軸承座加工回轉工作臺設計

王少輝

軋輥軸承是軋機工作機座中的重要部件，在各種軋機中，軸承座因隨軋輥頻繁更換而需要大量備件。由于軸承座結構復雜性，在實際生產中，需要頻繁將軸承座轉位裝夾以完成工作面或孔的加工，例如，部分鏜床工序在加工軸承孔后需多次臥放以加工兩個滑板面及垂直面[1]。對于自帶回轉工作臺的機床，可在電控指令下自動完成轉位，但對于無回轉工作臺或軸承座尺寸相對于回轉工作臺較小難以實現加工時自動轉位的機床而言，常常需借助人力及天車進行轉活。據統計，人工轉位裝夾一次約需要30 min，整個軸承座的加工過程中因人工轉位裝夾消耗的時間達4～5 h，浪費了大量的時間及人力。

對此，有必要設計一種簡單實用的回轉工作臺來提高中小型軸承座的加工效果及質量。

1 回轉工作臺總體方案設計

根據設計初衷，該回轉工作臺定位于中小型軸承座的加工，且能夠活動安裝，因此設計高度應盡量小，結構應盡量緊湊，以便于軸承座的裝夾。同時，回轉工作臺應具有自鎖功能，以防止加工時工作臺發生顫動，其轉動應平穩，以便于回轉角度的調整及提高使用安全性[2～3]。

據此，回轉工作臺主要由減速電機、蝸輪蝸桿機構、工作臺與基座、中間軸及鎖緊機構等組成。減速電機負責提供驅動力，保證輸出轉速滿足工藝需要；蝸輪蝸桿機構結構緊湊、速比大且具有一定自鎖性，在保證回轉工作臺結構緊湊的同時可在一定程度上防止加工時工作臺發生顫動。減速電機與蝸輪蝸桿機構為回轉工作臺的動力傳動部分，旋轉一周的時間設定為30 s，可以實現任意角度回轉。為方便回轉角度的調整，工作臺和基座之間裝有刻度盤。工作臺上開有T形槽，用以裝夾工件。工作臺與中間軸聯接，并通過推力球軸承固定在基座上，以承載工作臺和被加工軸承座的重量。當工作臺回轉到位后，通過手動鎖緊裝置將工作臺鎖緊，防止在加工過程中工作臺發生轉動（見圖1、表1）。

2 回轉工作臺結構設計

回轉工作臺主要由工作臺與基座部分、中間軸部分及鎖緊機構組成。

圖1 回轉工作臺結構示意圖

表1 回轉工作臺主要參數大小

2.1 工作臺與基座

工作臺和基座均由鑄鐵鑄造而成，根據所加工軸承座的尺寸，將工作臺尺寸設計為1.8 m×1.8 m。為了保證工作臺回轉平穩準確，將基座和工作臺之間設計成斜面接觸，其加工精度要求較高。在基座上鑄有吊耳，用于起吊。

2.2 中間軸

中間軸上端通過螺栓與工作臺聯接，中間與蝸輪聯接，下端裝有推力球軸承。工作時，蝸輪在電機及蝸桿的帶動下轉動，進而帶動中間軸及工作臺轉動，轉矩通過16個聯接螺栓傳遞。選用51326型推力球軸承，內徑?130 mm，外徑?225 mm，高度75 mm，額定靜載荷107 t，額定動載荷35 t，足以保證中小型軸承座的承載及加工需要。

2.3 鎖緊機構

鎖緊機構的作用是保證加工過程中工作臺不會發生顫動，主要由夾套、鎖緊絲杠、滑動楔塊、鎖緊杠桿、支座和摩擦片等構成，摩擦片安裝在中間軸上。

夾套通過螺栓固定于基座上，起限制鎖緊絲杠與基座相對位置的作用。絲杠與滑動楔塊由螺紋聯接，楔塊在支座內可自由滑動，鎖緊杠桿在滑動楔塊的帶動下，向下壓緊摩擦片，從而達到鎖緊的目的。滑動楔塊與鎖緊杠桿均安裝于支座上，考慮機構的裝配要求，在基座上開有滑道。安裝時，先置支座于滑道左側，待中間軸安裝好后，再將支座推至工作位置固定。

