較小軸間距的組合機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)王成志 1 吳永剛 2 黃立杰 211 重慶建設(shè)工業(yè)集團(tuán) 職工大學(xué) ,重慶 400050 ;21 重慶合力機(jī)械有限公司 ,重慶 400000圖 1 零件工藝簡圖1 前言組合機(jī)床對多孔鉆削加工具有較大的優(yōu)勢 ,它按孔的坐標(biāo)分布位置實(shí)行一次加工 ,保證了孔的坐標(biāo)位置尺寸精度。作為組合機(jī)床專用部件的主軸箱 ,有成熟固定的設(shè)計(jì)模式 :標(biāo)準(zhǔn)的主軸箱體、前后側(cè)蓋、主軸、傳動軸、齒軸、軸承等 ,以及成熟的傳動、布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可供選用。這是組合機(jī)床設(shè)計(jì)制造的長處。但是 ,如何根據(jù)制造工藝技術(shù)及組配件的要求 ,在設(shè)計(jì)上靈活應(yīng)用并有所創(chuàng)新 ,以更好地適應(yīng)加工工件的需要 ,是擺在我們組合機(jī)床設(shè)計(jì)人員面前的一個課題。最近 ,我們?yōu)橹貞c合力公司設(shè)計(jì)的 YU02 排氣管接頭組合機(jī)床進(jìn)行了有益的嘗試 ,并取得了較好的效果。2 工件加工要求分析YU02 排氣管接頭是按引進(jìn)的日本某機(jī)械制作所設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工 ,是用于連接發(fā)動機(jī)與排氣管道的重要零件 ,技術(shù)要求較高。該工件工藝簡圖如圖 1 所示 。工件材料為硬度 HB200 250 的鑄件 ,重量 350g ,年生產(chǎn)綱領(lǐng)為 20 萬件 。主要加工需完成 :銑削兩接合面 (見圖 1 中接頭的三角形平面及腰圓形平面 ) ,鉆削三角形平面上的 3 個通孔 3 “615mm、腰圓形平面上的兩個通孔 2 “815mm。分析工件的加工精度要求 :為了保證工件最后的裝配性能 ,除了保證在銑削兩平面時其位置尺寸6914mm ,保證兩平面夾角尺寸 90 - 25 = 65外 ,在鉆削加工孔時 ,要求腰圓形平面上的兩孔對排氣道中心孔 “22 尺寸為 46 0125 ,要求三角形平面上的三個孔對排氣道中心孔 “22 尺寸分別為 41 0125 及 45 0125。3 組合機(jī)床方案布局設(shè)計(jì)根據(jù)工件的加工要求 ,我們認(rèn)為采用組合機(jī)床來同時完成其銑、鉆削加工較為適宜。為了發(fā)揮組合機(jī)床加工工序集中高效率的特點(diǎn) ,我們選擇了銑、鉆臥式三工位組合機(jī)床方案 ,機(jī)床的總體方案布局如圖 2。該組合機(jī)床采用了兩銑削頭和兩鉆削頭 ,分別布置在工作行程為 630mm 的 HY32 - 液壓動力滑臺的兩側(cè) ,其隨行液壓自動夾具安裝在滑臺臺面上 ,由滑臺帶夾具和工件完成縱向快速進(jìn)給和銑削工作進(jìn)給 ,并送到鉆削工位完成鉆孔。當(dāng)工作滑臺帶夾具及工件強(qiáng)制通過兩銑削頭完成銑削加工后 ,動力滑臺將夾具及工件快進(jìn)送到鉆削工位 ,由布置在兩側(cè)面左、右兩個HY250 滑臺上的鉆削頭分別從兩邊對三角形平面和腰圓形平面上的 5 個孔完成鉆削孔加工 。機(jī)床的三個工位呈縱向布置 :第 工位為裝卸工件工位 ,第 工位為銑削加工工位 ,第 工位為鉆削工位 。工件在機(jī)床上一次定位裝夾 ,同時完成銑、鉆削加工內(nèi)容 ,有利于保證工件平面夾角及位置尺寸精度和各孔的坐標(biāo)尺寸精度。