精密制造与自动化 2010年第1期
中心架的设计与加工
邱 琦1 璩 玮2
上海依柯泰克机床有限公司1 （200093）
上海机床厂有限公司2 （200093）
摘 要 介绍了一种自定心中心架，与目前机床上普遍采用的传统式中心架相比，可大大节省装卸工件的时间，并可减少找中心的麻烦。这种中心架性能可靠，精度好，对提高产品质量具有实用意义。 关键词 中心架 运动轨迹 加工方法
一般来讲，轴的长度和直径之比越大，则刚度越小，故机床在加工细长类轴时，需采用中心架，因为中心架是保证这些工件加工精度的主要附件之一。磨削工件时，固定轴的方法一般是采用轴的一端用头架卡盘夹紧，或用头架顶尖顶紧，另一端用尾架的顶尖将轴支撑起来。由于工件的长径比值较大，加上在工件的自重和切削力的作用下，易使工件弯曲变形，造成工件在加工时发生振动和被磨成腰鼓形，如图1所示。但假如在工件中间部分使用一只中心架，如图2所示，即可增加轴的刚度，以保证工件在加工过程中不至于出现腰鼓形不直度和“让刀”现象。另一方面，此做法也能避免系统振动现象的产生，从而防止
了轴的加工误差变大。
图1 不使用中心架磨削细长工作
图2 使用中心架磨削细长工作
产生上述原因是因为在加工过程中，尤其是当刀具靠近轴中部的时候，工件会受到自身重力和刀
蔬菜的英文单词具径向切削力的作用，产生变形，使轴产生不同程度的弯曲，使加工产生误差，从而导致加工完成后的轴成为腰鼓形，即中间大，两端较小的形状。纵截面一致性和圆度无法得到保障。所以为避免此类情况的发生，加工时需采用液压中心架作为辅助支撑，以此来限制轴的变形，达到提高加工精度的目的。
中心架的结构形式，按机床的不同结构和零件的不同要求而变化，其结构形式大致可以分为闭式中心架、开式中心架如图3所示和专用中心架。
图3 闭式中心架和开式中心架
随着机械工业制造设备的发展，数控机床已广泛应用，长轴类零件外圆及轴端部分加工极为普遍。中心架一般是固定在机床导轨上，中心架触头卡在工件中部外圆。通常闭式中心架用于磨削内孔和阶梯
轴，开式中心架用于磨长轴、丝杆和曲轴颈。加工零件外圆时，闭式中心架因刀具不能越过中心架，不能对零件外圆进行连续加工，开式中心架存在一个无法准确定心的问题。定心不准同样会引起精度的不足。
这样传统的中心架已不能满足数控机床的加工要求。所以，需要设计一种能自动定心，能对零件外圆连续加工的中心架。
（a ）磨削时受磨削力而弯曲变形
（b ）磨削后工件呈腰鼓形
A 向旋转
邱 琦等 中心架的设计与加工
本文介绍一种自定心中心架，如图4所示。它
采用一个液压油缸，推动中间的辅助架，同时驱动
二个夹爪和一个支撑头运动。在相同条件下，与目
前车床上普遍采用的机械式三爪分动中心架相比，
可大大节省装卸工件的时间，并可减少调整工件中
心的麻烦。这种中心架可靠性高，使用性能良好。金的繁体字怎么写
5-辅助架6-活塞7-油缸
图4 自定心式中心架
1 液压中心架的工作原理
液压中心架由机械装置、液压系统以及电气控
制系统三部分组成。相对于普通中心架，它的优势
是能够在工件转动过程中根据工件的外圆或者回转轴线摆动等状况自动调整支撑杆位置，防止刚性支撑引起内力之间相互作用而产生附加变形和由此引起的整个系统振荡，保证了恒定的支撑力，因而使支撑更加稳定。液压中心架大致结构，如图4所示。本中心架的工作原理是在压力油的作用下迫使与活塞杆连接的辅助架带动中支撑头作前后运动。而辅助架同时带动上下两个支撑头作同步运动，始终将工件控制在三个支撑点形成的圆中。当中心架不工作时，处于与工件不接触的状态（视情况而定），此时，活塞处于卸油状态，由弹簧将整套机构控制在缩回状态如图5所示。当需要中心架工作时（工件已经装夹在机床上），活塞由液压系统控制，注油进油腔，使顶头克服弹簧的弹力，将中心架的夹头移至工件需要支撑的部位。护眼绿
1-弹簧
2-中支撑头3-活塞4-油缸
图5 中心架缩回状态
上下两个支撑头支撑着所需加工的轴类工件，中间的顶头顶住工件，防止其横向运动。当磨削进行时，随着工件的直径不断地变小，两支撑头之间的角度也就变小，中支撑头向前运动，始终顶住工件。三个支撑头所构成的圆可能与工件不同心，依靠中支撑头上的手动微调的装置，使其能始终充分接触工件。其原理如图6所示。在中支撑头上加工出一个斜面，角度由所需微调的进给量来决定。倾斜角度与中支撑头的角度一致。在体壳内镶嵌一个带槽的滑块。滑块中槽的宽度与小滑块尺寸配合为0.02 mm~0.05 mm。滑块与体壳的配合和形位公差应严格控制在0.05 mm以内，运动起来流畅均匀，不存在阻塞现象。由体壳侧面的一个螺杆控制中间的滑块在体壳的凹面内左右滑动，随即带动小滑块左右运动。因小滑块的角度关系，将沿着角度的一个分力给予中支撑头一个向前的力，由于夹头是在滑座中被限制纵向移动的，这时其只能通过滑座中的槽进行前后方向的运动，达到与工件接触的目的。微调的范围大约在±0.12 mm左右。如果需要增大微调的量，则可以通过改变滑块和中支撑头上的角度来达到。
