旋轉(zhuǎn)，張緊輪 12 控制三角帶 11 松緊，通過(guò)車(chē)床主軸箱中的三聯(lián)滑移齒輪實(shí)現(xiàn)鉆車(chē)主軸 6 三級(jí)速度變化。鉆車(chē)箱體2 內(nèi)的導(dǎo)向鍵 7 控制鉆車(chē)主軸 6 直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向鍵 10控制套筒 9 直線運(yùn)動(dòng)，手把 13 控制離合器 3 的脫離、結(jié)合，手柄齒輪軸 8 安裝有手柄 14，通過(guò)手柄齒輪軸 8轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)套筒 9( 套筒側(cè)面銑有齒) 上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，套筒 9 帶動(dòng)鉆車(chē)主軸 6 直線運(yùn)動(dòng)，既而實(shí)現(xiàn)鉆頭、絲錐對(duì)工件的加工。
通過(guò)各自單獨(dú)操作手柄，控制車(chē)床主軸箱體內(nèi)Ⅲ軸上二聯(lián)滑移齒輪有高、空、低三檔，鉆車(chē)箱體內(nèi)離合器的脫離、結(jié)合二檔，這樣方便于實(shí)現(xiàn)車(chē)床主軸和鉆床主軸可以同時(shí)旋轉(zhuǎn)，也可以同時(shí)不旋轉(zhuǎn)，更可以獨(dú)自旋轉(zhuǎn)。操作方便宜人，動(dòng)作靈活可靠。
凸輪機(jī)械剎車(chē)。本機(jī)構(gòu)是一種腳踏為動(dòng)力，利用凸輪軌道實(shí)現(xiàn)抱剎制動(dòng)，拉簧自動(dòng)復(fù)位。剎車(chē)塊按端面凸輪的軌跡運(yùn)動(dòng)，減小了整體的尺寸，結(jié)構(gòu)緊湊、故障率底、維修更換方便、剎車(chē)力大等優(yōu)點(diǎn)
。凸輪式腳踏抱剎機(jī)構(gòu) 2017 年 2 月被國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授于發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào) ZL 2014 1 0278289．3。如圖 5 所示，支撐板 14 固定在車(chē)床前床腿里側(cè)下面。支撐板 14 安裝有腳踏板 18、凸輪17、腳剎開(kāi)關(guān)15。腳踏板 18 調(diào)整水平后通過(guò)螺釘固定到凸輪桿 17上。
制動(dòng)拉索 8 通過(guò)螺母一端固定到凸輪桿 17 上另一端固定到拉塊 13 上。滾輪 7 通過(guò)圓柱銷(xiāo)在端面凸輪 11槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，剎車(chē)片 4 通過(guò)粘合劑粘合螺釘固定安裝在剎車(chē)塊 2、3 內(nèi)圓面上，端面凸輪 11 在螺軸 6 上轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)床需要?jiǎng)x車(chē)時(shí)，操作者用腳踏下腳踏板 18，凸輪桿 17 轉(zhuǎn)動(dòng)，行程開(kāi)關(guān) 15 觸點(diǎn)斷開(kāi)，控制機(jī)床主電動(dòng)機(jī)的繼電器斷電，即電動(dòng)機(jī)失電停轉(zhuǎn); 同時(shí)帶動(dòng)制動(dòng)拉索 8 動(dòng)作，固定在主軸箱體上的支承座 9 控制制動(dòng)拉索8 的方向，通過(guò)螺桿 12、拉塊 13 拉動(dòng)端面凸輪 11 轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪 7 在端面凸輪 11 槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，帶動(dòng)鑲在剎車(chē)塊2、3 內(nèi)圓面上剎車(chē)片 4 在軸 1 上轉(zhuǎn)動(dòng)，抱緊皮帶輪 5 的內(nèi)圓柱面，即實(shí)現(xiàn)凸輪聯(lián)動(dòng)剎車(chē)塊抱死鎖緊皮帶輪，對(duì)機(jī)床剎車(chē)制動(dòng)。
