基于液壓動(dòng)力頭的輪軸鉆銑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王海艷　宋愛利　王娜　李煥章

【摘 要】目前，國內(nèi)外大部分機(jī)床處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，功能相對(duì)單一，工作效率提高受限。帶有孔和槽的輪軸是混凝土攪拌機(jī)的主要零件之一，需求量大，設(shè)計(jì)一種用于鉆銑加工輪軸類零件的機(jī)床勢(shì)在必行。本著工序集中的原則，設(shè)計(jì)一種鉆銑一體加工輪軸類零件的機(jī)床，采用液壓動(dòng)力頭，將鉆徑向孔、銑鍵槽兩道工序合二為一，工件裝夾方便，加工時(shí)間短，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，從而大大提高生產(chǎn)效率，改善企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】液壓動(dòng)力頭；輪軸；鉆銑

中圖分類號(hào)： P634.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）36-0027-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.012

【Abstract】At present，most of the machine tools are in a single machine running state， and their functions are relatively single，and their working efficiency is limited. The axle with holes and milling grooves is one of the main parts of the concrete mixer，and the demand is very large.It is imperative to design a machine tool for drilling and milling wheel shaft parts.In accordance with the principle of working procedure centralization，the designed machine tool uses the hydraulic power head to combine the two processes of drilling radial hole and milling keyway together.The workpiece is easy to clamp，and the processing time is short.It can realize batch production，thus greatly improving the production efficiency and the economic efficiency of the enterprise.

【Key words】Hydraulic power head；Wheel shaft；Drilling and milling

0 引言

隨著金屬切削制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的加工方式以及普通的分散式CNC加工方式已不能完全滿足機(jī)床用戶對(duì)復(fù)雜零件的加工要求。將不同的加工技術(shù)集中在同一臺(tái)機(jī)床上完成的集約式復(fù)合加工方式，成為未來機(jī)床發(fā)展的重要趨勢(shì)。目前，混凝土攪拌機(jī)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國防、水利、市政和民用等基礎(chǔ)建設(shè)工程中。設(shè)計(jì)一種能夠同時(shí)進(jìn)行鉆銑加工的機(jī)床，主要用于加工混凝土攪拌機(jī)上所使用的輪軸類零件，裝夾方便，自動(dòng)化程度較高，加工時(shí)間縮短，大大提高了生產(chǎn)效率。

1 基于液壓動(dòng)力頭的輪軸鉆銑機(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.1 輪軸基本尺寸的確定

設(shè)計(jì)一種用于加工混凝土攪拌機(jī)所使用的輪軸類零件的鉆銑機(jī)，經(jīng)過調(diào)查研究和分析各種規(guī)格輪軸的共性特征之后，確定輪軸基本尺寸，并根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆銑機(jī)的設(shè)計(jì)。輪軸的基本尺寸見圖1。

1.2 主要技術(shù)性能與指標(biāo)

（1）刀具材料為高速鋼或硬質(zhì)合金；

（2）鉆孔：主軸最高轉(zhuǎn)速為2800r/min，進(jìn)給量可調(diào)；

（3）銑槽：主軸最高轉(zhuǎn)速為2800r/min，進(jìn)給量可調(diào)；

（4）鉆孔直徑φ1～φ8mm；

（5）銑槽寬度1～8mm；

（6）鉆孔最大行程85mm；

（7）油壓20～30kg/cm2；

（8）銑槽最大行程200mm。

1.3 基于液壓動(dòng)力頭的輪軸鉆銑機(jī)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件以及給定的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能要求確定機(jī)床總體設(shè)計(jì)方案。如果要加工圖1所示的尺寸要求的輪軸，需考慮輪軸需要加工的具體位置方向。輪軸兩個(gè)徑向孔需要二道工序?qū)崿F(xiàn)，還需單獨(dú)安排銑槽工序，因此需要有相應(yīng)的鉆頭和銑刀，以保證加工出合適的孔和槽。槽的加工方式為徑向下刀、軸向進(jìn)給、徑向退刀，鉆孔同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)互為90度的徑向孔，均是徑向下刀、徑向進(jìn)給、徑向退刀。

