新型随动尾座设计应用

2022-04-01崔德永王鸿娟

新技术新工艺 2022年2期

崔德永，王鸿娟

(1.北京金橙子科技股份有限公司，北京 101399；2.通用技术集团机床工程研究院有限公司，北京 100102)

随着机械加工行业的快速发展，立式加工中心成为市场中应用最广泛的数控机床。而一些带有复杂型面的零件，常规的三轴立式加工中心满足不了加工需求，所以常常添加一个工件旋转轴，通常称为第四轴，从而扩展立式加工中心的加工能力。添加了第四轴的立式加工中心，适合加工轴类零件、复杂曲面或通过专用夹具进行箱体等零件的多面加工[1]。

目前，使用数控机床加工盘类或者轴类零件时，需要使用定位内孔作为定位夹紧面来进行外圆、端面以及螺纹面的切削，当下大多数定位装夹通常采用人工手动夹紧，因此设计了一种新型随动尾座，可以进一步提高定位准确度，完善数控机床的自动化程度[2-3]。

本文主要介绍一种用于加工中心第四轴的新型随动尾座[4]。从结构设计等方面详细介绍了随动尾座的优势，尾座顶尖可随工件旋转，同时顶尖由气动或液压缸体推动，可实现自动伸缩，以顶紧和松开工件。

1 随动尾座的主体结构

随动尾座的主体结构如图1所示，主要包括尾座箱体、滑套、尾座主轴、推拉杆、缸体。死顶尖旋转采用前后轴承支承结构固定在尾座主轴内部，前后轴承均采用精密圆锥滚子轴承。套筒安装到尾座箱体内，套筒与尾座箱体前端密封方式采用B型橡胶防尘密封圈。尾架箱体尾端连接活塞缸体，套筒尾端与推拉杆固定连接，推拉杆尾端安装在活塞缸体内。随动尾座结构设计构思巧妙、设计合理，可配合工件的材质和中心孔特性的要求，自适应调节顶尖位置，避免了传动死顶尖不动导致的工件中心孔和顶尖之间相互磨损伤及顶尖或中心孔等现象。

结构中设计有润滑装置，通过电动泵控制稀油进行润滑，分别对运动机构中的轴承、尾座箱体以及尾座主轴等装置充分润滑，以提高工件使用寿命[5-6]。

2 随动尾座的工作方式

根据待加工工件的尺寸将随动尾座通过调整座安装在加工中心工作台的T型槽上，与立式转台组成工件旋转轴(见图2)。当机床装上待加工工件后，启动顶紧装置，顶紧装置可分为气动方式以及液动方式，系统压力基于溢流阀控制，压力可根据实际使用需求调整，2种方式均可通过额定压力使顶尖锁紧工件，实现对待加工工件的锁紧。

工件毛坯装夹到立式转台上后，缸体活塞推动推拉杆快速移动，推拉杆带动滑套和顶尖向前移动，顶向工件，使工件被快速定位夹紧，顶尖的工作压紧力与运动速度均可通过顶紧装置的压力调节。加工工件过程中，安装有顶尖的顶尖套筒随同工件一起旋转，完成加工工序。工件加工完成后，旋转轴静止，通过电磁换向阀使锁紧装置卸力，并退回到初始位置。缸体活塞后退，拉动推拉杆和滑套后移，松开工件。拆卸加工好的工件。安装另一个工件毛坯，缸体活塞重复上述动作，完成顶紧工件和松开工件的动作。为了保证工件的加工安全，增添了互锁装置，即在主轴转动工作时，退出锁紧装置，锁紧装置不会松开，只有在主轴停止工作的状态下，锁紧装置才可以实现相应操作。

3 随动尾座的通用化

根据立式加工中心的第四轴，通常由立式旋转工作台和尾座配套使用。尾座主要用来配合主轴箱支承工件或工具的部件，还有一个作用是可以安装各种钻具或镗刀，对工件进行钻孔或钻中心孔，是金属切削机床的零部件。

