一种四轴精密车床的研制及应用
摘要：普通车床上车削工件内圆时，通常需要将工件拆下重新装夹才能加工工件的另一端，而拆装工件易导致安装误差，降低加工精度，且二次装夹也易造成已加工表面的夹伤。本文展示了四轴精密车床的研究成果，具体包括设计装夹两个工件的夹具，两套车削装置，而每套车削装置包括两套主轴装置。只需一次装夹，即可四轴同时运转加工两个工件。该车床特别适合两端都需要加工的工件，能极大地提高加工精度和生产效率。
普通车床加工工件的常用方法是将工件装夹在三爪卡盘上，车刀安装在刀架上，通过工件的旋转运动和车刀的直线运动，完成对工件的内外表面或端面的切削。在车削工件外圆时，通常可以采用外圆车刀进行端面车削，但是车削内圆时必须更换车刀；加工完工件的一端后，通常需要将工件拆下重新装夹才能加工工件的另一端，拆装工件易导致安装误差，从而降低加工精度；二次装夹也易造成已加工表面夹伤。
本文展示了一种四轴精密车床的结构设计和应用方法。通过设计机床夹具，一次装夹两个工件，同时设置两套车削装置，每套车削装置设置两套主轴装置，只需一次装夹，即可四轴同时运转加工两个工件。
1、四轴精密车床主要设计方案
为提高零件的加工精度和加工效率，本车床采用的主要技术方案是：在机架上设置基板，在基板上安装夹具；以夹具为中心，位于夹具的横向两侧对称位置设有两套车削装置；在基板的下方设有切削液过滤循环装置；在机架上还设有控制箱、控制面板和操作装置。本文研制的四轴车床结构示意图如图 1 和图 2 所示，机床主视图和俯视图分别见图 3 和图 4。
图 1 机床结构示意图
图 2 去除机罩的机床结构示意图
图 3 机床主视图
2、四轴精密车床主要结构及工作原理
由上述四轴精密车床结构图可以看出：在机架 1 上设有基板 2，在基板 2 上设有夹具 3（夹具结构示意图见图 5，夹具俯视图和右视图分别见图 6 和图 7）。以夹具 3 为中心，位于夹具 3 的横向两侧对称设有两套车削装置 4A 和 4B，两套车削装置结构相同（车削装置结构示意图见图 8）；在基板 2 的下方设有切削液过滤循环装置 5。夹具 3 包括安装板31，安装板 31 设在基板 2 上，在安装板 31 上设置有基座32，在基座 32 上设置有第一 V 形块 33 和第二 V 形块 34，在第一 V 形块 33 的一端位于基座 32 上设置有第一工件端面定位装置 35，在第二 V 形块 34 的一端位于基座 32 上设置有第二工件端面定位装置 36。
图 4 机床俯视图
图 5 夹具结构示意图
图 6 夹具俯视图
图 7 夹具右视图
图 8 车削装置结构示意图
第一工件端面定位装置 35 包括第一滑轨 351、第一滑块 352、第一定位块 353、第一连接块 354、第一卡扣 355和第一推拉气缸 350。第一滑轨 351 设置在基座 32 上，第一滑块 352 滑动地设置在第一滑轨 351 上，第一定位块 353设置在第一滑块 352 上，第一连接块 354 设置在第一定位块 353 上，第一卡扣 355 设置在第一连接块 354 上，第一推拉气缸 350 的活塞杆 3501 与第一卡扣 355 连接，第一推拉气缸 350 的缸体 3502 设置在安装板 31 上。活塞杆 3501驱动第一卡扣 355、第一连接块 354、第一定位块 353 和第一滑块 352，沿第一滑轨 351 上下运动给工件 310 提供定位。
第二工件端面定位装置 36 包括第二滑轨 361、第二滑块 362、第二定位块 363、第二连接块 364、第二卡扣 365和第二推拉气缸 360，第二滑轨 361 设置在基座 32 上，第二滑块 362 滑动地设置在第一滑轨 361 上，第二定位块 363设置在第二滑块 362 上，第二连接块 364 设置在第二定位块 363 上，第二卡扣 365 设置在第二连接块 364 上，第二推拉气缸 360 的活塞杆 3601 与第二卡扣 365 连接，第二推拉气缸 360 的缸体 3602 设置在安装板 31 上。活塞杆 3601驱动第二卡扣 365、第二连接块 364、第二定位块 363 和第二滑块 362 沿第二滑轨 361 上下运动给工件 311 提供定位。在基座 32 的下面设有旋转夹持装置 37，旋转夹持装置37 包括旋转轴 371、马达 372、第一夹持气缸 373、第二夹持气缸 374、第三卡扣 375、第四卡扣 376、推拉板 377、固定块 378 和压板 379。第一夹持气缸 373 和第二夹持气缸374 的缸体均固定在基座 32 上，第一夹持气缸 373 的活塞杆 3731 通过第三卡扣 375 与推拉板 377 相连，第二夹持气缸 374 的活塞杆 3741 通过第四卡扣 376 与推拉板 377 相连，固定块 378 安装在推拉板 377 上，马达 372 的本体安装在固定块 378 上，马达 372 的输出轴 3720 与旋转轴 371 的下端相连，压板 379 安装在旋转轴 371 的上端。