1.4 輪軸鉆銑機(jī)的組成及功能

基于液壓動(dòng)力頭的輪軸鉆銑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合了傳統(tǒng)鉆床和銑床的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)鉆床、銑床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要結(jié)構(gòu)由鉆孔裝置、銑槽裝置、機(jī)架、液壓動(dòng)力裝置、工件夾緊定位裝置和控制裝置六個(gè)部分組成。首先，輪軸毛坯件裝夾在夾緊定位裝置上，通過控制裝置輸入加工程序，由液壓動(dòng)力裝置和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)鉆孔裝置和一個(gè)銑槽裝置對(duì)輪軸進(jìn)行鉆銑加工?；谝簤簞?dòng)力頭的輪軸鉆銑機(jī)三維建模見圖2。

1.5 鉆銑機(jī)傳動(dòng)方式的選擇

目前常用的傳動(dòng)方式有：氣壓和液壓傳動(dòng)。氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)主要有：以空氣為介質(zhì)，成本低；工作介質(zhì)粘度很小，壓力損失小，工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不易發(fā)生過熱現(xiàn)象。其缺點(diǎn)是工作壓力低，速度穩(wěn)定性差，噪聲大，在相同的輸出力的情況下，氣壓傳動(dòng)裝置比液壓傳動(dòng)裝置尺寸大。而液壓傳動(dòng)采用油管連接，可方便靈活地布置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，且液壓傳動(dòng)裝置重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化時(shí)速度較穩(wěn)定。借助閥或變量泵、變量馬達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。綜合考慮，該輪軸鉆銑機(jī)選擇液壓傳動(dòng)。

1-第一鉆孔機(jī)構(gòu)；2-銑槽機(jī)構(gòu)；3-夾持機(jī)構(gòu)；4-動(dòng)力機(jī)構(gòu)；5-機(jī)架底座；6-第二鉆孔機(jī)構(gòu)；7-鉆刀架；

8-銑刀運(yùn)動(dòng)軌道

2 基于液壓動(dòng)力頭的輪軸鉆銑機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 液壓動(dòng)力頭的選擇

動(dòng)力頭的預(yù)選方案有兩種，一種是氣動(dòng)式，一種是液壓式。氣動(dòng)動(dòng)力頭與液壓式動(dòng)力頭在同等體積下，液壓裝置能產(chǎn)生出更大的動(dòng)力，調(diào)速范圍更大更加適合鉆刀的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而氣動(dòng)式產(chǎn)生動(dòng)力較小，不能保證加工精度和穩(wěn)定性[8]。使用液壓動(dòng)力頭打鉆，是普通動(dòng)力頭的3倍速度；液壓動(dòng)力頭采用了恒功率無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)，是調(diào)速更加方便；具有成孔速度快、鉆孔質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)[9]。因此鉆孔動(dòng)力頭選取液壓式動(dòng)力頭。

根據(jù)輪軸尺寸和加工的技術(shù)指標(biāo)的具體要求，計(jì)算電機(jī)功率選擇動(dòng)力頭型號(hào)。根據(jù)選定的切削用量（主要指切削速度v及進(jìn)給量f）來確定切削力、切削扭矩、切削功率，用以選擇電動(dòng)功率。按照經(jīng)濟(jì)地選擇滿足加工要求的原則，鉆頭直徑D=8mm，由于被加工零件為灰鑄鐵且硬度為HB241-170，進(jìn)給量f=0.15mm/r、切削速度v=15m/min，由此計(jì)算出=1150.30N，切削扭矩=2874.88N·mm，切削功率p切=0.176kw，所需電動(dòng)機(jī)功率P電=0.22KW。

電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)大于計(jì)算功率，并結(jié)合主軸要求的轉(zhuǎn)速大小選擇。因此，選擇D5型油壓鉆孔動(dòng)力頭，具體參數(shù)見表1。由于兩個(gè)鉆孔動(dòng)力頭和一個(gè)銑槽動(dòng)力頭要求基本相同，因此選用相同型號(hào)動(dòng)力頭。

2.2 輪軸夾具的設(shè)計(jì)

工件的夾具通常分為通用夾具、專用夾具、組合夾具、拼裝夾具、通用可調(diào)夾具等，設(shè)計(jì)的輪軸鉆銑機(jī)采用基于V型塊的專用夾具。根據(jù)輪軸的夾緊定位方式不同，提出兩種關(guān)于夾裝輪軸方式的預(yù)選方案：兩個(gè)V型塊垂直裝夾和V型塊與定位套的組合裝夾，具體見圖3、圖4。

