车床机械式自动成形加工装置设计

张连永

摘要：在普通车床上设计安装部分专门装置，即可实现锥面、曲面等特形面型的自动成形加工。本文在分析椭圆的成形原理和方法基础上，研究偏心车削椭圆截面所需的运动原理，给出了用刀具偏心驱动进给或工件偏心运动的方法及变距加工装置的性能和设计，实现刀具相对工件的往复进给来车削椭圆截面。

关键词：普通车床；自动成形；加工；设计

对于椭圆截面的车削加工的基本方法是采用偏心进给的方式，利用偏心运动机构驱动刀具或驱动工件来获得所需的车削运动轨迹。偏心进给车削法加工出非圆截面，一种是刀具偏心驱动进给方法，即利用偏心机构驱动刀具相对工件做往复进给运动；另一种是工件的偏心运动方法，即工件做偏心运动，刀具相对工件的往复进给，不但提高了加工效率，而且精度得以保证，具有较好的推广使用价值。

一、刀具偏心驱动进给原理

在车床主轴后端装有一组齿轮传动机构，其工作原理是：将机床主轴的转速经齿轮传动到偏心轮，偏心轮经定位销带动固定在中拖板上的连杆做往复运动，中拖板上刀架的车刀就随之做往复的横向进刀运动。调整齿轮传动机构，改变车床主轴和花键轴之间的转速比就可获得不同的非圆截面，如转速比为1：2时，工件每转一周，车刀将横向往复进给运动两次，工件就被车削成椭圆型面。

二、刀具偏心驱动进给设计

偏心盘可沿着花键轴作纵向移动，大拖板的纵向运动仍能用机床原有的纵向进给传动机构。椭圆的长短轴半径差值由偏心轮上的圆柱销所定的偏心距来确定，当零件长短轴尺寸改变时，可通过更换偏心轮上的圆柱销的偏心位置来实现。为了实现中拖板由偏心盘传递过来的往复横向运动，要拆除车床上原来的中拖板丝杠，并把小拖板转动90°与中拖板平行，以利用小拖板来调整切削深度的大小。

当加工不同尺寸的非圆截面零件时，偏心结构还可作一定范围内的调整。通过齿轮传动机构使主轴与偏心盘的转速比为所要求的数值。如加工椭圆时，其转速比为1：2。在偏心轮上有调节丝杠，可以调节圆柱销的位置，得到所需要的偏心距。中拖板通过连杆与圆柱销联接，当工件转一转时，车刀沿横向往复进给的次数是偏心轮与主轴的转速比，从而可加工出不同非圆截面的零件。

三、工件的偏心运动方法

工件偏心运动法加工椭圆形工件的装置，轴与车床主轴法兰盘相联，支架固定在车床床身上，利用3个螺钉使件与轴产生偏心，偏心距为a-b。件的侧面各有滑槽，二个侧面有相互垂直的凸块，分别与其他件上的滑槽配合。工件装夹在件上。当车床主轴转动时，件的中心随主轴转动的同时由于其他件的相互作用可按一定规律移动。设O为主轴中心，O'为壳体旋转中心OO'=a-b。OB和OC表示两个工件上滑槽中心线，OB绕O点旋转，O'C绕O'点旋转。主轴旋转α角后，工件的中心应在随件1转动α角后的OM线及随件2转动α角后的O'N线的交点上，即A点。

OA=OO'×sin∠AO'O=OO'×sinα=（a-b）sinα

若OC=a，根据余弦定理

若以AN为x轴，AM为y轴，则

即：x=acosα

y=bsinα

上式为椭圆的参数方程，在转动任意α角后，C点永远是以a为长半轴，b为短半轴椭圆上的一点。

另一种加工椭圆形工件的装置，该装置分为两部分，左半部分花盘与车床主轴连接，滑板装在花盘导轨内，可相对于花盘滑动，用压板固定。滑板上装有两个定位螺栓，工件以定位螺栓定位，用螺母压紧在滑板上，椭圆长轴与花盘导轨中心线重合。右半部分是偏心轴装在车床尾座内，偏心距等于椭圆长轴与短轴半径之差e，偏心中心置于椭圆短轴上。轴承壳装在偏心轴的滚动轴承上，并装有副导轨，副导轨可在件内滑动，用压板固定。副外轨背面有两定位孔，可与定位螺栓轴头结合，使花盘导轨与副导轨成90°。加工时，偏心轴的偏心方向朝外，按所加工椭圆的尺寸要求调整有关相对位置，将滑动导轨上的螺钉紧固。摇动尾座手轮，使左右两部分组成一体。松开导轨上的紧固螺钉，即可车削工件。

