車銑加工中心工作臺組件結(jié)構(gòu)分析及其設計

魏 波 王 甜

（哈爾濱石油學院 機械工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028）

1 研究目的與意義

工作臺組件是車銑加工中心的重要組成部分，它可以實現(xiàn)功能有：工件在360°范圍內(nèi)分度旋轉(zhuǎn)或任意分度定位和對結(jié)構(gòu)復雜的零件進行加工。因此，工作臺的尺寸精度、運動精度及組件間的相對位置精度會直接影響機床功能的實現(xiàn)，這也就對機床的性能有了更高的要求，同時對機床精度要求相應的提高[1]。

因此，能夠全面對工作臺組件進行分析，并分解各關鍵零件的重要作用，進而設計出適合機床性能要求的結(jié)構(gòu)是至關重要的。

2 應用前景

隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展，車銑加工中心將會被越來越多的使用，主要以擴大其加工范圍，并提高其生產(chǎn)效率。預計將來的幾年內(nèi)，盡管一些機械行業(yè)因為產(chǎn)能過剩，而影響宏觀調(diào)控力度，使得持續(xù)在低水平條件下，但部分機械制造業(yè)將有一個不錯的增長速度，尤其是那些在國家政策鼓勵條件下，大力振興、發(fā)展的機械行業(yè)[3]。作為機械類制造業(yè)中主要機器，車銑加工中心將獲得持續(xù)穩(wěn)定的增長。

當下車銑加工中心的工作臺組件已大量運用在立式車削機床、大型數(shù)控機床以及多種加工中心上，發(fā)展狀況表現(xiàn)在：

（1）規(guī)格上，可以兩頭雙向延伸，發(fā)展成小型、大型的工作臺；

（2）性能上，可采用以鑄造錫青銅為材料的蝸輪，全面提升工作臺的轉(zhuǎn)速以及工作臺的承受的壓強；

（3）形式上，繼續(xù)開發(fā)出兩軸聯(lián)動、多軸并聯(lián)相應結(jié)構(gòu)形式的工作臺[4]。

3 車銑加工中心工作臺組件傳動方案的設計

工作臺組件其主要功能為：根據(jù)其系統(tǒng)控制指令，保證工作臺組件完成圓周進給的切削加工，并使工作臺組件完成分度功能。車銑加工中心工作臺組件采用的驅(qū)動方式為伺服電機，利用無級調(diào)速的方式進行工作，故車削加工中心工作臺組件的定位與重復定位精度由控制系統(tǒng)而決定[5]。

車銑加工中心的工作臺組件作為一個整體，主要由電機、傳動、執(zhí)行、支承、控制等系統(tǒng)組成，傳動系統(tǒng)作在電機與執(zhí)行系統(tǒng)的聯(lián)系部分，用來傳遞運動、動力，進而實現(xiàn)工作臺組件的分度運動。該車銑加工中心，其電機采用伺服電動機驅(qū)動，傳動系統(tǒng)由兩個傳動箱體、一個主軸組件承擔，里面裝有齒輪、軸、軸承等傳動零件、實現(xiàn)傳力、分度和旋轉(zhuǎn)的功能。

該車銑加工中心傳動方案分析如下：

傳動零件主要采用齒輪、齒圈，其能承受的載荷較高，并且有較穩(wěn)定的傳動比，其傳遞的功率、速度范圍較大，結(jié)構(gòu)相對緊湊。將多對齒輪放在系統(tǒng)的高速級，實現(xiàn)運動、動力的傳遞，將齒輪、齒圈放在系統(tǒng)低速級，可獲得旋轉(zhuǎn)和分度的功能，其方案制定較合理。

4 工作臺組件關鍵零件的總體設計

工作臺組件主要由工作臺、工作臺底座、工作臺主軸組件、C 軸傳動箱、主變速箱，組成，在UG 建模條件下，其裝配圖見圖1，其關鍵零件設計如下：

圖1 工作臺組件整體裝配圖

4.1 工作臺和齒圈設計

工作臺作為重要的回轉(zhuǎn)零件，在其上應有工件的裝夾和找正。工件通過夾具固定在工作臺上后，隨工作臺的轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)被加工的過程，工作臺的另一個作用就是起到支撐作用。為了滿足其分度的功能，故工作臺做成圓形件，此外工作臺表面需要T 型槽，用于工作臺上夾具的定位夾緊。為了保證工作臺其耐用性更好，則在工作臺的中心處加工出一個通孔，主要用于安裝襯套，而工作臺下端面則需用轉(zhuǎn)軸定位。

