电机控制简易车铣复合机床设计与分析

2019-09-19王龙飞

装备制造技术 2019年7期

王龙飞

（陕西国防工业职业技术学院数控工程学院，陕西西安710300）

0 引言

车铣复合加工技术[1-2]是一种缩短产品制造周期、提高产品质量的先进加工理念，同时车铣复合加工技术是一种先进的智能化的加工技术，集精密测量技术、CAD/CAM应用技术和现代先进控制技术于一体。该技术通过夹具的一次性夹装，便可以完成被加工零件的复杂表面或多个形面的加工过程，极大地降低了工件装夹的时间、简化了加工系统的操作复杂性，减少了被加工零件的非生产时间。车铣复合加工技术[3-4]不仅满足了客户高加工精度、高生产效率、低库存、低零件转移和低占地面积的需求，它还符合“中国制造2025”节能减排的要求。可以预见，车铣复合加工技术的应用市场会越来越广泛，并将朝着更宽工艺范围、更高效率、更高精度和模块化方向发展。

车铣复合加工机床是世界上最先进的数控加工设备之一。现在国内已有多家生产厂商可生产车铣复合加工机床，但机床的关键功能部件，如数控系统、铣头和回转台等产品，还有待进一步商品化和产业化。我国的车铣复合机床技术[5]和国外相比还有数十年的经验积累差距，整体加工技术和欧洲、日本相比还有不小的差距。车铣复合加工技术[5]的特点包括：生产率高，生产链少；基准转化少，产品精细度高；产品研发周期短。同时车铣复合技术朝着先进、融合、简便、可靠、标准化方向发展。

本文提出了一种简易车铣复合加工机床，可应用于中小型企业，并为民用车铣复合加工机床的设计提供了依据和参考数据。

1 机床总体设计

车铣复合机床结构设计合理，机身和底座采用铸铁结构，一次铸造成型。在机身上开有通孔，安装轴和轴承，用于连接三爪卡盘和电动机1。主轴部件通过丝杠结构与机身连接，工作台的横向及纵向运动通过步进电机和滚珠丝杠实现，虎钳刀架台位于工作台上，尾座位于最左端[6]，如图1所示。

图1 车铣复合机床总装配图

运动过程详解：电动机1运转，通过带轮带动三爪卡盘旋转，从而带动安装在三爪卡盘上的工件做旋转运动；步进电机1运转，通过滚珠丝杠带动虎钳刀架台上的刀架台做横向运动，实现对旋转工件的车削加工。电动机2旋转，通过带轮带动滚珠丝杠运动，实现主轴部件的上下运动。步进电机3旋转，通过带轮带动主轴旋转，实现对虎钳工作台上夹持工件的铣削加工。

2 主要零部件设计

2.1 机身设计

机身是机床的重要支撑件，在机床工作过程中起着支撑机床主轴上下运动、三爪卡盘旋转和尾座运动等作用，如图2所示。

图2 机身

机身材料常使用灰铸铁（HT250）材料，这种材料耐磨性、耐热性较好，强度高，铸造性能优异，减振性良好，需要进行人工时效处理。除此之外经常用到的机身材料还有HT200、HT300和球墨铸铁，根据不同工作条件而定。

本文中的机身将车床的车身和铣床的立柱结合在了一起，更加节约空间，铣刀轴部件与机身通过燕尾槽连接，铣刀轴部件的上下运动导向利用了丝杠原理，该设计可减轻机床的使用难度。

2.2 尾座设计

尾座是数控机床的重要组成部分，其主要作用是在加工过程中为轴类零件定心，同时具有辅助支撑和夹紧轴类零件的功能。卧式数控车床的尾座常采用由套筒、尾座体、芯轴结构等组成的整体式结构，如图3所示。芯轴结构静刚度、动刚度好，选取高精度的进口轴承支承，同时整体式结构尾座具有刚度高、抗震性能好，精度高等特点。

图3 尾座

尾座的工作原理是：尾座套筒和螺纹轴相互配合，顶尖装在套筒内，套筒装在主体上，螺纹轴的另一边穿过后盖与手摇轮相连，当手摇动时，套筒带动顶尖向前移动。

2.3 主轴设计

主轴铣刀，使用传统铣刀的旋转运动方式，在机身立柱处，设计有燕尾槽与铣刀主轴连接，步进电机通过带轮控制铣刀主轴的旋转，进一步带动铣刀的旋转。铣刀主轴与刀柄的上下运动，依靠机身处的丝杠和主轴的齿轮齿条结构来实现，如图4所示。这样的结构简单明了，操控方便。铣刀刀柄可以依据使用铣刀的不同而进行更换，使用范围广泛。

图4 主轴

2.4 虎钳刀架台设计

虎钳与刀架的相结合，便产生了一种即可以装夹刀具，又可以装夹工件的组合装置。装夹车刀时可以进行车削加工；装夹工件时可使用钻头对工件进行铣削加工，如图5所示。平口虎钳的工作原理如下：使用开口扳手转动丝杠，通过丝杠螺母带动活动钳身向左、向右移动，实现对工件的加紧与松开动作。活动钳身上部的刀架台随之移动，不起夹紧作用，刀架台一般为回转式结构，刀具沿圆周方向安装在刀架台上，可以安装轴向车刀、径向车刀、镗刀、钻头、轴向铣刀和径向铣刀等。