一種三軸聯(lián)動倒置立式車床設(shè)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(jù)倒置立式車床的結(jié)構(gòu)特點以及工件的加工需求，設(shè)計了三軸聯(lián)動倒置立式車床的整機結(jié)構(gòu)。論述了整機結(jié)構(gòu)具有的性能優(yōu)勢，并對機床的關(guān)鍵部件搖籃機構(gòu)進(jìn)行了闡述。詳細(xì)介紹了搖籃的結(jié)構(gòu)形式、性能參數(shù)、運動參數(shù)等，并對三軸聯(lián)動倒置立式車床的整機性能進(jìn)行分析。根據(jù)機床要達(dá)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(shù)參數(shù)的數(shù)值。對機床在切削力作用下的受力變形情況進(jìn)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(lián)動倒置立式車床樣機。
關(guān)鍵詞：三軸聯(lián)動；倒置立式車床；搖籃；整機結(jié)構(gòu)
０、引言
將發(fā)動機動力從變速器傳動到驅(qū)動輪的球籠是乘用車傳動軸系統(tǒng)中的重要部件，有著大量的市場需求。由于球籠傳動的驅(qū)動力矩大、負(fù)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(wěn)定性好等性能優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于具有高自動化和高精度需求的零件加工。現(xiàn)有技術(shù)條件下的倒置立式車床，刀具無法在加工狀態(tài)下前后擺動，不能對球籠鐘形殼內(nèi)圓弧面進(jìn)行銑削。針對這一問題，本文對一種三軸聯(lián)動倒置立式車床進(jìn)行研究，運用三軸聯(lián)動復(fù)合型倒立車加工模式，對工件淬火后進(jìn)行加工，用硬銑代替磨床、硬車代替磨床，從而提升球籠質(zhì)量和使用壽命，同時提高生產(chǎn)效率。
１、三軸聯(lián)動倒置立式車床整機結(jié)構(gòu)
１．１ 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計
三軸聯(lián)動倒置立式車床整機結(jié)構(gòu)如圖１所示，其特點是可實 現(xiàn) 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(dǎo)軌上下運動的方向）和Ｗ 軸（搖籃體前后擺動的方向）三軸聯(lián)動加工。設(shè)計Ｕ 型結(jié)構(gòu)的床身１，Ｕ 型結(jié)構(gòu)的開口槽設(shè) 置在床身的上前方位置；床身的頂面通過 Ｘ 軸驅(qū)動機構(gòu)７連接橫梁２，并且床身的頂面通過導(dǎo)軌與橫梁底面連接。橫梁的前表面通過Ｚ 軸驅(qū)動機構(gòu)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(gòu)連接主軸箱內(nèi)的主軸，主軸箱內(nèi)的主軸伸入到床身的開口槽內(nèi)；在開口槽內(nèi)腔前端設(shè)有 Ｕ 型的搖籃擺動裝置１１；在搖籃擺動裝置１１的后端設(shè) 有料線機構(gòu)１０，料線機構(gòu)沿Ｙ 軸貫穿床身左右兩側(cè)，在料線機構(gòu)上設(shè)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(cè)的排屑器１２［１－３］。
１－床身；２－橫梁；３－主軸箱；４－Ｚ 軸驅(qū)動系統(tǒng)；５－電機支架；６－主電機；７－Ｘ 軸驅(qū)動系統(tǒng)；８－球籠工件；９－托盤工裝；１０－料線機構(gòu)；１１－搖籃裝置；１２－排屑器
圖１ 三軸聯(lián)動倒置立式車床整機結(jié)構(gòu)
１．２ 整機結(jié)構(gòu)特點
１．２．１ 整機剛性強并且占地面積小
三軸聯(lián)動倒置立式車床為龍門式結(jié)構(gòu)，剛性強，搭配自動化料線，實現(xiàn)自動化加工，對加工精度和穩(wěn)定性有更好的保證。
１．２．２ 主機與料線布局合理
料線機構(gòu)設(shè)計在搖籃后側(cè)且左右方向貫穿床身，可以設(shè)計拉門式料線防護(hù)結(jié)構(gòu)，料線防護(hù)門張開能夠保證主軸卡盤對料線上傳送的工件進(jìn)行靈活抓取，料線防護(hù)門閉合能夠?qū)崿F(xiàn)加工區(qū)域全封閉。
１．２．３ 車銑復(fù)合擺動橋技術(shù)
在搖籃基礎(chǔ)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(qū)動另一
端支撐形式，配置剎車系統(tǒng)及編碼器可有效地反饋轉(zhuǎn)速及定位。
