基于液压动力头的轮轴钻铣机结构设计

【摘 要】目前，国内外大部分机床处于单机运行状态，功能相对单一，工作效率提高受限。带有孔和槽的轮轴是混凝土搅拌机的主要零件之一，需求量大，设计一种用于钻铣加工轮轴类零件的机床势在必行。本着工序集中的原则，设计一种钻铣一体加工轮轴类零件的机床，采用液压动力头，将钻径向孔、铣键槽两道工序合二为一，工件装夹方便，加工时间短，能够实现批量生产，从而大大提高生产效率，改善企业经济效益。

【关键词】液压动力头；轮轴；钻铣

中图分类号： P634.31 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）36-0027-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.012

【Abstract】At present，most of the machine tools are in a single machine running state， and their functions are relatively single，and their working efficiency is limited. The axle with holes and milling grooves is one of the main parts of the concrete mixer，and the demand is very large.It is imperative to design a machine tool for drilling and milling wheel shaft parts.In accordance with the principle of working procedure centralization，the designed machine tool uses the hydraulic power head to combine the two processes of drilling radial hole and milling keyway together.The workpiece is easy to clamp，and the processing time is short.It can realize batch production，thus greatly improving the production efficiency and the economic efficiency of the enterprise.

【Key words】Hydraulic power head；Wheel shaft；Drilling and milling

0 引言

隨着金属切削制造业的蓬勃发展，传统的加工方式以及普通的分散式CNC加工方式已不能完全满足机床用户对复杂零件的加工要求。将不同的加工技术集中在同一台机床上完成的集约式复合加工方式，成为未来机床发展的重要趋势。目前，混凝土搅拌机广泛地应用于工业、农业、交通、国防、水利、市政和民用等基础建设工程中。设计一种能够同时进行钻铣加工的机床，主要用于加工混凝土搅拌机上所使用的轮轴类零件，装夹方便，自动化程度较高，加工时间缩短，大大提高了生产效率。

1 基于液压动力头的轮轴钻铣机的总体设计

1.1 轮轴基本尺寸的确定

设计一种用于加工混凝土搅拌机所使用的轮轴类零件的钻铣机，经过调查研究和分析各种规格轮轴的共性特征之后，确定轮轴基本尺寸，并根据此数据进行钻铣机的设计。轮轴的基本尺寸见图1。

1.2 主要技术性能与指标

（1）刀具材料为高速钢或硬质合金；

（2）钻孔：主轴最高转速为2800r/min，进给量可调；

（3）铣槽：主轴最高转速为2800r/min，进给量可调；

（4）钻孔直径φ1～φ8mm；

（5）铣槽宽度1～8mm；

（6）钻孔最大行程85mm；

（7）油压20～30kg/cm2；

（8）铣槽最大行程200mm。

1.3 基于液压动力头的轮轴钻铣机设计方案

根据现场条件以及给定的设计参数和性能要求确定机床总体设计方案。如果要加工图1所示的尺寸要求的轮轴，需考虑轮轴需要加工的具体位置方向。轮轴两个径向孔需要二道工序实现，还需单独安排铣槽工序，因此需要有相应的钻头和铣刀，以保证加工出合适的孔和槽。槽的加工方式为径向下刀、轴向进给、径向退刀，钻孔同时进行两个互为90度的径向孔，均是径向下刀、径向进给、径向退刀。

1.4 轮轴钻铣机的组成及功能

基于液压动力头的轮轴钻铣机结构设计结合了传统钻床和铣床的优点，对传统钻床、铣床进行优化设计。主要结构由钻孔装置、铣槽装置、机架、液压动力装置、工件夹紧定位装置和控制装置六个部分组成。首先，轮轴毛坯件装夹在夹紧定位装置上，通过控制装置输入加工程序，由液压动力装置和电机驱动两个钻孔装置和一个铣槽装置对轮轴进行钻铣加工。基于液压动力头的轮轴钻铣机三维建模见图2。

1.5 钻铣机传动方式的选择

目前常用的传动方式有：气压和液压传动。气压传动的优缺点主要有：以空气为介质，成本低；工作介质粘度很小，压力损失小，工作环境适应性强，不易发生过热现象。其缺点是工作压力低，速度稳定性差，噪声大，在相同的输出力的情况下，气压传动装置比液压传动装置尺寸大。而液压传动采用油管连接，可方便灵活地布置传动机构，且液压传动装置重量轻、结构紧凑、惯性小。传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速。综合考虑，该轮轴钻铣机选择液压传动。

