多功能機床的設計制造與應用
2020-11-20 來源： 山東魯南機床有限公司 作者：孫彥旭
摘 要: 針對遠洋船舶行業(yè)維護設備特點，研發(fā)制造了系列船用多功能機床，敘述了機床的主要設計結構特點、工作原理和主要技術參數(shù)。
關鍵詞: 車鉆復合; 凸輪抱剎機構; 技術參數(shù)
隨著我國往來遠洋經(jīng)貿(mào)總量的蓬勃增長，船用多功能維護機床的發(fā)展遠遠落后于遠洋經(jīng)濟的發(fā)展需求，針對這一特殊行業(yè)，筆者公司在產(chǎn)品研發(fā)和工藝制造上深耕細作，在公司多年出口船用機床日、
韓的基礎上，與長期對船用多功能機床研究的國內(nèi)知名大學合作，筆者發(fā)研制了 KL36B 系列多功能機床，在船用機床細分領域形成了競爭優(yōu)勢。
該機床整體采用輕量化設計，車床和鉆床共用一臺主電動機，機床尾部配裝有砂輪修磨機。它與常規(guī)的臥式數(shù)控機床相比，其一顯著特點是工序集中，實現(xiàn)了工件短加工循環(huán)［1］，提高了工件加工效率; 其二是節(jié)省作業(yè)面積，減少了工件間的搬運和儲存，機床的功率充分被利用，減少了消耗。
本機床經(jīng)濟適用、結構緊湊、操作方便、故障率底、占用空間小，尤其適用于對機床占用空間有嚴格限制的船舶行業(yè)中。
1、機床的總體設計方案
由于船用多功能機床長期處于海洋波浪載荷作用下的船體振動環(huán)境中，極易產(chǎn)生部件的損傷或者脫落。特別是該機床只能通過螺栓與船用甲板緊固聯(lián)接，其運行環(huán)境直接關聯(lián)到所在船舶的波浪振動特點，所以實現(xiàn)機床耐波性結構設計和精度穩(wěn)定性制造體系是首要任務。因此借用船舶機械設計的理念，使用 Solid-Works 軟件三維建模和有限元應力分析等方法，對機床的結構輕量拓撲優(yōu)化設計，主要包括總體結構的布局優(yōu)化、功能結構件的適應性以及關鍵組件的結構可靠性。
提出集可靠性、工藝性和經(jīng)濟性于一體機床結構耐鹽霧腐蝕設計方案［2］。床身內(nèi)部采用大曲面空間構造，既減輕了重量，又有利于排屑; 箱體采用箱中箱結構設計，箱壁使用米字筋大圓弧，同樣減輕了重量，降低了噪聲。機床整體結構見圖 1。
以普通車床為主體，左側面加裝鉆車部分，右側后挎 250 mm 厚20 mm 砂輪修磨機。
2 、機床主要結構特點和工作原理
床腿是機床的重要基礎部件之一，是機床其他功能部件的載體。圖 2 中機床左床腿與鉆床工作臺機座導軌設計為一體，實現(xiàn)機床耐波性輕量化設計，導軌為承載能力大、運動精度高、連接比較穩(wěn)定的 55° 燕尾軌［3］; 整體采用樹脂沙鑄造后經(jīng)時效處理，具有較強的抗震性和吸震性。
車床與鉆床共用一臺主電動機。傳統(tǒng)車鉆復合多功能機床是在原車床基礎上增加一個標準型的鉆床，車床和鉆床中間用連接板聯(lián)接，為兩個獨立的傳動系統(tǒng)，普遍存在機床外型尺寸過大、操作不方便等缺陷。