1-小滑块2-中支撑头3-滑块4-螺杆
图6 微调原理示意图
中心架在工作时，活塞连同辅助架一同进给，辅助架，连接块，支
撑头三者成为一个
连动机构。在连动机
构作用时，滚轮就顺
着辅助架上的曲线
向上移动，如图7
所示。连接块在上体
3d里菜
壳中的轨道中运动，
使得夹头自然向内
精密制造与自动化 2010年第1期 旋转，达到夹紧工件的目的。
磨削完毕后，油缸卸油，活塞在油腔压力的作用下，作往回运动，带动辅助架连动机构回复原位。中支撑头在弹簧弹力的作用下复原。外国建筑史
该中心架不用每次都进行调整，一般只需进行微调即可。中支撑头和上下两个支撑头接触工件的三点在任意工作位置所构成的圆均与机床主轴的中心同心，且随着工件加工直径变小，只需要增加油腔的压力，将支撑头随工件直径的变小而时刻固定住工件，并同时达到极限位置，如图8所示，不需要在每次工作时进行调整。该中心架的定位精度取决于滚轮运行轨迹和制造精度。
图8 工作极限位置示意图
2 滚轮运行轨迹方程的推导
根据中心架的工作原理，相关参数如图9所示。
图9 参数尺寸示意图
根据滚轮中心的运动轨迹方程，通过分析可以得到以下设计参数。
L ：滚轮中心离杠杆支点的臂长；
冻结歌词L 1：杠杆中心离机床主轴中心的距离； L 2：上下支撑头的中心离杠杆支点的臂长。
从理论上分析，滚轮向前移动变量为X ，即上支撑头中心与主轴中心的距离，由于三个压轮构成的中心必须与机床主轴同心，下支撑头与机床主轴中心的距离同样为X ，所以α角应随变量X 变化。 作X 、Y 坐标系，已知凸轮滚子杠杆与X 的初始角为β（在理论上α为0°时），由于凸轮滚子杠杆与压轮杠杆是一个整体，所以凸轮滚子杠杆与X 轴夹角为α+β，如图10所示。
图10 解析几何图
凸轮滚子中心的Y 轴坐标值为：Y =L sin(α+β)。根据主轴中心、支撑点和杠杆支撑点中心构成的三角形可得：
所以滚轮中心的轨迹方程为：
3 曲线的加工方法
由于该中心架采用液压自动补偿调整装置，可缩短辅助时间，提高生产效率。所以结构比一般中心架复杂得多，尤其是滚轮运动轨迹和连接块运动轨迹槽的制造尤为困难，而制造偏差往往造成现支撑头与工件的不同心，影响中心架的使用性能。滚轮的运动轨迹如图11所示。
图11 滚轮轨迹示意图
（下转第54页）
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2L L X L L α++=sin Y L αβ=×（+）)
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该轨迹是由三个圆弧所构成，较小的两段圆弧的圆半径为滚轮的半径。圆弧所起的作用是固定滚轮的极限位置。较大的圆端点为支撑头在极限位置时滚轮与该圆相切的点。
所以如可找出圆心，计算出该圆的半径，选用与滚轮直径相同的圆盘铣刀，模拟滚轮的运行轨迹，采用立式数控铣床加工该曲线，铣刀铣出的曲线即为所需的轨迹（应先用直径小于滚轮直径的铣刀作为粗加工的刀具）。上述得出的方程即为该大圆的轨迹方程。
辅助架材料可选用38CrMoAl，在精加工后进行氮化处理，并在局部进行淬火，以能满足中心架的精度要求，材料的高强度和高耐磨性能满足辅助架的正常使用。
体壳中连接块运动轨迹的槽加工起来有一定的困难，需要严格控制尺寸及对称度。该槽有一定的深度，所以使用磨床加工存在难度，无法磨削到底。如果槽的底部存在圆角的话，则严重影响连接块的运动，故可采用加工中心，先模拟出二次曲线的方程，然后采用半径5 mm的刀具一次成型，如图12所示。然后在连接处用半径为2mm的刀具将圆角扩大，用手动将表面进行仔细打磨，方可满足精度要求。
体壳的材料可选用40Cr，在加工后需要在易磨损的部位，即连接块运动轨迹处进行局部淬火处理，满足高耐磨性的要求。
图12 连接块轨迹加工示意图
5 结语
本文介绍了中心架滚轮曲线和设计的结构以及加工方法。加工后的曲线精度能满足在数控磨床上使用的精度要求。此结构也可适用于三爪或四爪同时移动的机械手以及类似的机械设备之中。
