摘要：通过对深孔加工机床的模块化分析设计，首先把机床划分模块，并对机床主轴的模块化系统进行设计；然后对机床两接触模块接触面的情况进行理论研究，通过两接触面的切向力和法向力，对接触情况进行讨论。利用有限元软件模拟分析得到机床在不同切削条件下的工作情况。验证了机床的模块化可以满足客户的需求。
 
    关键词：机床；模块化；接触面
 
     引言
 
     深孔加工机床是机械加工的重要设备，随着制造条件和新型工艺的发展，机床的设计工作也在不断地完善和发展，用户对产品“个性化”的需求也逐渐增加［１］。模块化的设计是将机床合理的划分为较少的几种结构，去适应更多的产品需求，这样的设计可以大幅降低生产系统的生产成本和组装成本，并且提高创新节奏和产品质量。
 
     模块化设计有以下几个方面的意义：减少设计量，缩短产品的设计周期和制造周期，从而缩短产品的供货期限；减少了工艺装配，便于对生产过程进行管理和专业化生产［２］；降低成本，提高产品的质量、可靠性和维修性，延长产品使用周期；便于维修。因此，机床的设计与制造，越来越多地采用了模块化设计。
 
      １、 深孔加工机床模块化设计
 
     深孔加工机床主要单元的模块化设计是根据机床的主要变动，对机床主单元及辅助单元的尺寸参数及加工参数进行更改，实现机床单元尺寸的参数化，并保证各模块间的装配约束。
 
     １．１ 主轴的模块化设计
   
     主轴是机床的一个重要组成部分。主轴组件有主轴、轴承、固定件（如螺母）和传动件（如齿轮、带轮）组成［３］。机床工作时，由主轴加持工件（车床）或刀具（铣床）直接进行表面加工成形运动。
 
     根据机床模块的功能结构和客户对产品的需求分析，可以确定产品各个零部件之间的功能相关度。需要确定的相关度主要有以下几方面。
   
     １）客户需求。
   
     为了满足不同客户的不同需求，首先对机床一些零部件进行系列化设计，制定参数标准和系列化标准，将这些零部件从原模块中分离出来成为独立的模块［４］，制定出零部件与客户需求之间的关联关系，如表１所示。
   
                       表１　零部件与客户需求之间的关联关系

     根据表１，可得到客户需求影响下的产品零部件的需求相关矩阵，其中ｋ＝１，２，…，ｍ，ｍ 为客户需求数，Ｑｉ为零部件，ｎ为零部件个数。若客户需求与零件相关，则其相关度为５，反之为０。零部件与自身的相关度也为５。可得如下对称矩阵：
  
     

      ２）功能相关。
 
      功能独立性是模块的重要特性。机床模块的功能相关性是指：机床工作时，一些零部件共同作用实现某一个功能，在进行模块划分时，将具有功能相关性的零部件组合成一个模块，会提高模块的功能独立性。
 
      ３）几何相关。
 
      按照几何相关原则设计几何相关矩阵。通常可以从零件之间的尺寸关系、垂直度、平行度和同轴度等方面来评价零部件之间的几何相关性。
 
     ４）物理相关。
 
      产品的零部件之间的物理关系包括能量流（激振力、扭矩、动力、电流等的相互作用）、信息流（光、电等信号的传递）、物料流（待加工材料、工件、夹具或刀具的传递）等［４］。
 
     １．２ 结合面特性分析

     由于机床进行了模块化的划分，各个模块会相对频繁地拆卸、安装，这会影响制造工艺装备的稳定性和加工精度。因此，需要从微颗粒角度分析模块化后形成的制造系统，研究模块化对基础面粗糙度的影响，分析粗糙度对系统刚度的影响［５］。
   
     １．２．１　接触面形变分析
   
     研究表明，当微颗粒顶端的形变δ 大于临界形变Δδ 时，形变由弹性形变转变为塑性形变。将两接触模块的接触面简化成一个球体和平面相接触，模型如图１所示。

      
                            图１　接触面模型图
   
      由赫兹理论（Ｈｅｒｚｅ），将微颗粒等效为球体，则

      
     
     １．２．２　模块接触面的刚度
   
     由于在机械部件中，接触面的切向和法向接触刚度，主要由接触面的弹性形变决定，而塑性形变则会影响接触面的粗糙度，对接触刚度的影响可忽略不计［６］。
 
     １）法向接触刚度。
 
      单个微颗粒和平面接触的法相接触刚度为：

     
    
     2）切向接触刚度。
 
     单个微颗粒和平面接触的切向接触刚度为：
  

     
  
     ２ 、实例验证
 
     利用有限软件对分别对车削、铣削及镗孔三种工况下的形变及振动情况进行模拟。通过静态与模态分析，ｘ 方向受力３　５００Ｎ，ｙ 方向受力１０　０００Ｎ，得到整机和各模块的形变如表２所示，各工况下机床的固有频率表３所示。
   
　　经过模拟，模块化过的机床的振动频率与未进行模块化时的振动频率相近，所以，模块化机床能够满足生产需求。
 
 
                            表２　整机、各模块形变                    μｍ

      
   
  
                              表３　各工况下固有频率                       Ｈｚ

      ３ 、结语
   
     通过对机床的的总体分析，对机床的主轴模块及两模块的接触面进行分析，分析设计了成套的主轴模块化设计系统及接触面的接触情况，对机床的部分零件有效地进行模块化划分，满足客户的需求。通过有限元软件对两接触面工作时的振动频率及弹性形变进行了分析，以此来更好地制定设计方法，满足客户的需求，降低产品成本。