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较小轴间距的组合机床主轴箱设计 |
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作者:王成志 吴永刚 黄立杰 |
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1前言
组合机床对多孔钻削加工具有较大的优势,它按孔的坐标分布位置实行一次加工,保证了孔的坐标位置尺寸精度。作为组合机床专用部件的主轴箱,有成熟固定的设计模式:标准的主轴箱体、前后侧盖、主轴、传动轴、齿轴、轴承等,以及成熟的传动、布局、结构设计方法可供选用。这是组合机床设计制造的长处。但是,如何根据制造工艺技术及组配件的要求,在设计上灵活应用并有所创新,以更好地适应加工工件的需要,是摆在我们组合机床设计人员面前的一个课题。最近,我们为重庆合力公司设计的YU02排气管接头组合机床进行了有益的尝试,并取得了较好的效果。
2工件加工要求分析
YU02排气管接头是按引进的日本某机械制作所设计图纸进行加工,是用于连接发动机与排气管道的重要零件,技术要求较高。该工件工艺简图如图1所示。
图1零件工艺简图 工件材料为硬度HB200~250的铸件,重量350g,年生产纲领为20万件。主要加工需完成:铣削两接合面(见图1中接头的三角形平面及腰圆形平面),钻削三角形平面上的3个通孔3—φ6.5mm、腰圆形平面上的两个通孔2—φ8.5mm。
分析工件的加工精度要求:为了保证工件最后的装配性能,除了保证在铣削两平面时其位置尺寸69.4mm,保证两平面夹角尺寸90°-25°=65°外,在钻削加工孔时,要求腰圆形平面上的两孔对排气道中心孔22尺寸为46±0.25,要求三角形平面上的三个孔对排气道中心孔22尺寸分别为41±0.25及45±0.25。
3组合机床方案布局设计
根据工件的加工要求,我们认为采用组合机床来同时完成其铣、钻削加工较为适宜。为了发挥组合机床加工工序集中高效率的特点,我们选择了铣、钻卧式三工位组合机床方案,机床的总体方案布局如图2。
图2机床总图 该组合机床采用了两铣削头和两钻削头,分别布置在工作行程为630mm的HY32-Ⅲ液压动力滑台的两侧,其随行液压自动夹具安装在滑台台面上,由滑台带夹具和工件完成纵向快速进给和铣削工作进给,并送到钻削工位完成钻孔。当工作滑台带夹具及工件强制通过两铣削头完成铣削加工后,动力滑台将夹具及工件快进送到钻削工位,由布置在两侧面左、右两个HY250滑台上的钻削头分别从两边对三角形平面和腰圆形平面上的5个孔完成钻削孔加工。机床的三个工位呈纵向布置:第Ⅰ工位为装卸工件工位,第Ⅱ工位为铣削加工工位,第Ⅲ工位为钻削工位。工件在机床上一次定位装夹,同时完成铣、钻削加工内容,有利于保证工件平面夹角及位置尺寸精度和各孔的坐标尺寸精度。机床的生产效率高,加工质量稳定,其机床的配置型式相当于一条小型组合机床自动线。
4钻削多轴主轴箱设计
由零件工艺分析知,钻削孔加工关键是要保证三角形平面上的3-φ6.5对中心孔φ22的对中位置精度为±0.25,及腰圆形平面上的2-φ8.5对中心22的对中位置精度为±0.25。这一尺寸精度要求较高。我们分析,如果采用带钻模板导向方式一次同时完成钻削加工,则孔与孔之间的位置精度±0.25容易实现,设计制造也应不成问题。困难在于如何保证各个孔对中心孔φ22的对中精度。经与工艺设计部门研究,为了保证孔的对中精度,同意将孔的钻削加工与对φ22中心孔的锪削加工同时完成。这样在钻削三角形平面上不但要设计布置三根钻削主轴,而且中间还需插入一锪削主轴,即有四根主轴,其主轴最小轴间距由图1知 ;同样,在钻削腰圆形平面上不但要设计布置两根钻削主轴,而且中间也需插入一锪削主轴,共有三根主轴,其主轴最小轴间距为23。按目前我国组合机床设计资料推荐,采用错开的滚针轴承主轴排列其最小轴间距为24mm。而小于24mm轴间距的主轴箱设计,我们通常视为设计“禁区”。
