浅谈立式数控车床的工作循环及设计

    摘要：文章主要分析了普通卧式车床和简易卧式数控车床加工转向节杆部及法兰端面工艺方法不足，提出了采用专用立式数控车加工转向节杆部和大端面的工艺方案。给出了转向节专用立式数控车床总体结构、机床的工作循环及机床主要技术参数；并对转向节专用立式数控车床关键部件主轴箱、进给系统及转向节工装夹具等进行了设计。该机床使用结果表明，有效保证了转向节杆部和大端面与两顶尖孔的位置精度，同时有效降低装卸工件的劳动强度。 
    关键词：数控车床；设计；进给系统 
    汽车转向节是汽车上应力最集中、形状最复杂的零件之一，需要具有良好的机械性能。它的加工质量直接影响到汽车的操作性和安全性。随着汽车数量的迅猛增加，转向节的需求也随之上升，因此提高生产效率是至关重要的。但由于其结构的复杂性，给机械加工带来一定难度，特别是转向节杆部及法兰端面的加工，尺寸精度和位置精度很难保证。传统的转向节杆部及法兰端面的加工采用普通卧式车床或简易卧式数控车床，设计简易车具，利用尾座顶尖将转向节夹持在车具和尾座顶尖之间，车具拨动转向节旋转进行加工。此种加工工艺方法的不足：工件装夹困难；车具无配重，转速提高受限；加工效率低。鉴于上述对传统转向节生产工艺的分析，为了解决传统加工转向节杆部及法兰端面生产工艺的不足，我们开发设计了一种新的加工转向节杆部的专用立式数控车床。该设备具有同规格立式数控车床的工艺性能，同时具备加工转向节的高效性，同时减轻了工人装夹工件的劳动强度，是一种一举两得的理想设备。 
1 转向节专用立式数控车床工艺方案分析 
1.1 整体式转向节工艺特性 
　　形状如羊角，结构复杂；毛坯为锻件，加工余量大，特别是法兰盘根部圆弧部分；工件偏重，转动惯量大；定位夹紧困难。 
1.2 机床方案 
　　根据转向节工艺特性和定位夹紧要求，该机床采用主轴偏置的立式数控车床结构，在传统立式数控车床的基础上，增设尾座顶尖部件，并设计专用车具，形成高效加工转向节的新型机床，同时仍具备通用数控立车的功能。电气控制系统为日本FANUC-0i-Mate数控系统。液压系统为符合ISO标准的叠加阀结构。 
1.3 机床的工作循环 
　　安装工件—定位夹紧—数控滑台快移—X、Z轴联动，同时主轴旋转—完成外圆加工—数控滑台快退至原位—伺服刀架换刀—数控滑台快移—X、Z轴联动，完成工件外圆各槽的加工—数控滑台快退至原位—伺服刀架换刀—数控滑台快移—X、Z轴联动，完成工件各螺纹的加工—数控滑台退至原位—松卡—卸下工件—进入下一循环。 
2 转向节专用立式数控车床部件设计 
2.1 主轴箱设计 
2.1.1 主轴箱结构设计 
    本机床为立式结构，主轴箱就是传统意义上的床身 ，其作用一是安装主轴及其传动系统，二是支撑立柱即在其上安装的纵横滑板和电动刀架。因此要求主轴箱具有据够的刚性，结构必须合理，长期使用不变形。 
2.1.2 主轴箱传动系统 
　　传动比确定：机床主要加工转向节，兼顾通用数控立车功能，传动比为1:10，最低转速为63转“分钟，最高转速为1000转“分钟；转动路线确定：传动路线采用伺服电机通过行星减速箱、皮带轮驱动主轴单元使主轴旋转；主轴单元结构：采用主轴单元结构目的是方便制造、安装、维修。选用主轴单元结构要适合加工转向节特殊件的需要。选用主轴单元结构要适应加工转向节特殊件的需要，第一满足刚性要求，旋转精度的长久稳定性；第二要有夹紧油缸及分油装置；第三动力卡盘和专用车具可快速切换，实现通用立式数控车床功能和专用转向节数控加工的切换。据此，选用的主轴单元为标准50规格的车主轴支撑形式，具有高刚性、高精度的特点。

2.2 进给系统设计 
2.2.1 纵向进给传动系统设计

    纵向进给传动系统主要有纵向滑板和纵向滚珠丝杠传动副组成。其纵向滑板安装在立柱的纵向滚动导轨上，它可以沿立柱导轨做纵向运动。导轨采用重载型滚珠滚动导轨，导轨承载能力大，刚性强。纵向伺服电机经联轴直接驱动滚珠丝杠螺母副，带动纵向滑板沿立柱导轨运动。 
2.2.2 横向进给系统设计 
　　横向进给传动系统主要由横向滑板和横向滚珠丝杠传动副组成。其横向滑板安装在纵向护板的横向滚动导轨上，它可沿着纵向滑板向滑板横向导轨做横向运动。导轨采用重载型滚珠滚动导轨，导轨承载能力大，刚性强。横向伺服电机经联轴器直接驱动滚珠丝杠螺母副，带动横向滑板沿纵向滑板横向导轨运动。 
2.3 转向节工装夹具设计 
2.3.1 顶尖部件设计 
    顶尖是机床的重要定位机构，其功用：定位功能、回转功能、夹紧功能，其动作：安装工件时，顶尖部件处于上部，当工件在专用车具的正确位置上时，顶尖在油缸的作用下向下移动，使上顶尖顶紧工件杆部上顶尖孔，完成工件的定位夹紧。主轴旋转时顶尖也随着旋转，实现机床的主运动。设计此部件首先确定夹紧力，设计驱动油缸的规格，确保夹紧可靠；转向节是不平衡件，顶尖主轴及顶尖要有足够的刚性，以保证回转精度的长久稳定性。 
2.3.2转向节车具设计 
　　转向节是异形件，非常的不平衡，其车具设计有一定难度，第一是定位采用顶尖孔，其刚性不好，需要上下顶尖定位夹紧，下顶尖固定在主轴上，上顶尖单独设计移动部件；第二是夹紧，没有规则的夹紧面，同时不同的顶尖形状各异，要使车具具有通用性，车具必须具有适应不同工件的柔性；第三是工件的不平衡性，在设计车具时必须有可调整的配置设置；第四是在旋转的主轴上采用液压自动夹紧，主轴设置旋转编码器，以适应车螺纹功能，车具设置夹紧油缸。 
3 结束语 
  本机床已交付用户使用，其性能已达到设计要求。图纸经完善后开始投入小批量生产，并参加了2010年在北京举办的第十届国际机床博览会，得到广泛好评。 
参考文献： 
[1]张振国，数控机床的结构与应用[M]，北京：机械工业出版社，2010 
[2]王爱玲，现代数控机床[M]，北京：国防工业出版社，2008