如圖 1 所示，該機床是一種緊湊型單電動機車鉆多功能機床，打破了傳統(tǒng)車鉆復合機床結構的模式，在原普通車床基礎上，創(chuàng)新設計增加鉆車，車床、鉆車共用一臺電動機，通過鉆車主軸箱內(nèi)離合器結合分開，既實現(xiàn)車床和鉆車轉速的單獨控制，又實現(xiàn)鉆車主軸轉速通過車床床頭箱內(nèi)滑移齒輪調(diào)節(jié)，利用車床主軸箱齒輪不同傳動組合，實現(xiàn)鉆車高中低三級調(diào)速; 車床六級變速。
單電動機車鉆復合結構，該機床特別適用于對機床占用空間有嚴格限制但又需要能分別實現(xiàn)車、鉆功能的場合。2017 年 11 月被國家知識產(chǎn)權局授于實用新型專利，專利號 2017113674701。其結構 見圖 3、圖 4。
當對工件加工時，圖 1 中主電動機啟動，通過三角帶經(jīng)圖 3 中、皮帶輪 3 將動力傳到主軸箱體 1 內(nèi)的Ⅰ軸 5。而車床主軸箱體 1 內(nèi)安裝有車床主軸 2、Ⅰ軸 5、Ⅱ軸 7、Ⅲ軸 10，Ⅰ軸上裝有皮帶輪 3 和齒輪 4，Ⅱ軸上裝有齒輪 6 和齒輪 8; Ⅰ軸 5 通過齒輪 4 帶動齒輪 6 轉動，進而通過Ⅱ軸 7 帶動齒輪 8 轉動，齒輪 8 徑三聯(lián)滑移齒輪 9 帶動Ⅲ軸 10 轉動，Ⅲ軸 10 通過二聯(lián)滑移齒輪 11 帶動車床主軸 2 轉動，三聯(lián)滑移齒輪 9 和二聯(lián)滑移齒輪 11 可實現(xiàn)車床主軸 2 六級速度變化。
圖 3 中Ⅲ軸的中間皮帶輪 12 通過圖 4 中的三角帶 11 帶動鉆車皮帶輪 1 轉動，鉆車箱體 2 內(nèi)的離合器3 左移結合，經(jīng)過傘齒輪 4、5 帶動鉆車主軸 6 旋轉，張緊輪 12 控制三角帶 11 松緊，通過車床主軸箱中的三聯(lián)滑移齒輪實現(xiàn)鉆車主軸 6 三級速度變化。鉆車箱體2 內(nèi)的導向鍵 7 控制鉆車主軸 6 直線運動，導向鍵 10控制套筒 9 直線運動，手把 13 控制離合器 3 的脫離、結合，手柄齒輪軸 8 安裝有手柄 14，通過手柄齒輪軸 8轉動帶動套筒 9( 套筒側面銑有齒) 上下往復直線運動，套筒 9 帶動鉆車主軸 6 直線運動，既而實現(xiàn)鉆頭、絲錐對工件的加工。
通過各自單獨操作手柄，控制車床主軸箱體內(nèi)Ⅲ軸上二聯(lián)滑移齒輪有高、空、低三檔，鉆車箱體內(nèi)離合器的脫離、結合二檔，這樣方便于實現(xiàn)車床主軸和鉆床主軸可以同時旋轉，也可以同時不旋轉，更可以獨自旋轉。操作方便宜人，動作靈活可靠。
凸輪機械剎車。本機構是一種腳踏為動力，利用凸輪軌道實現(xiàn)抱剎制動，拉簧自動復位。剎車塊按端面凸輪的軌跡運動，減小了整體的尺寸，結構緊湊、故障率底、維修更換方便、剎車力大等優(yōu)點
。凸輪式腳踏抱剎機構 2017 年 2 月被國家知識產(chǎn)權局授于發(fā)明專利，專利號 ZL 2014 1 0278289．3。如圖 5 所示，支撐板 14 固定在車床前床腿里側下面。支撐板 14 安裝有腳踏板 18、凸輪17、腳剎開關15。腳踏板 18 調(diào)整水平后通過螺釘固定到凸輪桿 17上。
