某型數控鏜銑床主軸（zhóu）部件的優化改（gǎi）進
2020-10-15 來源： 沈機集團（tuán）昆明機床股（gǔ）份有限公司 作者：王勇 王全寶 田劉平 劉嘯，萬實
摘要：針對某（mǒu）型數控鏜銑床主軸部（bù）件在鬆刀時出現的主軸軸向竄動問題進行分析，找到原（yuán）因。 然後通（tōng）過不同方案對比，優選出（chū）主軸鬆刀卸荷機構的方（fāng）案，並對關鍵點進行了計算。 實（shí）踐證明，這種主軸鬆刀卸荷機構（gòu）解決了（le）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（mìng）；卸荷機構；主軸軸向竄動
主軸部件（jiàn）是機床的（de）重要部件之（zhī）一，是機床的執行件。它的功能是支承並帶動工件或刀具旋轉進行切削（xuē）， 主要承受切削力和驅動力等載荷。 主軸部件的工（gōng）作性能直接（jiē）影（yǐng）響著整台機（jī）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、鬆刀機構及傳動件等組成［1］。
某型（xíng）數控鏜銑（xǐ）床主軸拉刀力 15 kN，鬆刀力 25 kN。 對多台該型號機床（chuáng）在主軸端麵用百分（fèn）表測量發現， 鬆刀時主軸（zhóu）軸向竄動了 0．05～0．08 mm， 這說明（míng）鬆刀時主軸部件在鬆刀力的作用下發生（shēng）了（le）變形。通過（guò）對該型號機床傳統主軸部件結構分析發現，機床主軸鬆刀油缸施加的鬆刀力通過拉刀（dāo）杆壓（yā）縮碟（dié）形彈簧， 碟形（xíng）彈簧力作用在（zài）主軸上，再通過主軸（zhóu）傳到主軸軸承上，使（shǐ）主（zhǔ）軸軸承承受了所有的（de）鬆刀力（lì）。這麽大的鬆刀力頻繁作用（yòng）在主軸軸承上，將（jiāng）會嚴重影響主軸（zhóu）的旋轉精度，縮短主軸軸承壽命，甚至直接造成（chéng）主軸軸承的損壞。
為了（le）解決上述問題， 筆者對該機床主（zhǔ）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鬆刀（dāo）卸荷機構， 將（jiāng）原本由主軸軸承承受的鬆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（zhóu）承的受力狀況，解決了鬆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（kòng）鏜銑床改進前（qián）的主軸部件結構 圖。軸承套 14 安裝於機床（chuáng）滑枕上， 油缸座 7 固（gù）定安裝於（yú）軸承套14 上，鬆刀油缸（gāng）安裝於油缸座（zuò） 7 上。 該主軸部件的鬆刀過程為：液（yè）壓油從鬆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 麵接（jiē）觸，隨著（zhe）油（yóu）腔 A 中油壓逐步（bù）升高，活塞 1 通過壓圈 3 和壓塊 2 向左推拉刀杆 5， 拉刀杆 5 通過螺母 4 壓縮碟形彈（dàn）簧 6 向左運動， 推動拉爪 11 到達（dá）鬆刀（dāo）位置，鬆開刀具 13。 在整（zhěng）個鬆刀過程（chéng）中，鬆刀油缸通過活塞 1 施加的鬆刀力（lì）克服碟形彈簧（huáng）力， 壓縮碟形彈簧， 碟形彈簧力通過墊圈 9 傳遞到主軸 12 上（shàng），這個力再通過螺母 8 作用於主軸軸承 10 上。
新（xīn）的刀具裝入主軸後（hòu）， 液壓（yā）油（yóu）從拉刀進油口進入到油腔 B中（zhōng），活塞 1 在油壓和碟形彈簧力（lì）的作用下向右移動，同時拉刀杆機 械 設 計第 36 卷增刊 15 也在（zài）碟形彈簧力的作用下向右運動（dòng），拉動拉爪 11 退回到拉刀位置，拉緊刀具 13；此時油（yóu）腔 B 中油壓繼續升高，活塞（sāi） 1 在油壓的作用下，退回到鬆刀油缸右極限位置，與 C 麵分離。 在拉刀過程中，拉刀杆 5，拉爪 11 和刀具 13 受拉刀力的（de）拉伸作（zuò）用，主軸12 受拉刀力的壓縮作用。
