摘要：通過（guò）對深（shēn）孔加工機床的模塊化分析（xī）設計，首先把機床（chuáng）劃（huá）分模塊，並對機床主軸的模塊化係統進行設計；然後對機（jī）床兩接觸模塊接觸麵的情（qíng）況進行理論研究，通過兩接觸麵的（de）切向力和法（fǎ）向力，對（duì）接觸情況進行討論。利用有限元（yuán）軟件模擬分析得到機床在不同切削條件下的工（gōng）作情況。驗證了機床的模塊化可以（yǐ）滿足（zú）客戶的需求。
 
    關（guān）鍵詞：機床；模塊化；接觸麵
 
     引言
 
     深孔加工機床（chuáng）是機械加工的重要設備，隨著製（zhì）造條件和新型（xíng）工藝的發展，機床的設（shè）計工作也在不斷地完（wán）善和發展，用戶對產品“個性化”的（de）需求也逐漸增加（jiā）［１］。模（mó）塊化的設計是將（jiāng）機床合理的劃分為（wéi）較少的幾（jǐ）種結構，去適應更多的產（chǎn）品需求（qiú），這（zhè）樣的設計可以大幅降低生產係統的生產成本和組裝成本，並且提高創新節奏和產品質量。
 
     模（mó）塊化設計有以（yǐ）下幾個方麵的（de）意義：減少設計量，縮（suō）短（duǎn）產品的設計周期和製造周期，從而縮短產品的供貨期限；減（jiǎn）少了工藝裝配（pèi），便於對生產過程進（jìn）行管理和專業化生產［２］；降低成本，提高產品的質量、可靠（kào）性和維修性，延長產品（pǐn）使用（yòng）周期；便於維修。因此，機床的設計（jì）與製造，越來越多地采用了（le）模塊化設計。
 
      １、 深孔加工機床模塊化設計
 
     深（shēn）孔加工機床主要單元的模塊化設計是根據機床的主要變動，對機床主單元及輔助單元的尺寸參數及加工參數進行（háng）更（gèng）改，實（shí）現機床單元尺寸的參數化，並保證各模塊間（jiān）的裝配約束。
 
     １．１ 主軸的模塊化設計
   
     主軸是機床的一個（gè）重要組成部分。主軸組件有主軸、軸承、固定（dìng）件（如螺母）和傳動件（如齒輪、帶輪（lún））組成［３］。機床工作時，由主軸加持工件（車（chē）床）或刀具（銑床）直接進行表麵加工成形運動。
 
     根據機床模塊的功能（néng）結構和客戶對產品的需求分析，可以（yǐ）確定產品（pǐn）各個零部件（jiàn）之間的功能相關度。需（xū）要確定（dìng）的（de）相（xiàng）關度主要有以下幾方麵。
   
     １）客戶需求。
   
     為（wéi）了滿足不同客戶（hù）的不同需求，首先對機床一些零（líng）部件進行係列化設計，製定參數標準（zhǔn）和係列（liè）化標準，將這些零部件（jiàn）從原模塊中分離出來成為獨立的模（mó）塊［４］，製定出零部件與客戶需求之間的關聯關（guān）係（xì），如表１所示。
   
                       表１　零部件與客戶需求之間的（de）關聯關係

     根據表１，可得到客（kè）戶需求影響下（xià）的產品零部件的需求相關矩陣，其中ｋ＝１，２，…，ｍ，ｍ 為客戶需求數，Ｑｉ為零部件，ｎ為零部件個數。若（ruò）客戶需求與零件相關，則其相關度為（wéi）５，反之為０。零部件與自身的相關（guān）度也為５。可得如下對稱矩陣：
  
     

      ２）功能相關。
 
      功能獨立性是（shì）模塊的重要特性（xìng）。機床模塊的功能相關性是指：機床工作時，一些零部件共同作用實現某一個功能，在進（jìn）行模塊劃分時，將具有（yǒu）功能相關性的零部件組合成一個模塊，會提高模塊的功能獨立性。
 
      ３）幾何相關。
 
      按照幾何相關原則設計幾何相關矩陣。通常可以從零件之間的尺寸關係、垂直度、平行度和同軸度等方麵來評價（jià）零部件之間的（de）幾何相關性。
 
     ４）物理相關。
 
      產（chǎn）品的零部件之間的物（wù）理關係包括能量流（激振力、扭矩、動力、電流等的相互作用）、信息流（光、電等信（xìn）號（hào）的傳遞）、物料流（待加工材料、工件、夾具或刀具的傳遞）等［４］。
 
     １．２ 結合麵特性分析

     由於機床進（jìn）行了模塊化的劃分（fèn），各個模塊會相對頻（pín）繁地拆卸（xiè）、安裝，這會影響製造工藝裝（zhuāng）備的穩定性和（hé）加工精度。因此，需要從微顆粒角度分析模塊（kuài）化後形成的製造係統，研究模塊化對基礎（chǔ）麵粗糙度的影（yǐng）響，分析粗糙度對係統剛度的影響［５］。
   
     １．２．１　接觸麵形變分析
   
     研（yán）究表明，當微顆粒頂端的形（xíng）變δ 大於臨界形變Δδ 時，形變由彈性形變轉變為塑性形變。將兩接觸模塊的接觸麵（miàn）簡化成一個球（qiú）體和平麵相接觸（chù），模型如圖１所示。

      
                            圖１　接觸麵模型圖
   
      由赫茲理論（lùn）（Ｈｅｒｚｅ），將微顆粒等效為球體，則

      
     
     １．２．２　模塊接觸麵的剛度
   
     由於在機械部（bù）件中（zhōng），接觸麵的切向和法向接觸剛度，主要由接觸麵的彈性形（xíng）變決定，而塑性形變則會影響接觸麵的粗糙度，對接觸剛度的影（yǐng）響（xiǎng）可忽略不計［６］。
 
     １）法向接觸剛度。
 
      單個微顆粒和平麵接觸的法相接觸剛度為：

     
    
     2）切（qiē）向接（jiē）觸剛度（dù）。
 
     單個微（wēi）顆粒和平麵接觸的（de）切向接觸剛度為：
  

     
  
     ２ 、實例驗證（zhèng）
 
     利用有限軟件對分別（bié）對車削、銑削及鏜孔三種工況下的形變及振動情況進行（háng）模擬。通過靜態與模態分析，ｘ 方向（xiàng）受力３　５００Ｎ，ｙ 方（fāng）向受力１０　０００Ｎ，得到整機和各模塊的形變如（rú）表２所示，各工況下機床的固有頻率表３所示。
   
　　經過模擬，模塊化過的機床的振動頻率與未進行模塊（kuài）化時的振動頻率相近，所以，模塊化機床能夠滿足生產需（xū）求。
 
 
                            表２　整機、各模塊形變                    μｍ

      
   
  
                              表３　各工況下固有頻率                       Ｈｚ

      ３ 、結語
   
     通過對（duì）機（jī）床的的（de）總體分析，對（duì）機床的主軸模塊及兩（liǎng）模塊（kuài）的接觸麵進行分析，分（fèn）析設計了成套的主（zhǔ）軸模塊化設計係統及接觸（chù）麵的接觸情況，對（duì）機床的部分零件有效地進行模塊化（huà）劃分，滿足客戶的需求。通過有限元軟件對兩接觸麵工作時的振動（dòng）頻（pín）率（lǜ）及彈性形變進行了分析，以此來更好地製定設計方法，滿足客戶的需求，降低產品成本。