珍珠棉复杂回转曲面加工装置结构设计

孟 琪 关 元 艾鹏先 冉 东 刘玉雪

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

1 传动系统设计

1.1 电机选择

珍珠棉块，主轴，装夹总质量为20kg，假设其为一质量分布均匀的长方体，长宽均960mm，工件正常转速为 300r/min。Ta1=1/12×20×(2×0.962)×5=15360N·mm；切削时在轴上产生的扭矩平均约为 5000N·mm工作扭矩 Ta=Ta1+T=20360N·mm；惯性扭矩Tb=W×a×L，W为负载质量，a为启动加速度，负载到转轴距离是800mm，故 Tb=200×0.1×10×0.8=160000N·mm，故启动转矩为T=Ta+Tb=160+15.36=175360N·m。

综上所述这里选取电机型号为Y315S2-2-B3，其同步转速为1000r/min，功率为0.75kW。

1.2 带传动设计

在电机与机床主轴之间采取带传动，由于传动比较大，结构紧凑，需要较大的摩擦力，因此选用普通V带进行传动。为了减少加工成本，容易装配，带轮选用实心式结构，材料采用HT150，带轮与电机主轴和机床主轴采取普通平键连接，间隙配合。

选择带型，根据计算功率为0.825，小带轮转速为1000r/min，选择Z型V带传动。确定小带轮基准直径，dd1=50mm，转速300r/min，传动中心距a0=1000，带长根据基准取Ld=2480mm。

考虑带轮的制造误差，带长误差，带的弹性误差，和因为带的松弛产生的补充张紧需要，带的中心距变动范围如下：amin=a-0.015Ld=1044mm；amax=a+0.03Ld=1155mm。

轮毂采用实心式，与传动轴之间采用普通平键连接。传动轴公称直径为50mm，查阅手册，平键尺寸为b=14mm，h=9mm，键长L=100mm，键的材料采用45钢。

1.3 轴的设计

为降低轴的重量，降低能量损失，减少冲击载荷，提高加工精度，使用空心轴，材料为45钢，进行正火回火处理增强其强度与硬度。初定外径为50mm，内径为3mm，与带轮采用普通平键连接实现带轮与轴的周向定位，与机架用滚动轴承连接，与法兰盘用M50螺纹连接。

由于轴上开有键槽，对于直径d≤100mm的轴，当开有一个键槽时，应将其轴径增大5%～7%。由于这里的轴径50＜100，开有一个键槽，将轴径增大5%～7%，这里取7%，故有d≥（1+0.7）17.6=29.92。

2 进给系统设计

水平进给设计：要实现对珍珠棉复杂回转曲面的加工，必须实现实现两个自由度的移动，为降低成本，采取分层，将两个自由度的移动放在不同的高度，中间用移动板连接这样就实现了加工面的准确移动。见图1。

图1 轴向进给模型图

径向进给：在径向需要大于加工曲面的回转半径，加工的曲面半径为400mm，考虑到退刀需要留出足够的空间，初定径向进给为900mm。径向进给采取光轴导轨实现移动，光轴长度为950mm。同时利用丝杠实现进给，丝杠长度为1200mm，直径为20mm，螺纹长度为1000mm。见图2。

图2 径向进给模型图

步进电机设计：由于径向进给在加工过程中需要一直保持进给，而且径向加工为曲线为了保证加工的粗糙度满足要求，提高加工质量，因此将丝杠连接步进电机用单片机实现控制。用梅花联轴器实现步进电机轴与丝杠的连接。为了确保步进电机的动作准确性，有如下要求：满足每秒径向进给10mm，而且要确保其可以反转，这样可以避免移动刀具位置浪费时间，提高加工效率，即每40s后实现反转。

3 装夹支撑设计

要实现将珍珠棉固定在装夹板上，利用四个L型卡爪，同时与装夹板用螺钉连接，挡片防止珍珠棉在加工工程中由于轴向震动脱落，同时为实现对不同尺寸规格的珍珠棉加工，极大地提高了机床的通用性，操作简单，固定可靠。

3.1 机架设计

为了节约资金，减少质量，增加强度，加工难度，机架采取 70×70×7 Q235B 和 80×80×7 Q235B角钢用电焊焊接在一起。机床结构设计：为降低成本采用框架式焊接，中间用铁皮焊接一个梯形切削废料箱，负责承接加工中产生的切削废料，同时集装主轴，防止对人造成意外伤害设置了铁皮罩子进行保护。

3.2 刀架设计

刀具要在活动架上移动并且还要实现对刀杆的固定。两边两个孔固定在光轴上可以实现自由移动，中间的空孔固定在丝杠上可以实现径向的进给，同时上面的矩形槽防止刀杆，上面用螺钉固定挡片，实现拆卸和安装。采取整体加工保证三个空位置精度，消除轴向误差，提高刀头加工精度。见图3。

图3 刀架模型图

刀杆设计：刀杆采取后面为矩形方杆，安装时放置在刀架中，用挡片进行固定，前面用螺纹连接刀头，螺纹旋向与加工时刀头所受扭矩方向相反，加工时可以实现自锁，保证加工时刀头不会晃动，确保加工精度。矩形刀杆固定在刀架上的方形槽里不易转动更加稳定，螺纹连接刀头拆卸更加方便，可以随时更换。刀杆要便于加工，同时具有较强的刚度，保证加工时刀具轴线，不会因为受到外力影响发生较大的变形。因此采用45钢进行加工。见图4。

图4 刀杆模型图

3.3 珍珠棉复杂回转曲面加工装置总装图

加工装置总装图见图5、图6。

图5 珍珠棉复杂回转曲面加工装置三视图

图6 珍珠棉复杂回转曲面加工装置三维模型