齒圈作為其工作臺分度的重要零件，整個工作臺的旋轉(zhuǎn)和分度是靠齒圈來提供動力，主要功能就是傳遞扭矩，齒圈是用螺釘連接到工作臺上的。工作時，齒輪與齒圈的嚙合傳動，將帶著工作臺及轉(zhuǎn)軸一起運動。利用UG 建模，則工作臺與齒圈結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 工作臺與齒圈結(jié)構(gòu)

4.2 工作臺主軸組件的設計

工作臺主軸組件通過推力滾子軸承、圓柱滾子軸承、套筒、調(diào)整墊及螺栓螺母標準件等固定在工作臺與底座之間，主軸底端法蘭與工作臺底座用螺釘連接，軸承套與工作臺用螺釘連接，間隙用調(diào)整墊圈調(diào)隙。工作臺主軸組件作為承上啟下的作用，用于連接工作臺與工作臺底座，工作臺主軸是一個空心的階梯軸結(jié)構(gòu)，是工作臺的回轉(zhuǎn)中心，也是支撐工作臺及被加工工件的重要零部件。該主軸主要用于分擔工作臺重量，使得工作臺繞軸而進行旋轉(zhuǎn)，由于軸功能結(jié)構(gòu)及使用性能要求，該軸的材料選用40Cr，通過調(diào)制熱處理而獲得較高的硬度。

主軸組件中另一個重要的零件就是軸承，軸承的的游隙也是作為影響主軸轉(zhuǎn)動誤差的一個重要條件，進而影響工作臺組件分度功能。

4.3 工作臺底座設計

工作臺底座材料為灰鑄鐵，工作臺底座前體和工作臺底座后體通過螺栓螺母拼接而成，組成工作太底座，工作臺底座用于支撐整個工作臺及被加工工件重量，安裝在工作臺上的夾緊裝置實現(xiàn)工作臺精密分度、定位的功能。底座的主要作用是支撐作用；同時它也是連接各功能部件的中介（主變速箱，C 軸傳動箱），它們之間的相互位置精度是影響機床性能的關鍵，所以對他們的形位公差有較高的要求。利用UG建模，則工作臺底座結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 工作臺底座結(jié)構(gòu)圖

4.4 主變速箱和C 軸傳動箱

C 軸傳動箱是一個多孔類的薄壁傳動箱體，是工作臺組件中的重要零部件，主變速箱是傳動箱體，同C 軸傳動箱一樣是工作臺組件中的重要零部件，區(qū)別為：C 軸傳動箱為車銑加工中心的分度及圓周進給提供動力，而主變速箱是實現(xiàn)工作臺的車削加工的條件。

5 工作臺齒圈變形對工作臺組件分度功能的影響

齒圈作為一個重要的零件，其變形情況直接影響工作臺組件分度功能，齒圈和工作臺相連，其中共有兩個關鍵結(jié)合面；即一個為與工作臺配合面，采用過渡配合；另一個是螺釘相連的環(huán)形接觸面。齒圈于工作臺上結(jié)構(gòu)較為特殊，并具有重要的功能，另外齒圈為薄壁零件結(jié)構(gòu)，所以在傳力過程中，極易引起變形。

在對齒圈功能進行分析后，根據(jù)其約束條件、受載荷條件情況，建立了齒圈的受力模型，主要能夠清楚的表現(xiàn)出零件與其相配合件的裝配關系，則齒圈結(jié)構(gòu)和工作臺間的裝配位置關系見圖4。

