某型數(shù)控鏜銑床主軸部件的優(yōu)化改進(jìn)
2020-10-15 來源： 沈機集團(tuán)昆明機床股份有限公司 作者：王勇 王全寶 田劉平 劉嘯，萬實
摘要：針對某型數(shù)控鏜銑床主軸部件在松刀時出現(xiàn)的主軸軸向竄動問題進(jìn)行分析，找到原因。 然后通過不同方案對比，優(yōu)選出主軸松刀卸荷機構(gòu)的方案，并對關(guān)鍵點進(jìn)行了計算。 實踐證明，這種主軸松刀卸荷機構(gòu)解決了主軸軸向竄動問題，提高了機床的切削精度。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)精度；軸承壽命；卸荷機構(gòu)；主軸軸向竄動
主軸部件是機床的重要部件之一，是機床的執(zhí)行件。它的功能是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削， 主要承受切削力和驅(qū)動力等載荷。 主軸部件的工作性能直接影響著整臺機床的性能和加工質(zhì)量。 數(shù)控鏜銑床主軸部件主要由主軸、主軸軸承、拉刀機構(gòu)、松刀機構(gòu)及傳動件等組成［1］。
某型數(shù)控鏜銑床主軸拉刀力 15 kN，松刀力 25 kN。 對多臺該型號機床在主軸端面用百分表測量發(fā)現(xiàn)， 松刀時主軸軸向竄動了 0．05～0．08 mm， 這說明松刀時主軸部件在松刀力的作用下發(fā)生了變形。通過對該型號機床傳統(tǒng)主軸部件結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，機床主軸松刀油缸施加的松刀力通過拉刀桿壓縮碟形彈簧， 碟形彈簧力作用在主軸上，再通過主軸傳到主軸軸承上，使主軸軸承承受了所有的松刀力。這么大的松刀力頻繁作用在主軸軸承上，將會嚴(yán)重影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度，縮短主軸軸承壽命，甚至直接造成主軸軸承的損壞。
為了解決上述問題， 筆者對該機床主軸部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。 在該型號機床傳統(tǒng)主軸部件的基礎(chǔ)上增加了主軸松刀卸荷機構(gòu)， 將原本由主軸軸承承受的松刀力轉(zhuǎn)移到了其它能夠承受較大力的零件上，改善了主軸軸承的受力狀況，解決了松刀時主軸軸向竄動量大的問題，延長了主軸軸承壽命，提高了主軸旋轉(zhuǎn)精度的保持性，使機床性能更加穩(wěn)定、可靠。
1 、改進(jìn)前主軸部件的結(jié)構(gòu)分析
圖 1 所示為某型數(shù)控鏜銑床改進(jìn)前的主軸部件結(jié)構(gòu) 圖。軸承套 14 安裝于機床滑枕上， 油缸座 7 固定安裝于軸承套14 上，松刀油缸安裝于油缸座 7 上。 該主軸部件的松刀過程為：液壓油從松刀進(jìn)油口進(jìn)入到油腔 A 中，推動活塞 1 向 左移動，直至活塞 1 與 C 面接觸，隨著油腔 A 中油壓逐步升高，活塞 1 通過壓圈 3 和壓塊 2 向左推拉刀桿 5， 拉刀桿 5 通過螺母 4 壓縮碟形彈簧 6 向左運動， 推動拉爪 11 到達(dá)松刀位置，松開刀具 13。 在整個松刀過程中，松刀油缸通過活塞 1 施加的松刀力克服碟形彈簧力， 壓縮碟形彈簧， 碟形彈簧力通過墊圈 9 傳遞到主軸 12 上，這個力再通過螺母 8 作用于主軸軸承 10 上。