通（tōng）過以（yǐ）上（shàng）分（fèn）析可以看出， 在主軸鬆刀（dāo）時主軸軸承（chéng）承受了所有的鬆刀力， 在（zài）使用機床進行切削（xuē）加工時， 需要頻繁的更換刀具，這（zhè）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（chéng）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鬆（sōng）刀、 拉刀（dāo）時（shí）的受力情況進行分析，發現主軸在鬆刀時主軸軸向竄動 0．05~0．08mm 的主要原因是：鬆（sōng）刀時，碟形（xíng）彈簧（huáng）力作用在主軸軸承上，主軸軸（zhóu）承受力變形引起了主軸軸（zhóu）向竄動。 為了改（gǎi）善主軸軸承的受力狀（zhuàng）況，在原主軸部件的基礎上增加主軸鬆刀卸荷機構，將鬆（sōng）刀力轉移到其它能（néng）夠承受較（jiào）大力的（de）零件上。方案一 ：卸荷盤設計（jì）為齒狀的鬆刀卸荷機 構［2］， 如圖 2所示。
圖（tú） 2 齒狀卸荷盤卸荷機構主軸（zhóu）部（bù）件結構圖
鬆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，然後液壓油注入油腔（qiāng） A 中，推動活塞 1 向左移動至與 C 麵接（jiē）觸，在油壓的作（zuò）用（yòng）下，浮動油缸套 17 向右移動至 D 麵與卸荷盤 15 接觸，此時油腔 A 中油壓繼續升高，達（dá）到鬆刀壓（yā）力，活塞 1 向左推拉刀杆 5 鬆開刀具 13，浮動油缸（gāng）套 17通過卸荷盤 15 向右拉主軸 12，這樣主軸軸承 10 就（jiù）不用再承受鬆刀力。拉刀時液壓油（yóu）注入油（yóu）腔 B 和油腔（qiāng） E 中，活塞 1 在油腔 B中油（yóu）壓和碟形彈簧力的作用下向右移動至圖 2a 中的位置（zhì），拉刀杆 5 回退拉緊刀具 13； 浮動（dòng）油缸（gāng）套（tào） 17 在油腔 E 中油壓的作用（yòng）下向左移動至 2a 中的位置，使 D 麵與卸荷盤脫開。
方案二：卸荷（hé）盤設計為圓（yuán）盤狀（zhuàng）的鬆（sōng）刀卸荷機構，如圖 3 所示。
圖 3 圓盤狀卸荷盤卸（xiè）荷機（jī）構主軸部件結構（gòu）圖
鬆刀時液壓（yā）油注（zhù）入油腔 A 中， 推動活塞 1 向左移動至（zhì）與 C麵接（jiē）觸，鬆刀油缸向右拉浮動油缸座 7，使（shǐ） D 麵與卸荷盤 15 接觸，此（cǐ）時油壓繼續升高，達到鬆刀壓力，活塞 1 向左推拉（lā）刀杆 5鬆開刀具（jù） 13，浮動油（yóu）缸座（zuò） 7 通過卸荷盤 15 向右拉主軸 12，使主軸軸承 10 不再承受（shòu）鬆刀力。 拉刀（dāo）時液壓油注（zhù）入油腔 B 中，活塞1在油（yóu）壓和碟形彈簧力的作用下向（xiàng）右移動至圖 3a 中的位置，拉刀杆 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（zuì）終壓緊固定在軸承套 14 上，使（shǐ） D 麵與（yǔ）卸（xiè）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（zhǔ）軸定向檢測（cè）裝置，成本較低，因此（cǐ）選擇方（fāng）案二為最終方案（àn）。
3 、改進後主軸部件的結構（gòu）分析
圖 3 所示為改進後的主軸部件結構圖。 軸承套 14 安裝於機床滑枕上，浮動油缸座 7 通過螺釘 17 壓（yā）縮彈簧 16，由彈（dàn）簧力（lì）壓緊安裝於軸（zhóu）承套 14 上，鬆刀油缸安裝於浮動油缸座 7 上，對原主軸部件上螺母 8 進行改進，在其右端麵上安裝卸荷盤 15。 