２、搖籃結(jié)構(gòu)
２．１ 搖籃結(jié)構(gòu)設(shè)計
搖籃裝置和床身之間形成可旋轉(zhuǎn)的 Ｂ 軸，搖籃裝置結(jié)構(gòu)如圖２所示。
搖籃體１位于床身的開口槽內(nèi)，搖籃體兩端的轉(zhuǎn)軸分別通過軸承支撐在床身的左右兩側(cè)，其中一側(cè)的
轉(zhuǎn)軸穿過床身連接搖籃驅(qū)動電 機３，另一側(cè)的轉(zhuǎn)軸 接制動抱閘裝置７；在搖籃體中部的 Ｕ 型凹槽內(nèi)設(shè)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(xiàn)對零件內(nèi)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(qū)域。
搖籃體上表面銑刀的后側(cè)設(shè)有車刀座６，車刀座上連接車刀５。車刀５與銑刀４并列設(shè)置，可根據(jù) 需要選擇其中一種方式進(jìn)行工件的加工。
１－搖籃體；２－電主軸；３－搖籃驅(qū)動電機；４－銑刀；５－車刀；６－車刀座；７－夾鉗
圖２ 搖籃裝置結(jié)構(gòu)
２．２ 搖籃結(jié)構(gòu)特點
２．２．１ 結(jié)構(gòu)形式
采用直驅(qū)搖籃轉(zhuǎn)臺，兩側(cè)有軸承支撐，轉(zhuǎn)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(shù)
搖籃體總重量為５４０ｋｇ，質(zhì)心到回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸）。搖籃質(zhì)心位置如圖３所示。
圖３ 搖籃質(zhì)心位置
２．２．３ 運動參數(shù)
搖籃體最大轉(zhuǎn)速為４０ｒ／ｍｉｎ，加速時間為０．２ｓ。加工時搖籃體額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺軸承回轉(zhuǎn)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(shù)參數(shù)
三軸聯(lián)動倒置立式車床要求具有較高的加工精度，根據(jù)所需加工工件的特點，該機床要達(dá)到的主要技
術(shù)參數(shù)如表１所示。
表１ 整機主要技術(shù)參數(shù)
３．２ 整機結(jié)構(gòu)受力分析
ＡＮＳＹＳ是專業(yè)的有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于對機械結(jié)構(gòu)的受力分析。本文采用 ＡＮＳＹＳ軟件對該機床進(jìn)行受力分析。
三軸聯(lián)動倒置立式車床在加工狀態(tài)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(jìn)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(guān)鍵［６］。為了保證三軸聯(lián)動倒置立式車床對工件的加工精度，結(jié)合所加工工件的特點，對其在切削狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)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(fā)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(jié)構(gòu)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(fā)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(jié)構(gòu)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(jù)設(shè)計要求，制造了三軸聯(lián)動倒置立式車床，命名為ＩＶＴ２２ｍ，樣機如圖７所示。
５、結(jié)論
（１）設(shè)計出了三軸聯(lián)動倒置立式車床的整機結(jié)構(gòu)，闡明了搖籃的結(jié)構(gòu)形式及其主要性能參數(shù)，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(shù)參數(shù)
圖７ 三軸聯(lián)動倒置車床樣機
（２）根據(jù)三軸聯(lián)動倒置立式車床的結(jié)構(gòu)特點以及實際加工工件需求，得出該機床的主要技術(shù)參數(shù)。對該機床在受到最大切削力情況下的變形量進(jìn)行了分析，得到變形量較小、滿足剛性要求的結(jié)論，能夠保證機床的加工精度。
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