新型雙柱立式車床設(shè)計與實(shí)驗(yàn)

楊振宇，王勇，黃紹偉，劉發(fā)英

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083;3.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100)

雙柱立式車床屬于大型機(jī)械設(shè)備，用于加工徑向尺寸大而軸向尺寸相對較小，形狀復(fù)雜的大型和重型工件。如各種盤、輪和套類工件的圓柱面、端面、圓錐面、圓柱孔和圓錐孔等，亦可借助附加裝置進(jìn)行車螺紋、車球面、仿形、銑削和磨削等加工［1－2］。與臥式車床相比，臥式車床的主軸軸線是水平的，由于工件的自重，裝夾后容易引起卡盤和工件變形，對較長工件影響更嚴(yán)重，從而影響機(jī)床的后續(xù)使用精度和工件的加工精度，而立式車床主軸軸線為垂直布局，工作臺臺面處于水平平面內(nèi)，工件的夾裝與找正比較方便。這種布局減輕了主軸及軸承的荷載，因此立式車床能夠較長期地保持工作精度。但傳統(tǒng)立式車床結(jié)構(gòu)復(fù)雜、立柱和橫梁笨重，給加工和運(yùn)輸帶來不小的麻煩，而且回轉(zhuǎn)工作臺采用推力滑動軸承承受軸向切削力，從而使得主軸的轉(zhuǎn)速無法進(jìn)一步提高［3－4］。針對以上問題設(shè)計一種能滿足相同使用性能的新型雙柱立式車床，該車床機(jī)構(gòu)簡單、運(yùn)輸方便且性能穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用前景。

1 新型雙柱立式車床設(shè)計

1.1 整體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)在我國使用的普通雙柱立式車床沿用了前蘇聯(lián)的技術(shù)，設(shè)計時比較保守，整體質(zhì)量較大，大多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)的雙柱立式車床總體結(jié)構(gòu)變化不大，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要由底座、立柱、橫梁、頂梁、控制面板、控制柜、刀架和工作臺等組成。傳統(tǒng)雙柱立式車床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，立柱、底座和橫梁等大型零件需要鑄造來完成毛坯生產(chǎn)［5］，從而使得加工和運(yùn)輸都不方便。

圖1 傳統(tǒng)立式車床結(jié)構(gòu)整體外觀

針對現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計一種新型的雙柱立式車床，其整體外觀如圖2所示，主要包括底座、圓立柱、橫梁、行走架、頂梁、同步傳動機(jī)構(gòu)、刀架、方立柱和工作臺等部分。

圖2 新型雙柱立式車床結(jié)構(gòu)整體外觀圖

雙刀架通過刀架滑座安裝在橫梁上，安裝刀具實(shí)現(xiàn)切削加工;橫梁由圓柱橫梁和T 型橫梁組合而成，通過兩端的立柱滑座安裝在圓立柱上，分別主要承受由于切削加工作用在刀架上的切削力和扭矩;立柱滑座的前端連接有行走架，便于相關(guān)人員在上面行走進(jìn)行零件的安裝找正或機(jī)床維修;機(jī)床左右兩側(cè)龍門式安裝圓立柱在底座和頂梁之間，作為橫梁上下移動的軌道，為了增加圓立柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，由一空心方立柱輔助支撐;橫梁的上下移動由同步傳動機(jī)構(gòu)來完成;為了減少同步傳動的傳動功率，橫梁設(shè)有平衡重，平衡重塊安放在方立柱空腔內(nèi);工作臺在底座上、刀架下，實(shí)現(xiàn)工件裝夾和工件的旋轉(zhuǎn)。以上各零部件間通過高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行聯(lián)接，該機(jī)構(gòu)形式有利于運(yùn)輸、加工和裝配工藝。新型雙柱立式車床的主要性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)

1.2 龍門架設(shè)計

新型雙柱立式車床的龍門架包括底座圓基礎(chǔ)、底座方基礎(chǔ)、圓立柱、頂梁、方筒和方立柱等部分，如圖2所示。底座圓基礎(chǔ)用以支撐回轉(zhuǎn)工作臺;底座方基礎(chǔ)用以支撐方筒和聯(lián)接底座圓基礎(chǔ);方筒用以支撐圓立柱和方立柱;圓立柱和方立柱用以支撐頂梁，且圓立柱做為Z 向?qū)к?，方立柱?nèi)放置配重塊;頂梁用以安放平衡重滑輪組合同步傳動機(jī)構(gòu)裝置。它們依次首尾相聯(lián)接形成龍門，是該機(jī)床能正常工作的基本保證。

