球面车床的结构及精度设计

赵慧丽 王小勤 路君勇

（1.安阳工学院机械工程学院，河南 安阳 455000；2.安阳福士德锅炉有限责任公司，河南 安阳 455000；3.安阳鑫盛机床有限公司研发中心，河南 安阳 455000）

球面车床的结构及精度设计

赵慧丽1王小勤2路君勇3

（1.安阳工学院机械工程学院，河南 安阳 455000；2.安阳福士德锅炉有限责任公司，河南 安阳 455000；3.安阳鑫盛机床有限公司研发中心，河南 安阳 455000）

本文通过对球面加工原理的分析，总结了球面车床基本结构和几何精度的设计方法。对球面机床的优化设计和合理使用，均具有一定的参考价值。

球面；基本结构；几何精度

1 球面车床的结构设计及加工原理

球面车床是在普通车床基础上派生出来的一种用于球面加工的专用车床，车床上各部分除床鞍外同于卧式车床或者仅有少量的改进设计。球面车床简图如图1所示，球面车床上在床鞍和中拖板之间设计了回转盘。普通车床的床鞍被设计成回转盘座2，通过山形导轨和床身相连接，回转盘1通过轴承3及圆形导轨安装在回转盘座2上，回转盘1以轴承3定心绕回转盘中心轴MN回转。回转盘通过燕尾导轨连接中拖板4，刀架5则固定在中拖板上。

图 1 球面车床简图

车床工作时，工件装夹在车床主轴上，由主轴带动绕Z轴旋转，同时在由溜板箱传递的动力驱动下，回转盘带动刀具绕回转盘中心轴线MN从初始切削位置开始回转，开始切球面。中拖板通过燕尾导轨移动，调整刀具位置，切出正确尺寸的球面。回转盘可以在床身导轨上移动，以便调整球面中心的位置。

为了达到工作要求，要对床鞍和回转盘进行了重新设计，如图2所示，回转盘既可以机动也可以手动，手动可旋转360度，用于无级调速车削时，最大回转角度可达180度，刀架可机动进退。车削球面时，蜗轮1与大斜齿轮2啮合提供驱动力，驱动回转盘旋转，切出球面。

图 2 回转盘传动机构

为扩大车床的使用范围，回转台设计了固定装置，当回转台用插销固定后，回转台前面指示灯亮表示固定死，此时，驱动力通过位于回转台中心的轴3和锥齿轮传给刀架，可做一般的车削。回转台固定后，不得机动旋转，否则会造成重大事故。

为了加工内球面，专门设计了内刀架，如图3所示，使用时将普通外刀架卸下，装上内刀架，切削时刀架随回转盘旋转，刀架的进给由手轮轴1通过蜗轮蜗杆带动齿轮3，再通过刀杆4上的齿条带动刀杆来实现。为了加工需要，还设计了微动进给机构2，用于精确加工。

为了得到更高的表面光洁度，球面车床上还可以增加一个砂带磨，对车好的外球面进行抛光。但对提高球面的几何精度并无多少效果，某些球面车床也可以带砂轮磨头，以便对球面进行磨削。

图 3 内刀架及其传动机构

2 球面车床几何精度误差对球面加工精度的影响

球面加工精度包含三个方面的内容：形状精度，位置精度，尺寸精度[4]。本文仅研究形状精度，在没有特殊说明的情况下，本文所说的球面加工精度，球面加工误差均指其形状精度，形状误差。在机床加工过程中，球面形状能否准确形成，取决于球面和刀具在切削运动过程中是否具有准确的相互位置关系。机床几何精度对通过在加工过程中改变刀具和工件的相互位置关系引起加工误差来影响球面的加工精度。各种几何精度的误差在大小和方向上各不相同，而加工精度必须在工序尺寸方向上度量，因而不同的机床几何精度对球面加工精度的影响也不相同。当机床几何精度误差的方向与工序尺寸方向（即通过刀尖的加工表面的法线方向即误差敏感方向）一致时，对加工精度的影响最大。球面车床几何精度包括三部分：回转盘的几何精度，导轨的几何精度，车床主轴的回转精度。它们对球面加工精度的影响在方向、大小上各不相同。其中回转盘的几何精度对球面加工精度的影响较大，为该项几何误差的二分之一。导轨的几何精度中，导轨在水平面内的直线度和导轨对主轴轴线在水平面内的平行度对球面加工精度的影响也较大。在车床主轴的几何精度中，主轴轴向窜动对球面加工精度的影响最大。

生产实际中遇到的球面车床几何精度误差对球面加工精度的影响往往是多项误差的综合影响，也就是各单项误差的合成问题，可以采用分析计算法计算总误差[5]。

3 球面车床的几何精度设计

球面车床工作精度的设计也就是确定球面机床的工作精度即球面加工的允许误差。可以综合以下几个方面来确定：其一，确定车床所加工球面的类型，调查该类型球面所应用的行业对其精度要求，并把其作为确定车床工作精度的依据。其二，如果某行业对球面精度要求很高，需进行精加工，如磨、研等，应以精加工前所需精度作为确定车床工作精度的依据。其三，类比于同类车床确定车床的工作精度。

车床工作精度确定之后，确定车床各项几何精度时一般应考虑以下几方面的因素：一是各项几何精度的工艺难易程度。工艺难易程度对加工误差的影响程度基本一致时，平均分配公差。二是各项几何精度的工艺性。根据各项几何精度的工艺难易程度，分配公差。几何精度保证难度大的，分配较大的公差值，反之，几何精度易于保证的项目，分配较小的公差值。三是确定机床几何精度时，必须考虑其对加工误差影响。根据其对加工精度的影响程度，决定其公差值的大小：影响大的几何精度，分配给较小的公差值，反之，影响小的几何精度，分配给较大的公差值。确定车床的几何精度时，仅考虑一个方面是不全面的，不合理的，必须兼顾以上几个方面，才能达到合理、经济。当确定了各项几何精度后，还需进行验算，如有不妥，必须进行调整，直至合理为止。

综上，球面车床的设计一般依托普通车床进行改进，一定注意回转盘和刀架的设计。由于几何精度对加工误差的影响在大小和方向上各不相同，保证球面车床几何精度的工艺难度也不尽相同，这是进行机床几何精度设计时必须考虑的问题。

[1]尚建军.球面车削工艺及车床改进设计原理分析[J].煤炭技术，2006（3）：6-7.

[2]金兆钧，王静波，郝志国.球面车床的改造[J].制造技术与机床，2004（5）：99-101.

[3]李飞.球面加工工装改进[J].金属加工，2012（9）：46.

[4]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2002：27.

[5]关玉祥.机械加工误差与控制[M].北京：机械工业出版社，1994：29.

TH122

A

1671-0037（2014）06-95-1.5球面车床适用于加工外球面、内球面及轴上带球的工件，并能进行钻孔、铰孔等工作，随着国民经济的迅速发展，光学镜面加工，汽车球头杆加工，球阀加工等球体类行业对球面加工车床的需求日益扩大。目前球面车床都是简单改装或者由普通车床变型而改装成的专用车床[1，2，3]，精度要求尚无国家标准或行业标准。在球面车床的设计方面，由于缺乏必要的文献资料，其几何精度设计目前只能由机床开发厂家根据经验确定。为了加工出高精度的球面，怎样合理地设计球面车床的结构及几何精度，已成为球面车床开发厂家急待解决的一个课题。

赵慧丽（1979-），女，硕士研究生，讲师，研究方向：机械制造工艺、材料的制备及性能检测。