多功能机床的设计制造与应用
2020-11-20 来源： 山东鲁南机床有限公司 作者：孙彦旭
摘 要: 针对远洋船舶行业维护设备特点，研发制造了系列船用多功能机床，叙述了机床的主要设计结构特点、工作原理和主要技术参数。
关键词: 车钻复合; 凸轮抱刹机构; 技术参数
随着我国往来远洋经贸总量的蓬勃增长，船用多功能维护机床的发展远远落后于远洋经济的发展需求，针对这一特殊行业，笔者公司在产品研发和工艺制造上深耕细作，在公司多年出口船用机床日、
韩的基础上，与长期对船用多功能机床研究的国内知名大学合作，笔者发研制了 KL36B 系列多功能机床，在船用机床细分领域形成了竞争优势。
该机床整体采用轻量化设计，车床和钻床共用一台主电动机，机床尾部配装有砂轮修磨机。它与常规的卧式数控机床相比，其一显著特点是工序集中，实现了工件短加工循环［1］，提高了工件加工效率; 其二是节省作业面积，减少了工件间的搬运和储存，机床的功率充分被利用，减少了消耗。
本机床经济适用、结构紧凑、操作方便、故障率底、占用空间小，尤其适用于对机床占用空间有严格限制的船舶行业中。
1、机床的总体设计方案
由于船用多功能机床长期处于海洋波浪载荷作用下的船体振动环境中，极易产生部件的损伤或者脱落。特别是该机床只能通过螺栓与船用甲板紧固联接，其运行环境直接关联到所在船舶的波浪振动特点，所以实现机床耐波性结构设计和精度稳定性制造体系是首要任务。因此借用船舶机械设计的理念，使用 Solid-Works 软件三维建模和有限元应力分析等方法，对机床的结构轻量拓扑优化设计，主要包括总体结构的布局优化、功能结构件的适应性以及关键组件的结构可靠性。
提出集可靠性、工艺性和经济性于一体机床结构耐盐雾腐蚀设计方案［2］。床身内部采用大曲面空间构造，既减轻了重量，又有利于排屑; 箱体采用箱中箱结构设计，箱壁使用米字筋大圆弧，同样减轻了重量，降低了噪声。机床整体结构见图 1。
以普通车床为主体，左侧面加装钻车部分，右侧后挎 250 mm 厚20 mm 砂轮修磨机。
2 、机床主要结构特点和工作原理
床腿是机床的重要基础部件之一，是机床其他功能部件的载体。图 2 中机床左床腿与钻床工作台机座导轨设计为一体，实现机床耐波性轻量化设计，导轨为承载能力大、运动精度高、连接比较稳定的 55° 燕尾轨［3］; 整体采用树脂沙铸造后经时效处理，具有较强的抗震性和吸震性。
车床与钻床共用一台主电动机。传统车钻复合多功能机床是在原车床基础上增加一个标准型的钻床，车床和钻床中间用连接板联接，为两个独立的传动系统，普遍存在机床外型尺寸过大、操作不方便等缺陷。
如图 1 所示，该机床是一种紧凑型单电动机车钻多功能机床，打破了传统车钻复合机床结构的模式，在原普通车床基础上，创新设计增加钻车，车床、钻车共用一台电动机，通过钻车主轴箱内离合器结合分开，既实现车床和钻车转速的单独控制，又实现钻车主轴转速通过车床床头箱内滑移齿轮调节，利用车床主轴箱齿轮不同传动组合，实现钻车高中低三级调速; 车床六级变速。
单电动机车钻复合结构，该机床特别适用于对机床占用空间有严格限制但又需要能分别实现车、钻功能的场合。2017 年 11 月被国家知识产权局授于实用新型专利，专利号 2017113674701。其结构 见图 3、图 4。
当对工件加工时，图 1 中主电动机启动，通过三角带经图 3 中、皮带轮 3 将动力传到主轴箱体 1 内的Ⅰ轴 5。而车床主轴箱体 1 内安装有车床主轴 2、Ⅰ轴 5、Ⅱ轴 7、Ⅲ轴 10，Ⅰ轴上装有皮带轮 3 和齿轮 4，Ⅱ轴上装有齿轮 6 和齿轮 8; Ⅰ轴 5 通过齿轮 4 带动齿轮 6 转动，进而通过Ⅱ轴 7 带动齿轮 8 转动，齿轮 8 径三联滑移齿轮 9 带动Ⅲ轴 10 转动，Ⅲ轴 10 通过二联滑移齿轮 11 带动车床主轴 2 转动，三联滑移齿轮 9 和二联滑移齿轮 11 可实现车床主轴 2 六级速度变化。
图 3 中Ⅲ轴的中间皮带轮 12 通过图 4 中的三角带 11 带动钻车皮带轮 1 转动，钻车箱体 2 内的离合器3 左移结合，经过伞齿轮 4、5 带动钻车主轴 6 旋转，张紧轮 12 控制三角带 11 松紧，通过车床主轴箱中的三联滑移齿轮实现钻车主轴 6 三级速度变化。钻车箱体2 内的导向键 7 控制钻车主轴 6 直线运动，导向键 10控制套筒 9 直线运动，手把 13 控制离合器 3 的脱离、结合，手柄齿轮轴 8 安装有手柄 14，通过手柄齿轮轴 8转动带动套筒 9( 套筒侧面铣有齿) 上下往复直线运动，套筒 9 带动钻车主轴 6 直线运动，既而实现钻头、丝锥对工件的加工。