新的刀具裝入主軸后， 液壓油從拉刀進(jìn)油口進(jìn)入到油腔 B中，活塞 1 在油壓和碟形彈簧力的作用下向右移動，同時拉刀桿機 械 設(shè) 計第 36 卷增刊 15 也在碟形彈簧力的作用下向右運動，拉動拉爪 11 退回到拉刀位置，拉緊刀具 13；此時油腔 B 中油壓繼續(xù)升高，活塞 1 在油壓的作用下，退回到松刀油缸右極限位置，與 C 面分離。 在拉刀過程中，拉刀桿 5，拉爪 11 和刀具 13 受拉刀力的拉伸作用，主軸12 受拉刀力的壓縮作用。
通過以上分析可以看出， 在主軸松刀時主軸軸承承受了所有的松刀力， 在使用機床進(jìn)行切削加工時， 需要頻繁的更換刀具，這將會嚴(yán)重影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度，縮短主軸軸承壽命，甚至
直接造成主軸軸承的損壞，影響機床的性能。
圖 1 改進(jìn)前主軸部件結(jié)構(gòu)圖
圖 1 2 、改進(jìn)方案的確定
通過對改進(jìn)前主軸部件結(jié)構(gòu)和內(nèi)部零件在松刀、 拉刀時的受力情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主軸在松刀時主軸軸向竄動 0．05~0．08mm 的主要原因是：松刀時，碟形彈簧力作用在主軸軸承上，主軸軸承受力變形引起了主軸軸向竄動。 為了改善主軸軸承的受力狀況，在原主軸部件的基礎(chǔ)上增加主軸松刀卸荷機構(gòu)，將松刀力轉(zhuǎn)移到其它能夠承受較大力的零件上。方案一 ：卸荷盤設(shè)計為齒狀的松刀卸荷機 構(gòu)［2］， 如圖 2所示。
圖 2 齒狀卸荷盤卸荷機構(gòu)主軸部件結(jié)構(gòu)圖
松刀時先進(jìn)行主軸定向，使卸荷盤 15 上的外齒與浮動油缸套 17 上的內(nèi)齒對正，然后液壓油注入油腔 A 中，推動活塞 1 向左移動至與 C 面接觸，在油壓的作用下，浮動油缸套 17 向右移動至 D 面與卸荷盤 15 接觸，此時油腔 A 中油壓繼續(xù)升高，達(dá)到松刀壓力，活塞 1 向左推拉刀桿 5 松開刀具 13，浮動油缸套 17通過卸荷盤 15 向右拉主軸 12，這樣主軸軸承 10 就不用再承受松刀力。拉刀時液壓油注入油腔 B 和油腔 E 中，活塞 1 在油腔 B中油壓和碟形彈簧力的作用下向右移動至圖 2a 中的位置，拉刀桿 5 回退拉緊刀具 13； 浮動油缸套 17 在油腔 E 中油壓的作用下向左移動至 2a 中的位置，使 D 面與卸荷盤脫開。
方案二：卸荷盤設(shè)計為圓盤狀的松刀卸荷機構(gòu)，如圖 3 所示。
圖 3 圓盤狀卸荷盤卸荷機構(gòu)主軸部件結(jié)構(gòu)圖
松刀時液壓油注入油腔 A 中， 推動活塞 1 向左移動至與 C面接觸，松刀油缸向右拉浮動油缸座 7，使 D 面與卸荷盤 15 接觸，此時油壓繼續(xù)升高，達(dá)到松刀壓力，活塞 1 向左推拉刀桿 5松開刀具 13，浮動油缸座 7 通過卸荷盤 15 向右拉主軸 12，使主軸軸承 10 不再承受松刀力。 拉刀時液壓油注入油腔 B 中，活塞1在油壓和碟形彈簧力的作用下向右移動至圖 3a 中的位置，拉刀桿 5 回退拉緊刀具 13；浮動油缸座 7 在彈簧 16 的彈簧力作用下向左移動，最終壓緊固定在軸承套 14 上，使 D 面與卸荷盤脫開。通過對比，方案二結(jié)構(gòu)簡單，零件容易加工、裝配方便，不需要設(shè)置主軸定向檢測裝置，成本較低，因此選擇方案二為最終方案。
3 、改進(jìn)后主軸部件的結(jié)構(gòu)分析