1-第一钻孔机构；2-铣槽机构；3-夹持机构；4-动力机构；5-机架底座；6-第二钻孔机构；7-钻刀架；

8-铣刀运动轨道

2 基于液压动力头的轮轴钻铣机主要结构设计

2.1 液压动力头的选择

动力头的预选方案有两种，一种是气动式，一种是液压式。气动动力头与液压式动力头在同等体积下，液压装置能产生出更大的动力，调速范围更大更加适合钻刀的进给运动，而气动式产生动力较小，不能保证加工精度和稳定性[8]。使用液压动力头打钻，是普通动力头的3倍速度；液压动力头采用了恒功率无级变速驱动，是调速更加方便；具有成孔速度快、钻孔质量高的优点[9]。因此钻孔动力头选取液压式动力头。

根据轮轴尺寸和加工的技术指标的具体要求，计算电机功率选择动力头型号。根据选定的切削用量（主要指切削速度v及进给量f）来确定切削力、切削扭矩、切削功率，用以选择电动功率。按照经济地选择满足加工要求的原则，钻头直径D=8mm，由于被加工零件为灰铸铁且硬度为HB241-170，进给量f=0.15mm/r、切削速度v=15m/min，由此计算出=1150.30N，切削扭矩=2874.88N·mm，切削功率p切=0.176kw，所需电动机功率P电=0.22KW。

电动机功率应大于计算功率，并结合主轴要求的转速大小选择。因此，选择D5型油压钻孔动力头，具体参数见表1。由于两个钻孔動力头和一个铣槽动力头要求基本相同，因此选用相同型号动力头。

2.2 轮轴夹具的设计

工件的夹具通常分为通用夹具、专用夹具、组合夹具、拼装夹具、通用可调夹具等，设计的轮轴钻铣机采用基于V型块的专用夹具。根据轮轴的夹紧定位方式不同，提出两种关于夹装轮轴方式的预选方案：两个V型块垂直装夹和V型块与定位套的组合装夹，具体见图3、图4。

采用两个V型块垂直夹装成本低，结构简单，但加工空间小，易损坏刀头。采用V型块的组合夹装加工空间大，加工方便，安全性强，但结构较复杂。综合两个方案的优缺点，再结合实际要求选择安全性较高，加工难度较低的V型块组合夹装。

2.3 轮轴钻铣机机架关键部件的设计

轮轴钻铣机机架主要包括机床平台、铣刀运动轨道、钻刀架和机架底座等部分。机床平台上安装液压马达和铣刀动力头。铣刀动力头运动轨道是铣刀动力头运动导轨，便于铣刀进行轴向铣键槽运动。钻头动力头架用来连接承载两个钻刀液压动力头模块。机床底座用来承载机床底座以上所有机构，也是液压泵站的保护罩。铣刀运动轨道、钻刀架和机架底座等三维建模见图5、图6、图7、图8。

2.5 基于液压动力头的轮轴钻铣机稳定性分析

对基于液压动力头的轮轴钻铣机各部件进行装配后，利用SolidWorks软件对其进行稳定性分析。利用质量属性功能测量装配体的重心位置，确定装配后的钻铣机是否可以稳定站立。在确定好装配体各零件材料之后SolidWorks会自动生成装配体的质量以及重心位置等数据，见图9。

装配后由SolidWorks质量属性得出：机床的重心为（X=102.112，Y=-95.951，Z=816.781），测量后机床重心位置约在机床的中下部。此时机床侧边的钻孔液压动力头处于最小行程状态，在进行钻孔加工时机床主轴会发生进给运动，又因为钻孔液压动力头在机床的侧边伸出距离较远，即钻孔液压动力头的最大行程和最小行程会影响机床重心的位置，因此需讨论侧边钻孔液压动力头在最大行程时装配体重心的位置。在调整液压动力头主轴位置之后，测得机床重心为（X=102.112，Y=-96.256，Z=816.781），相较最小量程重心位置几乎没有明显变化，重心依然在装配体的中下部，因此，装配后的机床可以稳定站立。

3 结束语

本文研究的基于液压动力头的轮轴钻铣机是在普通钻床、铣床的基础上，将钻径向孔、铣键槽两道工序合二为一，缩短加工时间，提高生产效率，改善企业经济效益。符合世界机床高速、高效率、功能复合化的发展方向。

【参考文献】

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