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     摘要：通過對(duì)深孔加工機(jī)床的模塊化分析設(shè)計(jì)，首先把機(jī)床劃分模塊，并對(duì)機(jī)床主軸的模塊化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；然后對(duì)機(jī)床兩接觸模塊接觸面的情況進(jìn)行理論研究，通過兩接觸面的切向力和法向力，對(duì)接觸情況進(jìn)行討論。利用有限元軟件模擬分析得到機(jī)床在不同切削條件下的工作情況。驗(yàn)證了機(jī)床的模塊化可以滿足客戶的需求。
 
    關(guān)鍵詞：機(jī)床；模塊化；接觸面
 
     引言
 
     深孔加工機(jī)床是機(jī)械加工的重要設(shè)備，隨著制造條件和新型工藝的發(fā)展，機(jī)床的設(shè)計(jì)工作也在不斷地完善和發(fā)展，用戶對(duì)產(chǎn)品“個(gè)性化”的需求也逐漸增加［１］。模塊化的設(shè)計(jì)是將機(jī)床合理的劃分為較少的幾種結(jié)構(gòu)，去適應(yīng)更多的產(chǎn)品需求，這樣的設(shè)計(jì)可以大幅降低生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和組裝成本，并且提高創(chuàng)新節(jié)奏和產(chǎn)品質(zhì)量。
 
     模塊化設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面的意義：減少設(shè)計(jì)量，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和制造周期，從而縮短產(chǎn)品的供貨期限；減少了工藝裝配，便于對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行管理和專業(yè)化生產(chǎn)［２］；降低成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和維修性，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用周期；便于維修。因此，機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造，越來越多地采用了模塊化設(shè)計(jì)。
 
      １、 深孔加工機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)
 
     深孔加工機(jī)床主要單元的模塊化設(shè)計(jì)是根據(jù)機(jī)床的主要變動(dòng)，對(duì)機(jī)床主單元及輔助單元的尺寸參數(shù)及加工參數(shù)進(jìn)行更改，實(shí)現(xiàn)機(jī)床單元尺寸的參數(shù)化，并保證各模塊間的裝配約束。
 
     １．１ 主軸的模塊化設(shè)計(jì)
   
     主軸是機(jī)床的一個(gè)重要組成部分。主軸組件有主軸、軸承、固定件（如螺母）和傳動(dòng)件（如齒輪、帶輪）組成［３］。機(jī)床工作時(shí)，由主軸加持工件（車床）或刀具（銑床）直接進(jìn)行表面加工成形運(yùn)動(dòng)。
 
     根據(jù)機(jī)床模塊的功能結(jié)構(gòu)和客戶對(duì)產(chǎn)品的需求分析，可以確定產(chǎn)品各個(gè)零部件之間的功能相關(guān)度。需要確定的相關(guān)度主要有以下幾方面。
   
     １）客戶需求。
   
     為了滿足不同客戶的不同需求，首先對(duì)機(jī)床一些零部件進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，制定參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和系列化標(biāo)準(zhǔn)，將這些零部件從原模塊中分離出來成為獨(dú)立的模塊［４］，制定出零部件與客戶需求之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如表１所示。
   
                       表１　零部件與客戶需求之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

     根據(jù)表１，可得到客戶需求影響下的產(chǎn)品零部件的需求相關(guān)矩陣，其中ｋ＝１，２，…，ｍ，ｍ 為客戶需求數(shù)，Ｑｉ為零部件，ｎ為零部件個(gè)數(shù)。若客戶需求與零件相關(guān)，則其相關(guān)度為５，反之為０。零部件與自身的相關(guān)度也為５。可得如下對(duì)稱矩陣：
  
     

      ２）功能相關(guān)。
 
      功能獨(dú)立性是模塊的重要特性。機(jī)床模塊的功能相關(guān)性是指：機(jī)床工作時(shí)，一些零部件共同作用實(shí)現(xiàn)某一個(gè)功能，在進(jìn)行模塊劃分時(shí)，將具有功能相關(guān)性的零部件組合成一個(gè)模塊，會(huì)提高模塊的功能獨(dú)立性。
 
      ３）幾何相關(guān)。
 
      按照幾何相關(guān)原則設(shè)計(jì)幾何相關(guān)矩陣。通常可以從零件之間的尺寸關(guān)系、垂直度、平行度和同軸度等方面來評(píng)價(jià)零部件之間的幾何相關(guān)性。
 
     ４）物理相關(guān)。
 
      產(chǎn)品的零部件之間的物理關(guān)系包括能量流（激振力、扭矩、動(dòng)力、電流等的相互作用）、信息流（光、電等信號(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(jié)合面特性分析

     由于機(jī)床進(jìn)行了模塊化的劃分，各個(gè)模塊會(huì)相對(duì)頻繁地拆卸、安裝，這會(huì)影響制造工藝裝備的穩(wěn)定性和加工精度。因此，需要從微顆粒角度分析模塊化后形成的制造系統(tǒng)，研究模塊化對(duì)基礎(chǔ)面粗糙度的影響，分析粗糙度對(duì)系統(tǒng)剛度的影響［５］。
   
     １．２．１　接觸面形變分析
   
     研究表明，當(dāng)微顆粒頂端的形變δ 大于臨界形變Δδ 時(shí)，形變由彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫儭山佑|模塊的接觸面簡(jiǎn)化成一個(gè)球體和平面相接觸，模型如圖１所示。

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

      
     
     １．２．２　模塊接觸面的剛度
   
     由于在機(jī)械部件中，接觸面的切向和法向接觸剛度，主要由接觸面的彈性形變決定，而塑性形變則會(huì)影響接觸面的粗糙度，對(duì)接觸剛度的影響可忽略不計(jì)［６］。
 
     １）法向接觸剛度。
 
      單個(gè)微顆粒和平面接觸的法相接觸剛度為：

     
    
     2）切向接觸剛度。
 
     單個(gè)微顆粒和平面接觸的切向接觸剛度為：
  

     
  
     ２ 、實(shí)例驗(yàn)證
 
     利用有限軟件對(duì)分別對(duì)車削、銑削及鏜孔三種工況下的形變及振動(dòng)情況進(jìn)行模擬。通過靜態(tài)與模態(tài)分析，ｘ 方向受力３　５００Ｎ，ｙ 方向受力１０　０００Ｎ，得到整機(jī)和各模塊的形變?nèi)绫恚菜荆鞴r下機(jī)床的固有頻率表３所示。
   
　　經(jīng)過模擬，模塊化過的機(jī)床的振動(dòng)頻率與未進(jìn)行模塊化時(shí)的振動(dòng)頻率相近，所以，模塊化機(jī)床能夠滿足生產(chǎn)需求。
 
 
                            表２　整機(jī)、各模塊形變                    μｍ

      
   
  
                              表３　各工況下固有頻率                       Ｈｚ

      ３ 、結(jié)語
   
     通過對(duì)機(jī)床的的總體分析，對(duì)機(jī)床的主軸模塊及兩模塊的接觸面進(jìn)行分析，分析設(shè)計(jì)了成套的主軸模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及接觸面的接觸情況，對(duì)機(jī)床的部分零件有效地進(jìn)行模塊化劃分，滿足客戶的需求。通過有限元軟件對(duì)兩接觸面工作時(shí)的振動(dòng)頻率及彈性形變進(jìn)行了分析，以此來更好地制定設(shè)計(jì)方法，滿足客戶的需求，降低產(chǎn)品成本。