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曲柄滑塊在榫槽側(cè)拉床 C 形搖籃機構(gòu)中的應(yīng)用

2018-10-24 來源：浙江暢爾智能裝備股份有限公司作者：劉中華，劉普襄，呂曉天

摘要：將曲柄滑塊機構(gòu)應(yīng)用于自主研發(fā)的榫槽側(cè)拉床的 C 形搖籃機構(gòu)中，從而有效地保證了拉床的精度，又降低了零件加工與裝配的難度，使榫槽側(cè)拉床國產(chǎn)代替進(jìn)口成為可能。

關(guān)鍵詞：曲柄；滑塊；機構(gòu)；精度；拉床

0、引言

榫槽側(cè)拉床，是高精密機床，主要用來加工飛機發(fā)動機、汽輪機渦流盤及民用透平機械上的榫槽和榫頭，屬于國防工業(yè)的尖端裝備，國外擁有該項技術(shù)的國家對我國進(jìn)行技術(shù)封鎖。我們開發(fā)榫槽側(cè)拉床，意義不僅是代替進(jìn)口，而是體現(xiàn)我國尖端裝備的技術(shù)水平，打破西方的技術(shù)壁壘和技術(shù)封鎖，具有巨大的政治意義和社會效益。曲柄滑塊機構(gòu)是一種典型的傳動機構(gòu)，在實際應(yīng)用中主要用來傳遞動力，例如柴油發(fā)動機、蒸汽機等。榫槽的拉削過去常采用在臥式液壓內(nèi)拉床上進(jìn)行拉削，由于效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動強度大等缺點，已逐步被淘汰。我公司研制的榫槽側(cè)拉床采用臥式側(cè)向結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)剛性好，有利于保證產(chǎn)品精度與光潔度。拉削行程設(shè)計時可長可短，不受限制。可一次行程變兩種拉削速度，可滿足粗拉和精拉分開，采用兩種拉削速度的特殊要求。臥式側(cè)拉床比立拉在操作、維修等方面均較方便。

1、國外先進(jìn)高速側(cè)拉床介紹

國外著名生產(chǎn)榫槽側(cè)拉床的企業(yè)有英國的拉普波音特、美國的辛辛那提、德國的霍夫曼（機床實體如圖 1）以及日本的不二越公司（機床實體如圖 2）等。榫槽側(cè)拉床的關(guān)鍵技術(shù)就在于驅(qū)動 C 形搖籃的角度位置變換的傳動方式，國外先進(jìn)水平的企業(yè)對其一般采用兩種傳動方式：1）齒輪傳動（其中包括直齒和斜齒），如圖 3 結(jié)構(gòu)所示；2）蝸輪蝸桿傳動，如圖 4 所示。因為 C 形滑臺的結(jié)構(gòu)特點，采用齒輪傳動時，大齒輪必然要做成扇形塊；采用蝸輪蝸桿傳動時，蝸輪也必然要做成扇形狀。無論是扇形大齒輪還是扇形蝸輪，在材料力學(xué)上都存在這樣的問題：齒形的中間部位，內(nèi)應(yīng)力小，張力也小，兩端尖頂部，內(nèi)應(yīng)力大，張力也大。所以在扇形的不同位置，扇形齒輪和扇形蝸輪的齒部變形量是不一樣的，必然會影響角度精度。因為機床的精度要求較高，再結(jié)合機床的零件比較龐大，致使這兩種傳動方式對加工和裝配要求都很高，在我國現(xiàn)有的技術(shù)條件下很難達(dá)到，或者說即使達(dá)到了，生產(chǎn)成本也是很高，甚至還要付出沉重的代價，因此該機床在我國沒有研發(fā)，長期依靠進(jìn)口，這一技術(shù)難題一直未能突破，榫槽側(cè)拉床的研制工作一直沒有很大進(jìn)展。然而，真正的大型高精密榫槽側(cè)拉床是進(jìn)口不到的，我們必須突破這一瓶頸。