游动卡盘也是一种车削椭圆形工件的装置，法兰盘固定在车床主轴上，偏心销座，通过拉杆固定滑板装在法兰盘滑槽内，又与定位销相连接，定位销在偏心销座上，偏心距等于椭圆长半轴与短个轴之差。当主轴旋转时，法兰盘随之旋转，滑板随法兰盘旋转，而在偏心销轴的作用下，又作往复滑动，其运动轨迹就是一个椭圆。设主轴中心通过直角坐标系xoy的原点O，法兰盘十字架的中心与偏心孔内销轴的中心B重合，且在y轴上，滑板上的B、O点与之对应。令偏心距BO=e，在滑板的y轴上任选一点A，当法兰盘绕顺时针方向旋转α角时，滑板上A点便转至A1处，其坐标为：

x1=（AB+e）sinα

y1=（Ab+e）cosα

由于偏心座上的定位销作用，滑板沿y轴方向上滑动，滑动量为K=e-ecosα，则A点位移到A2处，其坐标：

x2=x1=（AB+e）sinα

y2=y1+K=（AB+e）cosα+e-ecosα

将坐标原点平移到B点，则A2点坐标：

x'=x2=（AB+e）sinα

y'=y2-e=ABcosα

将上式化为椭圆方程得：

即A点在x'o'y'坐标系内旋转一周时，轨迹为椭圆。椭圆中心与偏心孔中心重合，长半轴为AB+e，短半轴为AB。随着偏心孔中心B、法兰盘十字槽方位与主轴中心O相对位置的变化，其椭圆中心及焦点位置也将作相应变化。

四、变距加工装置性能及设计

1.变距加工装置性能

（1）结构简单、造价便宜、调整方便、可操作性强

从查阅的资料看，国内外有采用数控机床的加工方法，但设备复杂、工艺造价昂贵，经济加工性能差。而上述设计，是在普通车床基础之上，附加一辅助进给箱。关于普通车床，我国拥有量位居世界前列，由此，本设计的应用潜力是巨大的。另外在变距加工时，接通辅助进给箱，若进行常规加工时，可切断辅助进给传动链。这样既不影响原有机床的工艺范围，又可进行变距加工。

（2）变距范围广、产品规格多

加工不同尺寸的变距螺杆，只要根据要求调整辅助进给箱中的挂轮，改变传动比，就可调整刀具匀变速度的大小，从而满足各种不同的加工要求。

（3）产品质量好、生产率高

变距螺杆的加工，在操作上与普通螺杆加工一样，与手工“赶刀”操作相比，操作简单、质量稳定且调整简单，调整时间短，生产率高。

2.变距加工装置的设计

为使刀具作轴向匀变速移动，同时考虑结构、工艺的具体情况，我们采用在普通车床传动丝杠上加装移动导向装置和特殊辅助装置。工艺原理上，普通车床丝杠通过开合螺母带动漓板箱、刀具作匀速直线运动，完成项；在丝杠转动的同时，通过一系列传动装置、匀变速运动机构，使丝杠在轴向相对机床又产生匀加（减）速移动，完成项。这样在丝杠上任意点的运动，既有转动，又有轴向匀变速移动，最后刀具尖点的轴向运动就是匀变速运动。与主轴带工件匀速转动的复合，成形运动轨迹为变距螺旋线，工艺上可加工出变距螺杆。

结束语

（1）上述介绍的两种偏心进给车削加工非圆截面的基本方法，也可以将偏心驱动刀具同工件的偏心运动相结合，设计成偏心复合进给的车削装置。

（2）在普通车床基础上，附加全新设计的变螺距螺纹加工装置，可以十分方便地加工出符合质量技术要求的变螺距螺纹螺杆。既实现了变螺距螺纹的特殊加工，又无需要较大的投入，工艺实施过程经济性能好。

参考文献：

[1]马永林主编.机械原理[M].高等教育出版社2010.

[2]张万昌等主编.机械制造实习[M].高等教育出版社2009.

[3]黄鹤汀主编.全属切刘机来设计[M].机械工业出版社2013.