圖4 齒圈結(jié)構(gòu)和工作臺間的裝配位置關系

C 軸傳動箱里的一對消隙齒輪、主傳動箱里與齒圈小齒輪，他們的位置關系是齒圈受載荷進行分析的重要約束條件，小齒輪主要提供切削動力，其消隙齒輪對除了用于消除齒間的嚙合間隙時，更重要的作用是滿足工作臺的分度。這三個齒輪中，小齒輪與齒圈嚙合受力為主要研究對象，其運動的平穩(wěn)性、齒面的變形、磨損破壞對齒圈變形有著重要的影響。消隙齒輪與齒圈的嚙合，影響著工作臺分度、運動的準確性。齒圈與主傳動箱小齒輪相互嚙合，并實現(xiàn)連續(xù)傳動，則齒圈受到交變載荷的作用，其主要應力形式為脈動循環(huán)，齒圈的基本參數(shù)如下：材料45 號鋼、齒數(shù)288、模數(shù)16 mm、壓力角20°、螺旋角4.5°。

根據(jù)齒圈參數(shù)，可得到齒圈的直徑，具體的計算見式1。

已知工作臺最大轉(zhuǎn)矩為：460KN.m，齒圈受到圓周力Ft、徑向力Fr、軸向力Fa、法向力Fn，則相應的計算見式（2）、（3）、（4）、（5）。

由于齒圈與小齒輪嚙合時的受力狀況，所以取摩擦系數(shù)為0.08，則摩擦力的計算見式（6）。

為了使ANSYS 分析更加簡便，減少其力的個數(shù)，而將外力和摩擦力做合成，則x 方向、y 方向、z 方向、總受力的計算見式（7）、（8）、（9）、（10）。

齒圈重合度為端面、縱向的重合度的總和。則表達式為：ε=εa+εβ。在這里將齒圈、小齒輪作為研究的對象，根據(jù)條件：齒圈的齒數(shù)288，小齒輪的齒數(shù)36，而螺旋角是4.5°。

即端面的重合度：計算見式（11）。

即縱向的重合度：計算見式（12）。

可得總重合度：計算見式（13）。

齒圈變形直接影響工作臺組件的分度功能，通過對工作臺齒圈進行載荷計算，目的是為后續(xù)裝配在工作臺上變形作進一步的分析。齒圈與主傳動箱中小齒輪齒面嚙合，在約束、載荷的作用下，傳遞切削動力，能夠完成車削加工功能，C 軸傳動箱中的消隙齒輪對可以消除反響嚙合間隙，可以有效地控制嚙合誤差并減少傳動誤差與回程誤差，提高齒圈穩(wěn)定性和使用壽命，并保證工作臺主軸的傳動、分度功能[5]。

通過對齒圈施加載荷，進而對齒圈做變形分析，通過齒圈變形的分析，得到齒圈受到載荷作用下的齒面變形情況，由于齒圈的變形，致使齒圈齒面輪廓失去正確形狀，從而導致工作臺組件分度不再準確。

將上述計算所得載荷施加于齒圈上，利用ANSYS 軟件，通過對齒圈應力、應變、變形分析，由于齒圈變形的不均勻，使其傳動出現(xiàn)誤差，進一步影響工作臺組件分度功能準確性的保證。按照其相應的載荷約束條件，輸出齒圈的應力、應變、總體變形云圖見圖5。

圖5 應力、應變、總體變形云圖

從變形云圖里可以清楚地看到齒圈整體變形的不均勻性，變形從齒頂部向內(nèi)依次遞減，齒頂圓附近變形較大，對工作臺組件的分度影響較為嚴重，不妨可采用更為嚴格的表面熱處理方法，增加其硬度，提高其抗變形能力，進而保證工作臺組件分度的準確性。

6 結(jié)論

本文將車銑加工中心工作臺組件的結(jié)構(gòu)做出全面的分析，明確了車銑加工中心工作臺組件的旋轉(zhuǎn)與分度過程，掌握了其工作原理及結(jié)構(gòu)，通過對工作臺組件各關鍵零件的UG 建模，充分認識了工作臺組件重要作用，進而解決了工作臺組件中各關鍵零件設計過程，重點對齒圈進行了載荷計算的重要分析，利用ANSYS 軟件，做出其整體變形云圖，采用表面熱處理提高其硬度的方式抵抗變形，從而進一步確保工作臺組件分度功能的準確性。