圖3 新型雙柱立式車床圓立柱和方立柱結(jié)構(gòu)圖

采用圓柱立柱和方形立柱組合的方式作為該機(jī)床的立柱支撐方式，與傳統(tǒng)雙柱立式車床相比，圓柱導(dǎo)向接觸面積大，單位面積承載力小，剛性好，導(dǎo)向精度高，不需要制作大型的鑄件，選用型材，采用焊接、切削加工、熱處理和鍍鉻工藝就可以方便完成加工。圓立柱和方立柱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 刀架和刀架滑座設(shè)計

與傳統(tǒng)雙柱立式車床不同［6－7］，新型雙柱立式車床的橫梁上有2 個可以隨橫梁滑座在橫梁上移動的刀架部件，刀架部件由刀架、刀架柱塞、刀架滑座、刀架外殼、電機(jī)、滾珠絲杠螺母傳動總成和刀架蝸輪蝸桿總成等部分組成，如圖4所示。刀架、刀架外殼和刀架蝸輪蝸桿總成的蝸輪安裝在橫梁滑座的環(huán)形槽內(nèi)，刀架蝸輪蝸桿總成的蝸輪與安裝在橫梁滑座上的蝸桿嚙合。當(dāng)旋轉(zhuǎn)蝸桿時，可改變刀架柱塞和橫梁的夾角大小，從而使刀架部件在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)一定的擺角，以滿足實(shí)際加工的需求。在電機(jī)的驅(qū)動下，通過絲杠螺母傳動可以實(shí)現(xiàn)刀架柱塞相對刀架滑座做直線移動，以滿足實(shí)際加工的需求。

圖4 新型雙柱立式車床刀架和刀架滑座結(jié)構(gòu)圖

1.4 橫梁和橫梁滑座設(shè)計

在傳統(tǒng)雙柱立式車床［8－12］的基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計了橫梁，新型雙柱立式車床的橫梁有圓柱橫梁和T 型橫梁組合而成，如圖5所示，分別聯(lián)接安裝在立柱滑座上，可以隨立柱滑座在圓立柱上做直線移動。

圖5 新型雙柱立式車床橫梁立柱和橫梁立柱滑座結(jié)構(gòu)圖

采用圓柱導(dǎo)軌和T 型導(dǎo)軌組合方式導(dǎo)向，導(dǎo)向精度高，剛性好，橫梁滑座兩端設(shè)有密封圈和防塵圈，一次性加油可以長時間使用，確保自動潤滑、防塵并減震，橫梁滑座兩端安裝有三軸瓦滑動軸承，可通過其錐面調(diào)整軸承和圓柱橫梁之間的配合間隙，不需要周期性研磨導(dǎo)軌，精度保持期提高4 倍以上，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 新型雙柱立式車床橫梁滑座總成圖

1.5 橫梁升降同步傳動設(shè)計

雙柱立式車床龍門跨度大，橫梁組件和刀架組件重量較重，需要在兩端提升橫梁［13－14］，因此需要同步傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)橫梁的升降，其整體結(jié)構(gòu)外觀如圖5所示，其主要包括同步傳動錐齒輪減速電機(jī)、同步傳動軸總成、Z 軸傳動總成和橫梁升降螺母座等部分組成。同步傳動錐齒輪減速電機(jī)裝置如圖7所示，電動機(jī)輸出的動力由電機(jī)輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器，傳給小錐齒輪軸，通過與其嚙合的大錐齒輪傳給同步傳動的雙輸出軸，再通過同步傳動軸總成傳給頂梁兩端的Z 軸傳動總成，Z 軸傳動總成是一對蝸輪蝸桿傳動，實(shí)現(xiàn)輸出方向改變和自鎖作用，最后通過Z 軸傳動總成的輸出絲杠軸帶動安裝在T 型橫梁上的絲杠螺母座移動，從而實(shí)現(xiàn)橫梁的升降運(yùn)動。另外，為了減小同步傳動的傳動功率，通過平衡重滑輪組有一安放在方立柱空腔內(nèi)的平衡重塊用鋼絲繩與橫梁相連。