制動拉索 8 通過螺母一端固定到凸輪桿 17 上另一端固定到拉塊 13 上。滾輪 7 通過圓柱銷在端面凸輪 11槽內(nèi)轉動，剎車片 4 通過粘合劑粘合螺釘固定安裝在剎車塊 2、3 內(nèi)圓面上，端面凸輪 11 在螺軸 6 上轉動。當機床需要剎車時，操作者用腳踏下腳踏板 18，凸輪桿 17 轉動，行程開關 15 觸點斷開，控制機床主電動機的繼電器斷電，即電動機失電停轉; 同時帶動制動拉索 8 動作，固定在主軸箱體上的支承座 9 控制制動拉索8 的方向，通過螺桿 12、拉塊 13 拉動端面凸輪 11 轉動，滾輪 7 在端面凸輪 11 槽內(nèi)旋轉移動，帶動鑲在剎車塊2、3 內(nèi)圓面上剎車片 4 在軸 1 上轉動，抱緊皮帶輪 5 的內(nèi)圓柱面，即實現(xiàn)凸輪聯(lián)動剎車塊抱死鎖緊皮帶輪，對機床剎車制動。
當操作者腳離開腳踏板 18 時，拉簧 10控制凸輪 11 復位，拉簧 16 控制凸輪桿 17復位。為了提高凸輪及轉軸的使用壽命和維修的方便性，滾輪和凸輪均調(diào)質處理提高硬度增加耐磨性。機床的剎車靈敏程度由制動拉索調(diào)節(jié)，通過制動拉索兩端處螺母調(diào)節(jié)，調(diào)整完成后擰緊螺母鎖緊; 凸輪桿在初始位置處將腳踏板調(diào)整到水平，用緊定螺釘鎖緊，凸輪桿與腳剎開關觸頭接觸，腳剎開關采用觸點常閉式，實用可靠安全。
3 、機床的主要技術參數(shù)
KL36B 系列多功能機床整體布局緊湊合理，工件加工精度為 IT7 級，車床溜板箱有左、右手輪兩種，供不同操作習慣的用戶選擇。車床床身上最大工件回轉直徑 360mm，馬鞍內(nèi)最大工件回轉直徑 490 mm，最大工件長度有600、800、1200 mm 三種規(guī)格，主軸通孔直徑 38mm，主軸六級轉速范圍 60～2 000 r/min; 縱向進給量范圍 0．03～0．42mm / r，橫向進給量范圍 0.015 ～ 0．21 mm / r。加工螺紋范圍，公制螺紋 0.25～9 mm; 英制螺紋 72－434T．P．J; 模數(shù)螺紋 025～3.5 mm; 徑節(jié)螺紋 8～144 DP。
鉆車主軸三級轉速范圍 200～750 r/min，主軸套筒圓錐孔為莫氏 4 #，最大鉆孔直徑 20 mm，主軸端部到工作臺的最大距離為 350mm。機床主電動機功率為 2．2 k W，配有單向和三相兩種不同電壓供國內(nèi)外用戶選擇，機床電氣具有短路、過載、缺相、零壓保護，設有急停按鈕和保險機構，使機床更加安全可靠，產(chǎn)品符合歐盟 CE 認證。其附件配有花盤、跟刀架、中心架、螺紋亂扣盤等。
4 、結語
筆者公司設計制造的 KL36B 系列多功能機床產(chǎn)品，主要銷售集中在遠洋船舶行業(yè)。當然也適合于機械設備維修。針對船用機床受到波浪搖蕩和抨擊載荷的特點，不但要對如絲杠螺母副及主軸旋轉、齒輪傳動、導軌移動部件等進行結構耐波性設計研究; 更重要是對部件結合面，裝配工藝、零件配合盈隙和動力系統(tǒng)從工藝操作規(guī)程上制定措施，齒輪變速主軸箱采用箱外循環(huán)潤滑方式等，保證了產(chǎn)品質量的適用性。因此該系列機床銷售實現(xiàn)了連續(xù)多年穩(wěn)定增長，同時也帶動了公司數(shù)控車床、立式加工中心的銷售，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
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