當(dāng)操作者腳離開(kāi)腳踏板 18 時(shí)，拉簧 10控制凸輪 11 復(fù)位，拉簧 16 控制凸輪桿 17復(fù)位。為了提高凸輪及轉(zhuǎn)軸的使用壽命和維修的方便性，滾輪和凸輪均調(diào)質(zhì)處理提高硬度增加耐磨性。機(jī)床的剎車(chē)靈敏程度由制動(dòng)拉索調(diào)節(jié)，通過(guò)制動(dòng)拉索兩端處螺母調(diào)節(jié)，調(diào)整完成后擰緊螺母鎖緊; 凸輪桿在初始位置處將腳踏板調(diào)整到水平，用緊定螺釘鎖緊，凸輪桿與腳剎開(kāi)關(guān)觸頭接觸，腳剎開(kāi)關(guān)采用觸點(diǎn)常閉式，實(shí)用可靠安全。
3 、機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)
KL36B 系列多功能機(jī)床整體布局緊湊合理，工件加工精度為 IT7 級(jí)，車(chē)床溜板箱有左、右手輪兩種，供不同操作習(xí)慣的用戶選擇。車(chē)床床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 360mm，馬鞍內(nèi)最大工件回轉(zhuǎn)直徑 490 mm，最大工件長(zhǎng)度有600、800、1200 mm 三種規(guī)格，主軸通孔直徑 38mm，主軸六級(jí)轉(zhuǎn)速范圍 60～2 000 r/min; 縱向進(jìn)給量范圍 0．03～0．42mm / r，橫向進(jìn)給量范圍 0.015 ～ 0．21 mm / r。加工螺紋范圍，公制螺紋 0.25～9 mm; 英制螺紋 72－434T．P．J; 模數(shù)螺紋 025～3.5 mm; 徑節(jié)螺紋 8～144 DP。
鉆車(chē)主軸三級(jí)轉(zhuǎn)速范圍 200～750 r/min，主軸套筒圓錐孔為莫氏 4 #，最大鉆孔直徑 20 mm，主軸端部到工作臺(tái)的最大距離為 350mm。機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率為 2．2 k W，配有單向和三相兩種不同電壓供國(guó)內(nèi)外用戶選擇，機(jī)床電氣具有短路、過(guò)載、缺相、零壓保護(hù)，設(shè)有急停按鈕和保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，使機(jī)床更加安全可靠，產(chǎn)品符合歐盟 CE 認(rèn)證。其附件配有花盤(pán)、跟刀架、中心架、螺紋亂扣盤(pán)等。
4 、結(jié)語(yǔ)
筆者公司設(shè)計(jì)制造的 KL36B 系列多功能機(jī)床產(chǎn)品，主要銷(xiāo)售集中在遠(yuǎn)洋船舶行業(yè)。當(dāng)然也適合于機(jī)械設(shè)備維修。針對(duì)船用機(jī)床受到波浪搖蕩和抨擊載荷的特點(diǎn)，不但要對(duì)如絲杠螺母副及主軸旋轉(zhuǎn)、齒輪傳動(dòng)、導(dǎo)軌移動(dòng)部件等進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐波性設(shè)計(jì)研究; 更重要是對(duì)部件結(jié)合面，裝配工藝、零件配合盈隙和動(dòng)力系統(tǒng)從工藝操作規(guī)程上制定措施，齒輪變速主軸箱采用箱外循環(huán)潤(rùn)滑方式等，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的適用性。因此該系列機(jī)床銷(xiāo)售實(shí)現(xiàn)了連續(xù)多年穩(wěn)定增長(zhǎng)，同時(shí)也帶動(dòng)了公司數(shù)控車(chē)床、立式加工中心的銷(xiāo)售，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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