圖 3 所示為改進(jìn)后的主軸部件結(jié)構(gòu)圖。 軸承套 14 安裝于機床滑枕上，浮動油缸座 7 通過螺釘 17 壓縮彈簧 16，由彈簧力壓緊安裝于軸承套 14 上，松刀油缸安裝于浮動油缸座 7 上，對原主軸部件上螺母 8 進(jìn)行改進(jìn)，在其右端面上安裝卸荷盤 15。 改進(jìn)后主軸部件的松刀過程為： 液壓油從松刀進(jìn)油口進(jìn)入到油腔A 中，推動活塞 1 向左移動，直至活塞 1 與 C 面接觸；隨著油腔A 中壓逐步升高， 由于壓縮彈簧 16 所需的力遠(yuǎn)小于壓縮碟形彈簧 6所需的力，因此松刀油缸在油壓的作用下拉動浮動油缸座 7 克服彈簧 16 的彈簧力向右移動，直至浮動油缸座 7 上的 D 面與卸荷盤 15 的左端面接觸，浮動油缸座 7 停止移動；此時油腔 A 中的油壓繼續(xù)升高，達(dá)到松刀壓力，活塞 1 通過壓圈 3 和壓塊 2 向左推拉刀桿 5，拉刀桿 5 通過螺母 4 壓縮碟形彈簧 6 向左運動，推動拉爪 11 到達(dá)松刀位置，松開刀具 13。 在整個松刀過程中，力的傳遞過程是：碟形彈簧 6 右端通過螺母 4 向右推拉刀桿 5 的力通過壓塊 2 和壓圈 3 作用在活塞 1 上，再通過油腔 A 中的壓力油和松刀油缸傳遞到浮動油缸座 7 上，由于浮動油缸座 7 上的 D 面與卸荷盤 15 的左端面是接觸的，所以力就傳到了卸荷盤 15 上，最終通過螺母 8 向右拉主軸 12， 而碟形彈簧 6 左端向左的碟形彈簧力通過墊圈 9 向左推主軸 12。 這樣，整個松刀力最終形成了拉伸主軸的拉力，保證了主軸軸承 10 不受松刀力的影響。
新的刀具裝入主軸后，液壓油從拉刀進(jìn)油口進(jìn)入到油腔 B 中，活塞 1 在油壓和碟形彈簧力的作用下向右移動，同時拉刀桿5 也在碟形彈簧力的作用下向右運動， 拉動拉爪 11 退回到拉刀位置，拉
緊刀具 13；此時油腔 B 中油壓繼續(xù)升高，活塞 1 在油壓的作用下，退回到松刀油缸右極限位置，同時浮動油缸座 7 在彈簧 16 的彈簧力作用下向左運動，直至與軸承套 14 結(jié)合，最終活塞 1 與 C 面分離，卸荷盤 15 與 D 面分離。 在這個過程中，拉刀桿 5，拉爪 11 和刀具 13 受拉刀力的拉伸作用，主軸 12 受拉刀力的壓縮作用。
4 、卸荷盤的設(shè)計及螺釘規(guī)格的選用
主軸部件改進(jìn)后，主軸松刀時卸荷盤承受了所有的松刀力，因此卸荷盤和其上的固定螺釘必須要有足夠的強度， 以免松刀時發(fā)生損壞。
4.1 確定卸荷盤的厚度尺寸
圖 3a 所示，浮動油缸座 7 的內(nèi)孔直徑為 準(zhǔn)d，主軸松刀時卸荷盤 15 在直徑為 準(zhǔn)d的圓周上受松刀力的剪切作用。 這就要求卸荷盤在松刀時承受的剪應(yīng)力 τ不得超過材料的許用剪應(yīng)力［τ］［4］，即：
4.2 確定螺釘?shù)囊?guī)格
在圓周上均勻布置 8 顆螺釘將卸荷盤 15 固定連接在螺母8 上，主軸松刀時螺釘受松刀力的拉伸作用。 由螺釘?shù)墓ぷ鲬?yīng)力σ不得超過材料的許用應(yīng)力［σ］，可求得螺釘直徑 d 的規(guī)格:
5 、驗證
通過對多臺改進(jìn)主軸部件結(jié)構(gòu)后的機床進(jìn)行檢測和實際驗證，松刀時主軸軸向竄動量僅為 0．003 mm，與改進(jìn)前的機床相比，主軸的竄動量明顯減小，這說明主軸軸承的受力情況得到了巨大改善。 對多家用戶進(jìn)行回訪，用戶反饋：用帶有主軸松刀卸荷機構(gòu)的機床進(jìn)行加工，零件表面光潔度高，切削性能穩(wěn)定可靠。
6 、結(jié)語
實踐證明， 這種帶有松刀卸荷機構(gòu)的主軸部件使主軸軸承除了承受切削力的作用外，不再承受其余外力的影響，提高了主軸軸承的壽命及其精度保持性， 使機床的工作性能更加穩(wěn)定可靠。 故拋磚引玉，寫出來與廣大同行共享。
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