某型數控鏜銑床主軸部件的優化改進
2020-10-15 來源： 沈機集團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：針對某型數控鏜銑床主軸部件在松刀時出現的主軸軸向竄動問題進行分析，找到原因。 然后通過不同方案對比，優選出主軸松刀卸荷機構的方案，并對關鍵點進行了計算。 實踐證明，這種主軸松刀卸荷機構解決了主軸軸向竄動問題，提高了機床的切削精度。
關鍵詞：旋轉精度；軸承壽命；卸荷機構；主軸軸向竄動
主軸部件是機床的重要部件之一，是機床的執行件。它的功能是支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削， 主要承受切削力和驅動力等載荷。 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量。 數控鏜銑床主軸部件主要由主軸、主軸軸承、拉刀機構、松刀機構及傳動件等組成［1］。
某型數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現， 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生了變形。通過對該型號機床傳統主軸部件結構分析發現，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，將會嚴重影響主軸的旋轉精度，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行了優化設計。 在該型號機床傳統主軸部件的基礎上增加了主軸松刀卸荷機構， 將原本由主軸軸承承受的松刀力轉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，提高了主軸旋轉精度的保持性，使機床性能更加穩定、可靠。
1 、改進前主軸部件的結構分析
圖 1 所示為某型數控鏜銑床改進前的主軸部件結構 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：液壓油從松刀進油口進入到油腔 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， 液壓油從拉刀進油口進入到油腔 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 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， 在使用機床進行切削加工時， 需要頻繁的更換刀具，這將會嚴重影響主軸的旋轉精度，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 改進前主軸部件結構圖
圖 1 2 、改進方案的確定
通過對改進前主軸部件結構和內部零件在松刀、 拉刀時的受力情況進行分析，發現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上增加主軸松刀卸荷機構，將松刀力轉移到其它能夠承受較大力的零件上。方案一 ：卸荷盤設計為齒狀的松刀卸荷機 構［2］， 如圖 2所示。
圖 2 齒狀卸荷盤卸荷機構主軸部件結構圖
松刀時先進行主軸定向，使卸荷盤 15 上的外齒與浮動油缸套 17 上的內齒對正，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 中油壓繼續升高，達到松刀壓力，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：卸荷盤設計為圓盤狀的松刀卸荷機構，如圖 3 所示。
圖 3 圓盤狀卸荷盤卸荷機構主軸部件結構圖
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，此時油壓繼續升高，達到松刀壓力，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，方案二結構簡單，零件容易加工、裝配方便，不需要設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 、改進后主軸部件的結構分析
圖 3 所示為改進后的主軸部件結構圖。 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 進行改進，在其右端面上安裝卸荷盤 15。 改進后主軸部件的松刀過程為： 液壓油從松刀進油口進入到油腔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 中的油壓繼續升高，達到松刀壓力，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，液壓油從拉刀進油口進入到油腔 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 、卸荷盤的設計及螺釘規格的選用
主軸部件改進后，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 的內孔直徑為 準d，主軸松刀時卸荷盤 15 在直徑為 準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力 τ不得超過材料的許用剪應力［τ］［4］，即：
4.2 確定螺釘的規格
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。 由螺釘的工作應力σ不得超過材料的許用應力［σ］，可求得螺釘直徑 d 的規格:
5 、驗證
通過對多臺改進主軸部件結構后的機床進行檢測和實際驗證，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。 對多家用戶進行回訪，用戶反饋：用帶有主軸松刀卸荷機構的機床進行加工，零件表面光潔度高，切削性能穩定可靠。
6 、結語
實踐證明， 這種帶有松刀卸荷機構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定可靠。 故拋磚引玉，寫出來與廣大同行共享。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