第一夹持气缸373 的活塞杆 3731 和第二夹持气缸 374的活塞杆 3741 推动推拉板 377 带动第三卡扣 375、第四卡扣 376、推拉板 377、固定块 378、旋转轴 371、压板 379 和马达 372 上下运动为压板 379 压紧工件 310 和工件 311 提供压力，马达 372 带动旋转轴 371 旋转，方便放置和取出工件 310 和工件 311。在基座 32 的横向两侧对称设有导套座 38，导套座 38上设有导套 39。车削装置 4B 包括安装在基板 2 上的滑轨 41，滑轨 41上设有可沿滑轨 41 滑动的滑座 42。滑座 42 上靠近夹具 3的一端设有第一主轴座 43 和第二主轴座 44，第一主轴座43 上设有第一主轴装置 45，第二主轴座 44 上设有第二主轴装置 46。滑座 42 的另一端设有电动马达 47，电动马达47 的输出轴上设有主动皮带轮
470。
第一主轴装置 45 靠近夹具3的一端设有第一刀座451，第一刀座 451 上设有外圆车刀安装孔、内孔车刀安装孔和端面车刀安装孔，在外圆车刀安装孔内安装外圆车刀4511、在内孔车刀安装孔内安装内孔车刀 4512、在端面车刀安装孔内安装端面车刀 4513；第一主轴装置 45 的另一端设有第一从动皮带轮 450，第一从动皮带轮 450 与主动皮带轮 470 之间设有第一皮带 471；第二主轴装置 46 靠近夹具3 的一端设有第二刀座 461，第二刀座 461 上设有外圆车刀安装孔、内孔车刀安装孔和端面车刀安装孔，在外圆车刀安装孔内安装外圆车刀 4611、在内孔车刀安装孔内安装内孔车刀 4612、在端面车刀安装孔内安装端面车刀 4613，第二主轴装置 46 的另一端设有第二从动皮带轮 460，第二从动皮带轮 460 与主动皮带轮 470 之间设有第二皮带 472。通过在外圆车刀安装孔内安装外圆车刀、在内孔车刀安装孔内安装内孔车刀、在端面车刀安装孔内安装端面车刀，主轴装置旋转可同时加工工件的外圆、内孔和端面，可极大提到加工效率。
选用电动马达作为驱动装置，结构简单，运行可靠，噪音小。主动皮带轮和从动皮带轮之间选用皮带作为传动件，结构简单，成本低，运行噪音小。在滑座 42 上还设有导柱座 48，导柱座 48 上设有导柱49。工作时，滑座上设置的导柱与夹具的基座上的导套配合，以提高加工精度。在滑座 42 和基板 2 之间设有进给装置 40，进给装置40 包括伺服电机 400、丝杠 401、螺母 402 和固定块 403。固定块 403 设置在滑座 42 上，螺母 402 设置在固定块 403 上，伺服电机 400 固定在基板 2 上，丝杠 401 的一端与伺服电机 400 相连，丝杠 401 的另一端与螺母 402 配合。进给装置选用伺服电机作为动力，伺服电机运行精度高，能提高工件的加工精度。传动件选用丝杠，运行可靠，精度高。切削液过滤循环装置 5包括过滤筐 51、储液箱 52 和水泵 53。过滤筐 51 设在储液箱 52 的上方，过滤筐 51 底部为多孔网状结构，水泵 53 安装在机架 1 上，水泵 53 的泵头 530 设置在储液箱 52 内。基板 1 上围绕夹具 3 设有回形斜板 54，在基板 1 上回形斜板 54 围绕的区域内开有落料孔55，在基板 1 的底面上围绕落料孔 55 设有落料管 56，落料管 56 底部落料口的投影面位于过滤筐 51 内。过滤筐底部为多孔网状结构，能过滤切削下来的废料。回形斜板具有导流作用，落料管底部落料口的投影面位于过滤筐内，能使从过滤筐流下的切削液完全流入储液箱。机架 1 上设有机罩 9，机罩 9 内顶部设有照明灯（图中未示出）。在机架 1 的前面设有安全光幕 10，在机架 1 的底部设有旋转脚轮 11 和固定脚蹄 12。机架上还设有控制箱6、控制面板 7 和操作装置 8，操作装置 8 上设有启动按钮80 和急停按钮 81。机罩能防止切削液甩出，隔离加工区，防止发生安全事故。安全光幕能防止发生安全事故。在机架的底部同时设置旋转脚轮和固定脚蹄，旋转脚轮能方便移动车床，移动到预定的位置后，调整固定脚蹄的高度，使用固定脚蹄支撑车床，并可通过固定脚蹄调整车床的水平度，确保车床的加工精度。控制箱内安装控制车床的电器元件，控制面板用来设置各项参数来控制车床。操作装置上设置的启动按钮和急停按钮方便操作车床，紧急情况下可快速停机。
3、结 语
机床设置了四套主轴装置，夹具能同时装夹两个工件，通过一次装夹即可完成对工件两端外圆、内孔及端面的加工，显著提高了生产效率。该机床夹具结构合理，装夹和拆卸工件方便、可靠，并且能较好地保证工件的同轴度，极大地提高了产品的加工精度和质量，特别适合大批量生产两端都需要加工的工件。
END
来源：长沙航空职业技术学院
作者：周志平；陈勇