圖7 新型雙柱立式車床同步傳動錐齒輪減速裝置圖

1.6 回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計

新型雙柱立式車床的回轉(zhuǎn)工作臺總成如圖8所示，它由主軸總成、支撐座、推力球軸承、回轉(zhuǎn)工作臺、大齒輪和小齒輪軸總成組成。與傳統(tǒng)雙柱立式車床不同［15－16］，新型雙柱立式車床采用高精度、高強(qiáng)度大型推力球軸承為工作臺滾道，其自動定心好，在油池中工作，潤滑好，運(yùn)動阻力小，不會因?yàn)榘惭b了偏心、偏重工件造成工作臺偏浮。相對傳統(tǒng)雙柱立式車床節(jié)能40%以上。

圖8 新型雙柱立式車床主軸和回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)圖

2 與同規(guī)格傳統(tǒng)雙柱立式車床運(yùn)行狀態(tài)比較

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

選用C6235 傳統(tǒng)雙柱立式車床作為比較對象，以外徑2 000 mm，內(nèi)徑1 800 mm 的聯(lián)接套筒作為加工對象，加工零件材料牌號為45 鋼，粗加工主軸轉(zhuǎn)速15 r/min，進(jìn)給速度0.6 mm/r，背吃刀量8 mm，半精加工主軸轉(zhuǎn)速75 r/min，進(jìn)給速度0.05 mm/r，背吃刀量0.5 mm。刀具材料采用YT15。零件軸向加工長度200 mm。加工被測零件的外圓、內(nèi)孔和端面。使用SRT-6200 手持式粗糙度測量儀測量被測零件表面粗糙度Ra 值;使用LDM50 直線度測量儀測量外圓母線的直線度;使用磁力表座和百分表組合檢測零件圓跳動［17］;使用LEVALIGN Ultra 激光平面度測量儀測量被加工零件端面的平面度。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別加工10 件同尺寸的被加工零件，求得各項(xiàng)指標(biāo)均值的結(jié)果列于表2、3 中。從表2 中可以看出，粗加工時被加工零件的直線度、圓跳動、表面粗糙度Ra 值和端面平面度，傳統(tǒng)雙柱立式車床均優(yōu)于新型雙柱立式車床，其中端面平面度差值最大，其原因是滑動軸承比推力球軸承承受軸向載荷大，能承受切削過程中產(chǎn)生的較大的沖擊載荷，所以在粗加工時更有利于保證端面平面度。新型雙柱立式車床加工后的零件直線度、圓跳動、端面平面度和表面粗糙度Ra 值均在立式車床所能達(dá)到的范圍值內(nèi)，因此能夠適應(yīng)立式車床粗加工的要求。

表2 被加工零件粗加工試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)均值 μm

從表3 中可以看出，半精加工時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出新型雙柱立式車床加工的零件直線度、圓度、圓柱度、端面平面度和表面粗糙度Ra 值均優(yōu)于傳統(tǒng)雙柱立式車床。該新型雙柱立式車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計更適合于主軸轉(zhuǎn)速較高，進(jìn)給速度小，切削余量小的數(shù)控雙柱立式車床的應(yīng)用。

表3 被加工零件半精加工試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)均值μm

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有傳統(tǒng)雙柱立式車床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，立柱橫梁笨重，零部件加工和維護(hù)工作困難等問題，設(shè)計一種新型的雙柱立式車床，與傳統(tǒng)雙柱立式車床有以下特點(diǎn):采用圓柱橫梁和T 型橫梁的組合方式，采用圓柱立柱和方形立柱的組合方式，使得其移動導(dǎo)向精度高、剛性好;橫梁滑座和立柱滑座設(shè)有密封圈和防塵圈，一次性加油使用時間長，確保自動潤滑、防塵并減震;橫梁滑座和立柱滑座使用三軸瓦可調(diào)滑動軸承，不用周期性研磨圓柱橫梁和圓立柱，精度保持期提高4 倍以上;采用高精度、高強(qiáng)度大型推力球軸承為工作臺滾道，自動定心好，不會因偏心、偏重件造成轉(zhuǎn)盤偏浮，轉(zhuǎn)動摩擦阻力比滑動軸承小，可節(jié)能40%以上。半精加工零件加工質(zhì)量優(yōu)于C6235 傳統(tǒng)雙柱立式車床，具有很好的應(yīng)用前景。

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