改進後（hòu）主軸部件的鬆刀（dāo）過程為： 液壓油從鬆刀進油口進（jìn）入到油腔（qiāng）A 中，推動活塞 1 向（xiàng）左移動，直至活塞 1 與 C 麵接觸；隨著油腔A 中壓逐步升（shēng）高， 由（yóu）於壓縮彈簧 16 所需的力遠小於（yú）壓縮碟（dié）形彈簧 6所需的力，因此鬆刀油（yóu）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（yòu）移動，直至（zhì）浮動油缸座 7 上的 D 麵與卸荷盤 15 的左端麵（miàn）接觸，浮動（dòng）油缸座 7 停（tíng）止移動（dòng）；此時油腔（qiāng） A 中的油壓（yā）繼續升高，達到鬆刀壓力，活塞 1 通過壓圈 3 和壓塊 2 向左推拉刀（dāo）杆 5，拉刀杆 5 通過螺母 4 壓縮碟形彈（dàn）簧 6 向左運動，推動拉爪 11 到（dào）達鬆刀位置，鬆開刀具 13。 在整個鬆刀過程中，力的傳遞過程是：碟形彈簧 6 右端通過螺母 4 向右推拉刀杆 5 的力通過壓塊 2 和壓圈（quān） 3 作用在活塞 1 上，再通過油腔（qiāng） A 中的壓力油和鬆（sōng）刀油缸傳（chuán）遞到浮動油缸座 7 上，由於浮動油缸座 7 上的 D 麵與卸荷盤 15 的左端麵（miàn）是接觸（chù）的，所以力就傳到（dào）了卸荷盤 15 上，最終通（tōng）過螺母 8 向右拉主（zhǔ）軸 12， 而碟形彈簧 6 左端向左的碟形（xíng）彈簧力通過墊圈 9 向左推主軸 12。 這樣，整個鬆刀力最（zuì）終形成（chéng）了拉（lā）伸主軸的（de）拉力，保證了主軸軸承 10 不受鬆刀力的影響。
新的刀（dāo）具裝入（rù）主軸後，液（yè）壓油從拉（lā）刀進油口進入到油腔 B 中，活塞 1 在油壓和（hé）碟形彈簧力的作用下向右移（yí）動，同時拉刀杆5 也在碟形彈簧力的作用下向右運動， 拉動（dòng）拉爪 11 退回到拉刀位置，拉（lā）
緊刀具 13；此時油腔 B 中油壓繼（jì）續升高，活塞 1 在油壓的作用下，退回到鬆刀油缸右（yòu）極限位置，同時浮動油缸（gāng）座 7 在彈簧 16 的彈（dàn）簧力（lì）作用下向左運動（dòng），直至與（yǔ）軸承套 14 結（jié）合，最終活塞 1 與 C 麵分離，卸（xiè）荷（hé）盤 15 與 D 麵分離。 在這個過程中，拉刀杆 5，拉爪 11 和刀具 13 受拉（lā）刀力的拉伸作用，主（zhǔ）軸 12 受拉刀力的壓縮作用。
4 、卸荷盤的設計及螺（luó）釘規格的選用（yòng）
主軸部件改進後，主軸鬆刀時卸荷盤承受了所有的鬆刀力，因此卸荷盤和其上的（de）固定螺釘必須要有足夠的強（qiáng）度， 以免鬆刀時發生損壞。
4.1 確定卸荷盤的厚度（dù）尺寸
圖 3a 所示，浮動油缸座 7 的內孔直徑為 準d，主軸鬆（sōng）刀（dāo）時卸荷盤（pán） 15 在（zài）直徑（jìng）為 準d的圓周上受鬆刀力的剪切作用。 這就要求卸荷盤在鬆刀時承受的剪應力 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（gé）
在圓周上（shàng）均勻布置 8 顆螺釘將卸荷盤 15 固定連接在螺母8 上（shàng），主軸鬆刀時螺釘受鬆刀力的拉伸作用。 由螺釘的工作應（yīng）力σ不得超過材料的許用應（yīng）力［σ］，可（kě）求得螺釘直徑 d 的規格:
5 、驗證
通（tōng）過對多台改進主軸部件結構後的機床（chuáng）進（jìn）行檢測和實（shí）際驗證，鬆（sōng）刀時主（zhǔ）軸軸向竄（cuàn）動量僅為（wéi） 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（dé）到了巨大改善。 對（duì）多（duō）家用戶進行回訪，用戶反饋（kuì）：用（yòng）帶有主軸鬆刀（dāo）卸（xiè）荷機構（gòu）的機床進行加工，零件表麵光潔度高，切削性能穩定可靠。
6 、結語
實踐證明， 這種帶（dài）有鬆刀卸荷（hé）機（jī）構的主軸部件使（shǐ）主軸軸（zhóu）承除了承受切削力的作（zuò）用外，不再承受其餘外力的影響，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（tóng）行共享。
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