目前，大部分机床所使用的尾座还是普通尾座，普通尾座加工过程中，待加工的工件定位夹紧后需要手工操作的方式完成顶紧动作，因此，工作效率较低，而且工人劳动强度较大，耗时又耗力。在高效率、高质量的加工中，它已不能满足使用要求。而气动或液压尾座的顶紧、松开动作由气动或液压系统控制实现，只需几秒即可完成，并且易实现快进、工进、快退、碰停、保压等功能，操作轻松方便。这种常规的尾座基本为死顶尖，手动操作、气动或液压驱动，顶紧工件。在加工过程中，工件由旋转工作台带动进行旋转，而死顶尖不动，使得工件中心孔和顶尖之间相互磨损，伤及顶尖或者中心孔。然而随着技术的发展进步，配合工件的材质和中心孔特性的要求，需要一种顶尖可随工件旋转的随动尾座。

根据工件的种类和尺寸的不同，加工中心的第四轴选用不同规格的立式转台，常用规格在150～400 mm之间。当需要加工更大工件而选用更大规格立式转台时，通常不再选用顶尖形式的尾座。所以本文涉及的随动尾座需要匹配的立式转台规格选定在150～400 mm。立式转台的旋转中心到工作台面的距离大约为135～255 mm。为了使随动尾座可以配合不同规格的立式转台，把尾座箱体设计成固定高度135 mm，满足最小的规格使用。当配合其他规格立式转台使用时，配置过渡安装座。通过不同高度的过渡安装座，实现和不同中心高的立式转台的配合，以组成加工中心的第四轴。

4 随动尾座中顶尖的驱动方式

随动尾座可以配置气动缸体，也可以配置液压缸体，以满足不同的驱动方式的需要。传统的机床尾座采用手动结构，通过转动手柄，从而带动机床尾座内的顶尖轴向运动，实现工件的顶紧和松开。但这类机床尾座面对一些大批量加工的工况时，人工操作劳动强度大，工件的顶紧力大小不一，且又无法达到较高的精度要求。

随动尾座根据不同工件需要的顶紧力不一样，可以配置气动缸体驱动，也可以配置液压缸体驱动。气动缸体驱动优点：工作介质是取之不尽用之不竭的空气，环保、排气简单、成本低、使用压力小、安全性可靠、使用寿命长等；液压缸体驱动优点：工件的顶紧力大，运动平稳，换向冲击小，保压可靠[7]。2种驱动方式均可实现对工件的锁紧过程，可以根据实际使用需求调节相应的预紧力大小，提高了工作效率。

5 尾座主轴受力分析

5.1 尾座主轴有限元分析

应用分析软件对尾座主轴进行有限元分析，具体步骤如下：首先，应用3D绘图软件建立尾座主轴的几何模型，并对模型指定材料属性，尾座主轴材质采用合金钢，通过软件进行分析；其次，加载约束选择在尾座主轴前端和尾端圆锥滚子轴承支承处；最后，根据尾座负载情况分别加载1、2和4 kN等3种力，生成静态分析算例[8]。

5.2 结果分析

主轴受力1、2和4 kN时变形量分别如图3～图5所示。

通过上述模拟和分析，尾架主轴加载1 kN时，应力为3.574×105N/m2，位移为2.434×10-5mm；尾架主轴加载2 kN时，应力为7.147×105N/m2，位移为4.867×10-5mm；尾架主轴加载4 kN时，应力为1.429×105N/m2，位移为9.734×10-5mm。通过与尾座主轴材料的屈服力对比，加载3种力时，应力变化远小于屈服力，而且位移的变形量微小，可忽略不计。所以尾座主轴的结构尺寸设计及轴承支承位置设计满足使用要求[9]，提高了定位准确度，保证了机床的整机性能。

6 实际应用

为某公司设计了BV系列数控加工中心，基于原始的三轴加工改为了四轴加工方式。其数控加工中心的尾座结构通常是手动控制结构，基于手动方式带动尾座套筒，通过尾座上的顶尖夹紧工件，实现加工工件的定位。采用此方式控制工作效率低，工人的劳动强度大，预紧力大小不易控制，定位精度以及加工时的稳定性均难以控制，应用本文中随动尾座技术，代替了原始的手动调整模式，可以进一步提高定位准确度，完善数控机床的自动化程度[10]。