采用兩個(gè)V型塊垂直夾裝成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但加工空間小，易損壞刀頭。采用V型塊的組合夾裝加工空間大，加工方便，安全性強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。綜合兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合實(shí)際要求選擇安全性較高，加工難度較低的V型塊組合夾裝。

2.3 輪軸鉆銑機(jī)機(jī)架關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

輪軸鉆銑機(jī)機(jī)架主要包括機(jī)床平臺(tái)、銑刀運(yùn)動(dòng)軌道、鉆刀架和機(jī)架底座等部分。機(jī)床平臺(tái)上安裝液壓馬達(dá)和銑刀動(dòng)力頭。銑刀動(dòng)力頭運(yùn)動(dòng)軌道是銑刀動(dòng)力頭運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，便于銑刀進(jìn)行軸向銑鍵槽運(yùn)動(dòng)。鉆頭動(dòng)力頭架用來連接承載兩個(gè)鉆刀液壓動(dòng)力頭模塊。機(jī)床底座用來承載機(jī)床底座以上所有機(jī)構(gòu)，也是液壓泵站的保護(hù)罩。銑刀運(yùn)動(dòng)軌道、鉆刀架和機(jī)架底座等三維建模見圖5、圖6、圖7、圖8。

2.5 基于液壓動(dòng)力頭的輪軸鉆銑機(jī)穩(wěn)定性分析

對(duì)基于液壓動(dòng)力頭的輪軸鉆銑機(jī)各部件進(jìn)行裝配后，利用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。利用質(zhì)量屬性功能測(cè)量裝配體的重心位置，確定裝配后的鉆銑機(jī)是否可以穩(wěn)定站立。在確定好裝配體各零件材料之后SolidWorks會(huì)自動(dòng)生成裝配體的質(zhì)量以及重心位置等數(shù)據(jù)，見圖9。

裝配后由SolidWorks質(zhì)量屬性得出：機(jī)床的重心為（X=102.112，Y=-95.951，Z=816.781），測(cè)量后機(jī)床重心位置約在機(jī)床的中下部。此時(shí)機(jī)床側(cè)邊的鉆孔液壓動(dòng)力頭處于最小行程狀態(tài)，在進(jìn)行鉆孔加工時(shí)機(jī)床主軸會(huì)發(fā)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，又因?yàn)殂@孔液壓動(dòng)力頭在機(jī)床的側(cè)邊伸出距離較遠(yuǎn)，即鉆孔液壓動(dòng)力頭的最大行程和最小行程會(huì)影響機(jī)床重心的位置，因此需討論側(cè)邊鉆孔液壓動(dòng)力頭在最大行程時(shí)裝配體重心的位置。在調(diào)整液壓動(dòng)力頭主軸位置之后，測(cè)得機(jī)床重心為（X=102.112，Y=-96.256，Z=816.781），相較最小量程重心位置幾乎沒有明顯變化，重心依然在裝配體的中下部，因此，裝配后的機(jī)床可以穩(wěn)定站立。

3 結(jié)束語

本文研究的基于液壓動(dòng)力頭的輪軸鉆銑機(jī)是在普通鉆床、銑床的基礎(chǔ)上，將鉆徑向孔、銑鍵槽兩道工序合二為一，縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，改善企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。符合世界機(jī)床高速、高效率、功能復(fù)合化的發(fā)展方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李慧娟.軸類零件在夾具中的定位分析與研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（09）：50-51.

[2]張侃楞.轉(zhuǎn)向節(jié)螺紋孔多軸鉆四工位組合機(jī)床的設(shè)計(jì)[J].汽車制造技術(shù)，2015：165-167.

[3]胡萬強(qiáng).臥式雙面銑削組合機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2013：84-86.

[4]張曙.中國機(jī)床工業(yè)的回顧與展望[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2016，45（01）：10-11.

[5]王巖，郝寶珠.數(shù)控銑床工作臺(tái)與床身設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（06）：139.

[6]何嬌.基于有限元的機(jī)床導(dǎo)軌磨損擬合模型及可靠性研究[D].重慶大學(xué)，2016.