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: 針對遠洋船舶行業維護設備特點，研發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。
關鍵詞: 車鉆復合; 凸輪抱剎機構; 技術參數
隨著我國往來遠洋經貿總量的蓬勃增長，船用多功能維護機床的發展遠遠落后于遠洋經濟的發展需求，針對這一特殊行業，筆者公司在產品研發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知名大學合作，筆者發研制了 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。它與常規的臥式數控機床相比，其一顯著特點是工序集中，實現了工件短加工循環［1］，提高了工件加工效率; 其二是節省作業面積，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境中，極易產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接，其運行環境直接關聯到所在船舶的波浪振動特點，所以實現機床耐波性結構設計和精度穩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化設計，主要包括總體結構的布局優化、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、工藝性和經濟性于一體機床結構耐鹽霧腐蝕設計方案［2］。床身內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、連接比較穩定的 55° 燕尾軌［3］; 整體采用樹脂沙鑄造后經時效處理，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接，為兩個獨立的傳動系統，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，打破了傳統車鉆復合機床結構的模式，在原普通車床基礎上，創新設計增加鉆車，車床、鉆車共用一臺電動機，通過鉆車主軸箱內離合器結合分開，既實現車床和鉆車轉速的單獨控制，又實現鉆車主軸轉速通過車床床頭箱內滑移齒輪調節，利用車床主軸箱齒輪不同傳動組合，實現鉆車高中低三級調速; 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車、鉆功能的場合。2017 年 11 月被國家知識產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，通過三角帶經圖 3 中、皮帶輪 3 將動力傳到主軸箱體 1 內的Ⅰ軸 5。而車床主軸箱體 1 內安裝有車床主軸 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 徑三聯滑移齒輪 9 帶動Ⅲ軸 10 轉動，Ⅲ軸 10 通過二聯滑移齒輪 11 帶動車床主軸 2 轉動，三聯滑移齒輪 9 和二聯滑移齒輪 11 可實現車床主軸 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 內的離合器3 左移結合，經過傘齒輪 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滑移齒輪實現鉆車主軸 6 三級速度變化。鉆車箱體2 內的導向鍵 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Ⅲ軸上二聯滑移齒輪有高、空、低三檔，鉆車箱體內離合器的脫離、結合二檔，這樣方便于實現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、剎車力大等優點
。凸輪式腳踏抱剎機構 2017 年 2 月被國家知識產權局授于發明專利，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 槽內旋轉移動，帶動鑲在剎車塊2、3 內圓面上剎車片 4 在軸 1 上轉動，抱緊皮帶輪 5 的內圓柱面，即實現凸輪聯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節，通過制動拉索兩端處螺母調節，調整完成后擰緊螺母鎖緊; 凸輪桿在初始位置處將腳踏板調整到水平，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
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，馬鞍內最大工件回轉直徑 490 mm，最大工件長度有600、800、1200 mm 三種規格，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; 模數螺紋 025～3.5 mm; 徑節螺紋 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 系列多功能機床產品，主要銷售集中在遠洋船舶行業。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從工藝操作規程上制定措施，齒輪變速主軸箱采用箱外循環潤滑方式等，保證了產品質量的適用性。因此該系列機床銷售實現了連續多年穩定增長，同時也帶動了公司數控車床、立式加工中心的銷售，取得了良好的經濟效益和社會效益。
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