为了保证主轴箱较小的轴间距布置,一般采用滚针轴承。根据对用户走访的反映,这种无保持架的滚针轴承,在使用过程中可靠性差,容易产生抱轴和发热,工作稳定性较差。从主轴箱设计制造角度考虑,将锪铰中心孔φ22从组合机床加工中撤下,在组合机床后续加工中专设一道锪铰工序。但是,撤下组合机床对中心气道孔口φ22的锪铰,则在钻孔后难于保证各钻削孔对中心孔φ22对中要求精度±0.25;并且要多增加一道工序和锪孔设备,不利于发挥组合机床工序集中、容易保证孔系加工位置精度的优越性。因此,使用部门坚持要求能在组合机床上同时完成钻、锪孔加工。考虑到使用部门的要求和切削加工效果,我们决定选择钻、锪孔同时进行。
为了使主轴箱实孔最小轴间距为23mm,并保证结构可靠、工作稳定,我们根据我国组合机床的设计方法,对主轴箱传动结构进行了必要的改进和创新,该设计方案在实际生产使用中经受了检验,其主轴箱传动结构设计如图3所示。
图3主轴箱传动结构图 该主轴箱设计具有以下特点:
(1)传动方案紧凑。为了在较小的空间内实现结构传动,减小传动路线,将中间锪铰主轴1既作主轴又作传动轴,在后排传动两根中间传动轴5和6。一般在设计传动方案时,为了改善主轴受力,不宜采用主轴作传动轴,但是,由于我们是将传动放在主轴箱后壁最后排,锪铰主轴1前端并不受传动力,并且锪铰切削力相对较小。因此,我们认为采用这种传动方案是可行的。
(2)为了实现较小轴间距,我们采取了将径向、轴向轴承都取错开排列方式。为了避免径向尺寸干涉,其主轴2、3的径向轴承安排在主轴箱前、后壁中间。这样,其主轴的支承距L和主轴的悬伸量a悬伸比L/a减小,会不会影响主轴的变形和加工精度呢?我们考虑在组合机床刚性主轴箱设计时推荐L/a=1.5~2,但是由于结构原因,我们采用非刚性主轴设计,加工精度靠主轴前端的活动钻模板定位保证。因此,取较小的悬伸比在本主轴箱设计是必要的。
(3)用径向滚珠轴承代替滚针轴承。为了使轴间距减小,传统上径向轴承都采取滚针轴承,由于在实际使用中,滚针轴承工作性能不理想,这一直为设计部门感到为难。我们研究认为,目前国内外轴承工业通过近年来的努力发展,已经开发研制出高性能的超精系列结构轴承,可以满足机床的需要。而在钻孔加工中,机床主轴主要承受轴向切削力,其径向力不大。我们通过对国内外轴承结构、性能、价格比较,选择了国产1000902超轻系列径向滚珠轴承,其外径D=28、宽度B=7,结构紧凑,工作性能好。
(4)在结构空间受限的情况下,为了提高主轴、传动轴的刚度,在结构上将主轴、传动轴尽可能取较大外径。为了防止齿轮和主轴径发生碰撞,我们选择将切削受力相对较小的锪铰轴,中部取较小台阶轴径φ12,以让过齿轮外廓,其余主轴轴径取标准主轴φ15,传动轴取标准φ20。
(5)主轴箱与动力箱动力传递取联轴器传动。按国内资料推荐,一般设一级齿轮联接传动,为了改善受力和实现传动方案,我们借鉴国外的经验,取联轴器传动形式。这样,不但传动安装方便、减振,而且还改善了担任传动的锪铰主轴的受力。因为如果采用传统齿轮传动方式,锪铰轴工作相当于一悬臂梁,不但受扭力M,而且还受径力P的作用,如图4a所示。
图4主轴受力模型 而采用联轴器传动则只受扭力M,不受径向力P(见图4b),为卸荷式传动轴。从而改善了既作主轴又作传动轴的锪铰主轴受力。
(6)提高齿轮的结构强度。由于受空间结构及标准模数、齿数的限制,齿轮结构空间有限,我们取齿轮模数为1.5或2,齿数取大于17。同时适当加大齿轮宽度,并将传递扭力的平键移放到齿廓后端,如图5所示结构,以提高齿轮的结构强度。
图5主轴用齿轮 (end)
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(6/5/2007) |
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