王龙飞

(陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院, 陕西 西安 710300)

0 引 言

近些年来，我国工业继续保持着高速发展，国民经济的发展对工业发展的母机-机床，也提出了更高的要求。机床技术[1]的发展是不可阻挡的潮流趋势，对机床领域的持续性开发也具有必要性和紧迫性，这是提高我国工业生产能力的应有之策，也是推动我国产业结构持续升级改造的必要举措。机床技术[2]的发展目的是为了提升工业机械制造的等级和层次，推动加工业朝着智能化和先进化的方向发展。机床数控技术的应用不仅能够从根本上革新工业加工的现有模式，而且也能够在很大程度上体现出国家工业建设的实际水准。

数控加工[3]不但要提高效率又要保证质量，这就要求在允许的精度范围内，选择最佳的进给速度，特别在高精度模具加工中，表面质量及尺寸、形状精度要求极高，不仅需要先进的硬件和高端的软件技术，还需要通过优化系统和伺服的控制参数，从而实现软硬件的匹配高效运行。为了提高加工效率，减小装夹误差，车铣复合机床[4]发展迅速，车铣复合加工技术的特点包括：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。同时车铣复合技术也朝着先进、融合、简便、可靠、标准化方向发展。

现有的机床，绝大多数情况下，只能同时加工一个零件，笔者从机床夹持方面进行分析，设计了一款多夹持机械传动机床，该机床可同时夹持多个零件，多工序[5]同时加工，集成了铣削、锉削、磨削、钻削、攻丝以及插齿、滚齿等制造技术，无需重复装夹，生产效率高，加工精度高，具有广阔的应用前景。

1 机床结构设计

多夹持机械传动机床的设计目的是在机床上，一次完成多工序加工，无需多次装夹和定位，加工精度高、加工效率高。多夹持机械传动机床(如图1所示)，拥有3个三爪卡盘系统，可以同时夹持三个轴类零件，使用对应的刀架台系统对零件进行径向加工，包括车外圆、切断等；也可使用尾座系统对零件进行轴向加工，包括钻孔，车内孔等。零件完成一道工序的加工之后，使用电动机传动系统，可对零件进行旋转与定位，进行下一道工序的加工。

图1 机床整体结构装配三维图

多夹持机械传动机床，主要由电动机传动系统、三爪卡盘系统、刀架台系统和尾座系统组成。电动机传动系统主要作用是实现圆环的转动和定位；三爪卡盘系统主要作用是实现三爪的旋转和零件的夹持；刀架台系统主要作用是实现零件的径向加工；尾座系统主要作用是实现零件的轴向加工。

运动过程详解：电动机转动，带动小带轮转动，小带轮通过传动带带动大带轮转动。大带轮与小齿轮共轴，圆环与小齿轮组成内啮合传动，进而转动，圆环内部有3个三爪卡盘系统，实现三爪卡盘系统中三爪的转动与定位。刀架台系统可沿着机床床身的矩形直线导轨运动，实现零件的径向加工；尾座系统，通过后端手柄的转动，驱动内部的螺杆转动，实现刀柄的直线运动，完成零件的轴向加工。

2 传动系统结构设计

2.1 电动机传动系统

电动机传动系统由电动机，传动带、大小带轮、轴、小齿轮和圆环组成，如图2所示。

电动机运转，通过传送带，将运动传递给小齿轮，小齿轮啮合圆环转动，带动圆环内部3个三爪传动系统旋转定位。本次所设计的机床中所用圆环的作用是用来固定3个三爪卡盘。圆环内部的内齿与小齿轮啮合，组成内啮合。从而带动3个三爪卡盘转动，实现零件的多工序加工。

2.2 三爪卡盘系统

三爪卡盘传动系统组成：步进电机，套筒联轴器，传动轴，支撑轴承，三爪卡盘。通过步进电机传动从而带动三爪卡盘的转动，来完成零件的夹持和加工。本次项目所设计的机床，采用了3个三爪卡盘，均布于圆环内部，以此来实现多夹持功能。机床可以同时加工多个零件，机床的3个三爪卡盘，依靠小齿轮和圆环实现内啮合转动，来实现零件加工工序的转换。3个三爪卡盘的设计，避免了零件的安装、定位误差，从而提升了零件的加工精度。如图3所示。

图3 三爪卡盘图

2.3 刀架台系统

多夹持机械传动的机床的刀架台有3个刀柄，通过刀架台结构后端的齿轮齿条传动实现刀架台的直线运动。刀架台传动系统的组成：支撑轴承、轴、刀架台、刀柄、手柄、齿轮、齿条。

转动手柄，与手柄相连的齿轮将运动传递给齿条，齿条带动刀架台机身作直线运动，刀架台机身下部有一矩形导轨，安装在机床前端矩形直线导轨内，最底端有支撑轴承，支持手柄的旋转运动。刀架台传动系统具体组成如图4所示。

图4 刀架台系统图

2.4 尾座传动系统

尾座传动系统的组成包括：刀柄、套筒、螺杆、手柄。如图5所示。

图5 尾座传动系统图

此次设计机床的尾座采用了3个套筒和螺杆，在刀柄中可以安装不同的刀具如顶尖、钻头、铰刀等刀具，3个尾座系统对应车床前端的3个三爪卡盘，可以同时加工多个零件。旋转手柄，推动套筒内部的螺杆转动，进而推动尾座系统前端的刀柄前进运动，实现对零件的轴向加工。螺杆传动省力，自锁、速比大。

3 机床有限元分析

使用ABAQUS有限元分析软件，对机床床身施加不同的外部载荷，可以得到机床床身的应力云图和位移云图，如图6所示。

图6 机床床身有限元分析图

从图中可以看出机床的最大应力值为1.08×10-2MPa，即红色区域的值，没有超过机床床身材料铸钢的极限应力值，可保证机床的正常工作。机床的位移量也很小，大小为9.019×10-10，不影响机床的加工精度。机床的应力分布在三爪卡盘传动系统和刀架台传动系统，是应力最大部分，但是其余地方应力范围均匀，可以看出机床的稳定性和牢固性，从而实现多零件加工，使用寿命长。

4 结 语

此次设计的多夹持机械传动机床，结构简单，布局合理，功能强大，可以实现多个零件多个工序的一次性加工，无需装卸零件，加工安装误差小，加工效率高。通过对多夹持机械传动机床的装配仿真分析，得知该机床结构合理，无剧烈应力变化，加工过程稳定，可满足绝大多数中小企业的加工需求，为下一步产品的设计制造奠定了有意义的参考价值。