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精密制造与自动化 2016年第2期 30 适用于工件快速换型的外圆磨床改造方案 任祺明（上海机床厂有限公司 上海 200093）摘 要 经济型数控外圆磨床在切换不同的工件品种时需要较长的准备时间，在目前“小批量、多批次”的生产模式中这一缺点会被放大。针对用户工件特点，通过对机床的尾架结构进行简单改造，实现工件加工的快速切换，提高生产效率。关键词 经济型数控外圆磨床 尾架 快速切换 改造 随着国内产业转型升级的深入，传统的外圆磨床逐渐被数控外圆磨床代替。经济型数控外圆磨床以其性能稳定可靠、价格低廉等优势被众多企业所青睐。但其存在切换不同工件的品种时准备时间较长的缺点。由于在切换工件的品种时，工件的长度发生了改变，尾架主轴行程只有 30 mm，当工件之间的长度差大于这一值时就需要移动尾架来实现对工件的可靠顶紧。而尾架一经移动，头、尾架主轴孔之间的连线相对于工作台移动的平行度将会发生改变，由此带来工件加工后的圆柱度发生超差，需要反复多次对刀试切来调整。在“小批量、多批次”的生产模式中这一缺点会被放大。本文尝试通过对机床的尾架结构进行简单改造实现加工工件快速切换。1 1 方案简介方案简介 某电机公司新建生产基地，转子加工区域采用单元式布局成组加工，每天各个单元会在几种不同型号的转子中切换生产，属于典型的“小批量、多批次”的生产模式。每次加工品种的切换，单元内的经济型数控外圆磨床都需要较长的准备时间，大大降低单元整体的生产效率。因此用户对经济型数控外圆磨床加工工件快速切换有迫切的需求。由于该公司采用的是单元式布局成组加工的生产方式，因此每个加工单元所生产的工件规格比较接近，不同工件间的外形差异较小，其中轴向尺寸的差值约 100 mm 左右。针对这一特点，尝试通过增加尾架主轴行程及替换使用不同长度的顶尖，实现加工工件品种切换时，不移动尾架也可实现对工件可靠的顶紧，从而不再需要调锥。达到快速切换的目的，减少准备时间，提高生产效率。2 2 改造内容改造内容 考虑到改造成本并降低风险，尾架基本沿用原结构，仅将尾架主轴的行程增加 20 mm，从原来的30 mm 增加到 50 mm。配合替换使用加长 60 mm 的顶尖，即可满足加工单元所生产各个规格工件的需要。原尾架结构如图 1 所示。图图 1 原尾架结构原尾架结构 2.1 2.1 尾架主轴行程改造尾架主轴行程改造 为达成尾架主轴行程增加到 50mm 的目标，要对主轴进行相应的加长，并且需将尾架后部主轴移动机构中的拨杆、后盖等相关零件进行重新设计。其中拨杆这一零件由于主轴行程的增加，长度需增加 27mm。并且为满足主轴与拨杆的运动关系，需对后盖进行重新设计。将后盖整体加长加宽以确保装在其中的拨杆在杠杆带动下推动主轴运动时不发生干涉。因为拨杆在工作状态中为典型的悬臂梁结构，在作用力相同的情况下，长度的增加会使零件的内应力也相应的增加。为校核加长后的拨杆在工作状态下强度是否足够，将拨杆及其他零件装配成组件后的模型导入 ANSYS 对其进行静力学分析。任祺明 适用于工件快速换型的外圆磨床改造方案 31 添加分析必须的零件材料及接触等属性，划分网格。组件中后盖的材料为 HT150，其他零件的材料为 45 钢，材料相关性能参数如表 1 所示。表表 1 后盖组件零件材料性能参数后盖组件零件材料性能参数 材料牌号 弹性模量 E（GPa）泊松比 抗拉强度b（MPa）屈服强度b（MPa）HT150 115 0.156 150 45 钢 209 0.269 600 355 在工作状态中拨杆所受的力为弹簧力，经计算弹簧力最大值约 300N。将这一数值作为载荷加入分析，设置求解项后求解。提取计算结果后显示，拨杆处最大应力为255.34MPa。虽 未 达 到 零 件 材 料 的 屈 服 极 限（355MPa），但强度冗余不足。需对拨杆重新设计，将最大应力作用区域的截面积增大 77.8%，以减小应力，提高安全系数，并在轴肩处增大圆角防止应力集中。再次对模型进行静力学分析，结果如图 2 所示。（a）变形云图 （b）应力云图 图图 2 后盖组件分析结果后盖组件分析结果 改进后的最大应力为 87.256 MPa，应力明显下降，说明对拨杆的强化改进有明显效果。现最大应力远小于该零件的屈服极限（355 MPa），有较高安全系数，能满足强度要求。同时最大变形为发生在拨杆端部的 0.0489 mm，对于使用来说没有影响。2.2 2.2 顶尖改造顶尖改造 为检验加长 60mm 后 MT4#顶尖的支承刚性是否满足使用要求，将体壳、主轴、顶尖等零件装配成体壳组件后的模型导入 ANSYS 进行静力学分析。添加零件材料及接触等属性后，划分网格。体壳组件中后盖的材料为 HT200，主轴的材料为 40Cr，顶尖的材料为 45 钢，材料相关性能参数如表