機(jī)床的生產(chǎn)效率高 ,加工質(zhì)量穩(wěn)定 ,其機(jī)床的配置型式相當(dāng)于一條小型組合機(jī)床自動線。4 鉆削多軸主軸箱設(shè)計(jì)322000年第 3期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 圖 2 機(jī)床總圖由零件工藝分析知 ,鉆削孔加工關(guān)鍵是要保證三角形平面上的 3 - “615 對中心孔 “22 的對中位置精度為 0125 ,及腰圓形平面上的 2 - “815 對中心 “22的對中位置精度為 0125。這一尺寸精度要求較高。我們分析 ,如果采用帶鉆模板導(dǎo)向方式一次同時完成鉆削加工 ,則孔與孔之間的位置精度 0125 容易實(shí)現(xiàn) ,設(shè)計(jì)制造也應(yīng)不成問題。困難在于如何保證各個孔對中心孔 “22 的對中精度 。經(jīng)與工藝設(shè)計(jì)部門研究 ,為了保證孔的對中精度 ,同意將孔的鉆削加工與對“22 中心孔的锪削加工同時完成 。這樣在鉆削三角形平面上不但要設(shè)計(jì)布置三根鉆削主軸 ,而且中間還需插入一锪削主軸 ,即有四根主軸 ,其主軸最小軸間距由圖 1 知 20. 52 + 112 = 23. 26 ;同樣 ,在鉆削腰圓形平面上不但要設(shè)計(jì)布置兩根鉆削主軸 ,而且中間也需插入一锪削主軸 ,共有三根主軸 ,其主軸最小軸間距為23。按目前我國組合機(jī)床設(shè)計(jì)資料推薦 ,采用錯開的滾針軸承主軸排列其最小軸間距為 24mm。而小于24mm 軸間距的主軸箱設(shè)計(jì) ,我們通常視為設(shè)計(jì)“禁區(qū)”。為了保證主軸箱較小的軸間距布置 ,一般采用滾針軸承。根據(jù)對用戶走訪的反映 ,這種無保持架的滾針軸承 ,在使用過程中可靠性差 ,容易產(chǎn)生抱軸和發(fā)熱 ,工作穩(wěn)定性較差。從主軸箱設(shè)計(jì)制造角度考慮 ,將锪鉸中心孔 “22 從組合機(jī)床加工中撤下 ,在組合機(jī)床后續(xù)加工中專設(shè)一道锪鉸工序。但是 ,撤下組合機(jī)床對中心氣道孔口 “22 的锪鉸 ,則在鉆孔后難于保證各鉆削孔對中心孔 “22 對中要求精度 0125 ;并且要多增加一道工序和锪孔設(shè)備 ,不利于發(fā)揮組合機(jī)床工序集中、容易保證孔系加工位置精度的優(yōu)越性。因此 ,使用部門堅(jiān)持要求能在組合機(jī)床上同時完成鉆、锪孔加工?？紤]到使用部門的要求和切削加工效果 ,我們決定選擇鉆、锪孔同時進(jìn)行。為了使主軸箱實(shí)孔最小軸間距為 23mm ,并保證結(jié)構(gòu)可靠、工作穩(wěn)定 ,我們根據(jù)我國組合機(jī)床的設(shè)計(jì)方法 ,對主軸箱傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的改進(jìn)和創(chuàng)新 ,該設(shè)計(jì)方案在實(shí)際生產(chǎn)使用中經(jīng)受了檢驗(yàn) ,其主軸箱傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 3 所示 。該主軸箱設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn) :(1)傳動方案緊湊。為了在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)傳動 ,減小傳動路線 ,將中間锪鉸主軸 1 既作主軸又作傳動軸 ,在后排傳動兩根中間傳動軸 5 和 6。一般在設(shè)計(jì)傳動方案時 ,為了改善主軸受力 ,不宜采用主軸作傳動軸 ,但是 ,由于我們是將傳動放在主軸箱后壁最后排 ,锪鉸主軸 1 前端并不受傳動力 ,并且锪鉸切削力相對較小。