通过各自单独操作手柄，控制车床主轴箱体内Ⅲ轴上二联滑移齿轮有高、空、低三档，钻车箱体内离合器的脱离、结合二档，这样方便于实现车床主轴和钻床主轴可以同时旋转，也可以同时不旋转，更可以独自旋转。操作方便宜人，动作灵活可靠。
凸轮机械刹车。本机构是一种脚踏为动力，利用凸轮轨道实现抱刹制动，拉簧自动复位。刹车块按端面凸轮的轨迹运动，减小了整体的尺寸，结构紧凑、故障率底、维修更换方便、刹车力大等优点
。凸轮式脚踏抱刹机构 2017 年 2 月被国家知识产权局授于发明专利，专利号 ZL 2014 1 0278289．3。如图 5 所示，支撑板 14 固定在车床前床腿里侧下面。支撑板 14 安装有脚踏板 18、凸轮17、脚刹开关15。脚踏板 18 调整水平后通过螺钉固定到凸轮杆 17上。
制动拉索 8 通过螺母一端固定到凸轮杆 17 上另一端固定到拉块 13 上。滚轮 7 通过圆柱销在端面凸轮 11槽内转动，刹车片 4 通过粘合剂粘合螺钉固定安装在刹车块 2、3 内圆面上，端面凸轮 11 在螺轴 6 上转动。当机床需要刹车时，操作者用脚踏下脚踏板 18，凸轮杆 17 转动，行程开关 15 触点断开，控制机床主电动机的继电器断电，即电动机失电停转; 同时带动制动拉索 8 动作，固定在主轴箱体上的支承座 9 控制制动拉索8 的方向，通过螺杆 12、拉块 13 拉动端面凸轮 11 转动，滚轮 7 在端面凸轮 11 槽内旋转移动，带动镶在刹车块2、3 内圆面上刹车片 4 在轴 1 上转动，抱紧皮带轮 5 的内圆柱面，即实现凸轮联动刹车块抱死锁紧皮带轮，对机床刹车制动。
当操作者脚离开脚踏板 18 时，拉簧 10控制凸轮 11 复位，拉簧 16 控制凸轮杆 17复位。为了提高凸轮及转轴的使用寿命和维修的方便性，滚轮和凸轮均调质处理提高硬度增加耐磨性。机床的刹车灵敏程度由制动拉索调节，通过制动拉索两端处螺母调节，调整完成后拧紧螺母锁紧; 凸轮杆在初始位置处将脚踏板调整到水平，用紧定螺钉锁紧，凸轮杆与脚刹开关触头接触，脚刹开关采用触点常闭式，实用可靠安全。
3 、机床的主要技术参数
KL36B 系列多功能机床整体布局紧凑合理，工件加工精度为 IT7 级，车床溜板箱有左、右手轮两种，供不同操作习惯的用户选择。车床床身上最大工件回转直径 360mm，马鞍内最大工件回转直径 490 mm，最大工件长度有600、800、1200 mm 三种规格，主轴通孔直径 38mm，主轴六级转速范围 60～2 000 r/min; 纵向进给量范围 0．03～0．42mm / r，横向进给量范围 0.015 ～ 0．21 mm / r。加工螺纹范围，公制螺纹 0.25～9 mm; 英制螺纹 72－434T．P．J; 模数螺纹 025～3.5 mm; 径节螺纹 8～144 DP。
钻车主轴三级转速范围 200～750 r/min，主轴套筒圆锥孔为莫氏 4 #，最大钻孔直径 20 mm，主轴端部到工作台的最大距离为 350mm。机床主电动机功率为 2．2 k W，配有单向和三相两种不同电压供国内外用户选择，机床电气具有短路、过载、缺相、零压保护，设有急停按钮和保险机构，使机床更加安全可靠，产品符合欧盟 CE 认证。其附件配有花盘、跟刀架、中心架、螺纹乱扣盘等。
4 、结语
笔者公司设计制造的 KL36B 系列多功能机床产品，主要销售集中在远洋船舶行业。当然也适合于机械设备维修。针对船用机床受到波浪摇荡和抨击载荷的特点，不但要对如丝杠螺母副及主轴旋转、齿轮传动、导轨移动部件等进行结构耐波性设计研究; 更重要是对部件结合面，装配工艺、零件配合盈隙和动力系统从工艺操作规程上制定措施，齿轮变速主轴箱采用箱外循环润滑方式等，保证了产品质量的适用性。因此该系列机床销售实现了连续多年稳定增长，同时也带动了公司数控车床、立式加工中心的销售，取得了良好的经济效益和社会效益。
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