圖 1 德國霍夫曼榫槽側(cè)拉床實體圖

圖 2 日本不二越榫槽側(cè)拉床實體圖

圖 3 齒輪驅(qū)動 C 形搖籃機構(gòu)示意圖

圖 4 蝸輪蝸桿驅(qū)動 C 形搖籃機構(gòu)示意圖

2 、我公司研發(fā)榫槽側(cè)拉床

C 形搖籃機構(gòu)所采用的驅(qū)動方式基于上述原因，我們公司在研發(fā)榫槽側(cè)拉床時，另辟蹊徑，將曲柄滑塊機構(gòu)應(yīng)用到該機床的 C 形搖籃機構(gòu)中。曲柄滑塊機構(gòu)是一種典型的傳動機構(gòu)，在實際應(yīng)用中主要用來傳遞動力，例如柴油發(fā)動機、蒸汽機等。C 形滑臺是一種榫槽側(cè)拉床中 C 形搖籃機構(gòu)的關(guān)鍵部件，在工作時，C 形滑臺須沿著弧形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)，與 C 形滑臺中心垂直線（或水平線）形成一定的夾角。這種榫槽側(cè)拉床，對 C 形滑臺的旋轉(zhuǎn)夾角精度要求很高，定位精度：10"，重復(fù)定位精度：6"。

從圖 5 中可以看出，C 形滑臺相當(dāng)于曲柄，形成了曲柄+連桿+滑塊的曲柄滑塊機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)有兩種驅(qū)動方式：第一種：曲軸為主動軸，通過曲軸的曲柄驅(qū)動連桿，連桿不間斷地變換角度位置，從而帶動滑塊做往復(fù)直線運動；第二種：滑塊為主運動，帶動連桿運動，而連桿通過曲軸的曲柄，不間斷地變換角度位置，從而使曲軸做旋轉(zhuǎn)運動。從圖 5 中，我們可以看出，機構(gòu)的動力源在于滑塊側(cè)，采用的是第二種驅(qū)動方式。其基本工作原理：伺服電動機通過減速機、聯(lián)軸器、滾動軸承和滾珠絲杠驅(qū)動滑塊，滑塊在導(dǎo)軌內(nèi)作直線運動，再通過連桿和銷軸 I、銷軸II，帶動 C 形滑臺（相當(dāng)于曲柄）作圓周運動，從而實現(xiàn) C形滑臺面的角度偏斜。在設(shè)計時，圖 5 中 α 角度取值范圍為 17°~92°，從而有效地避開了連桿運動的拐點（即死點）。

圖 5 曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動 C 形搖籃機構(gòu)示意圖

3、數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)的工作原理并結(jié)合實際中的圖 5的工作情況，簡化機構(gòu)，可以得到滑塊直線位移與 C 形滑臺的旋轉(zhuǎn)角度位置的對應(yīng)值，建立數(shù)學(xué)模型如圖 6 所示。機構(gòu)設(shè)計完成后，OC 的長度 R、BO 的長度 L0以及 AC 的長度 L1即為定值（數(shù)值已知），由余弦定理可知：AC2=OA2+OC2-2×OA×OC × cos∠AOC 。代入相應(yīng)的數(shù)值可得L12=（L0-L）2+R2-2×R（L0-L）×cosα 。由曲柄滑塊機構(gòu)在該機床的應(yīng)用轉(zhuǎn)動范圍，可知 α的角度為 17°~92°，根據(jù)余弦函數(shù)在該區(qū)間的是單調(diào)的，另外所有的長度尺寸均為正值，且存在 L0＞L 的關(guān)系，利用現(xiàn)有設(shè)計數(shù)據(jù)，通過 EXCEL 可擬合 C 形滑臺旋轉(zhuǎn)角度值 α 與 AB 長度值 L 的函數(shù)圖像如圖 7 所示。