因此 ,我們認(rèn)為采用這種傳動方案是可行的。(2)為了實(shí)現(xiàn)較小軸間距 ,我們采取了將徑向、軸向軸承都取錯開排列方式。為了避免徑向尺寸干涉 ,其主軸 2、 3 的徑向軸承安排在主軸箱前 、后壁中間。這樣 ,其主軸的支承距 L 和主軸的懸伸量 a 懸伸比L / a 減小 ,會不會影響主軸的變形和加工精度呢 ? 我們考慮在組合機(jī)床剛性主軸箱設(shè)計(jì)時推薦 L / a = 1. 5 2 ,但是由于結(jié)構(gòu)原因 ,我們采用非剛性主軸設(shè)計(jì) ,加工精度靠主軸前端的活動鉆模板定位保證。因此 ,取較小的懸伸比在本主軸箱設(shè)計(jì)是必要的。(3) 用徑向滾珠軸承代替滾針軸承。為了使軸間距減小 ,傳統(tǒng)上徑向軸承都采取滾針軸承 ,由于在實(shí)際使用中 ,滾針軸承工作性能不理想 ,這一直為設(shè)計(jì)部門感到為難。我們研究認(rèn)為 ,目前國內(nèi)外軸承工業(yè)通過近年來的努力發(fā)展 ,已經(jīng)開發(fā)研制出高性能的超精系列結(jié)構(gòu)軸承 ,可以滿足機(jī)床的需要。而在鉆孔加工中 ,機(jī)床主軸主要承受軸向切削力 ,其徑向力不大。我們通過對國內(nèi)外軸承結(jié)構(gòu)、性能、價格比較 ,選擇了國產(chǎn)1000902 超輕系列徑向滾珠軸承 ,其外徑 D = 28、寬度B = 7 ,結(jié)構(gòu)緊湊 ,工作性能好。(4) 在結(jié)構(gòu)空間受限的情況下 ,為了提高主軸、傳動軸的剛度 ,在結(jié)構(gòu)上將主軸、傳動軸盡可能取較大外42 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù) 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 圖 3 主軸箱傳動結(jié)構(gòu)圖圖 4 主軸受力模型 圖 5 主軸用齒輪徑。為了防止齒輪和主軸徑發(fā)生碰撞 ,我們選擇將切削受力相對較小的锪鉸軸 ,中部取較小臺階軸徑 “12 ,以讓過齒輪外廓 ,其余主軸軸徑取標(biāo)準(zhǔn)主軸 “15 ,傳動軸取標(biāo)準(zhǔn) “20。(5) 主軸箱與動力箱動力傳遞取聯(lián)軸器傳動。按國內(nèi)資料推薦 ,一般設(shè)一級齒輪聯(lián)接傳動 ,為了改善受力和實(shí)現(xiàn)傳動方案 ,我們借鑒國外的經(jīng)驗(yàn) ,取聯(lián)軸器傳動形式。這樣 , 不但傳動安裝方便、減振 ,而且還改善了擔(dān)任傳動的锪鉸主軸的受力。因?yàn)槿绻捎脗鹘y(tǒng)齒輪傳動方式 ,锪鉸軸工作相當(dāng)于一懸臂梁 ,不但受扭力 M ,而且還受徑力 P的作用 ,如圖 4 a 所示。而采用聯(lián)軸器傳動則只受扭力 M ,不受徑向力 P(見圖 4 b) ,為卸荷式傳動軸。從而改善了既作主軸又作傳動軸的锪鉸主軸受力。(6) 提高齒輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于受空間結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)、齒數(shù)的限制 ,齒輪結(jié)構(gòu)空間有限 ,我們?nèi)↓X輪模數(shù)為115 或 2 ,齒數(shù)取大于 17。同時適當(dāng)加大齒輪寬度 ,并將傳遞扭力的平鍵移放到齒廓后端 ,如圖 5 所示結(jié)構(gòu) ,以提高齒輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度