鎖緊時，旋松鎖緊絲杠，由于夾套固定于基座上，因此鎖緊絲杠與基座的相對位置不會發生變化，滑動楔塊在螺紋傳動下遠離夾套，楔塊上的斜面會帶動鎖緊杠桿向下壓緊摩擦片，摩擦片相對中間軸向下運動并與中間軸的斜面接觸，當摩擦力足夠大時夾緊中間軸，限制工作臺的轉動。

3 回轉工作臺動力傳動設計

3.1 蝸輪蝸桿

因蝸輪蝸桿傳動機構結構緊湊、傳送比大，可布置于基座內部，減小了工作臺的外部尺寸，并使基座內部空間得到有效利用。

蝸輪蝸桿傳動自鎖的條件為當蝸桿的導程角小于嚙合輪齒間的當量摩擦角時，機構具有自鎖性。通過計算確定傳動比為71，蝸輪齒數為71，模數6.3，中心距 280 mm，導程角 3°13′10″，蝸桿分度圓直徑112 mm，蝸桿為單頭蝸桿。

3.2 電機的選擇

工作臺主要做回轉運動，計算電機功率需要回轉工作臺主要部位及工件的轉動慣量。為此需首先確定主要部件的質量及回轉半徑（見表2）。

表2 主要部件質量m及回轉半徑r

則各部件轉動慣量

設計轉速為2 rpm，加速時間為1 s，則轉動加速度

則各部件轉動的等效轉矩為

M=Jβ=3237×0.21=680 N·m

考慮摩擦等其他因素，乘以系數1.2

M′=1.2M=1.2×680=816 N·m

代入公式電機功率計算公式

考慮使用效率及安全，計算電機功率為

P=5N=0.85 kW

依據計算結果，選用電機型號為GH 55-1500-20-S-B，額定功率1.5 kW，減速機減速比為20。

4 回轉工作臺受力及剛性分析

回轉工作臺的受力及剛性直接影響工件的加工精度和質量，本文借助有限元軟件對回轉工作臺的主要受力部件如工作臺、基座及中間軸在工作狀態下的受力及變形情況進行分析計算。

4.1 有限元模型的建立

選取工作臺與基座的材料為鑄鐵，中間軸的材料為45#鋼，將材料的力學性能賦予各分析部件。依據常見的中小型軸承座的重量并考慮裝夾時的螺栓預緊力，在工作臺表面施加180000 N的載荷，計算在此工況下工作臺、基座及中間軸的應力場與變形場分布情況。

4.2 分析結果

（1）由應力場分布情況可知，工作臺最大應力約2.7 MPa，集中于中間部位。基座的應力主要集中于接觸面處，最大應力約1.5 MPa。工作臺與基座的最大應力值均遠小于鑄鐵的抗拉強度，由于鑄鐵抗壓強度大于抗拉強度，而且軸承座加工時工作臺與基座主要受壓，因此二者的受力情況良好。中間軸的應力集中于下端與推力球軸承接觸的部位，最大應力約7.2 MPa，遠小于45#鋼的屈服強度355 MPa，所以中間軸受力情況良好（見圖2）。

（2）工作臺的最大變形發生在臺面邊緣與中心之間的區域，這一區域沒有與其他部件聯接，工作時處于懸空狀態，因此相對其他位置較易發生變形，最大變形量約6 μm，工作臺中間和邊緣分別與中間軸和基座接觸，變形量較小；基座的最大變形發生在與工作臺的接觸面上，最大變形量約4 μm，其他部位的變形量很小；中間軸最大變形發生在上端與工作臺接觸的部位，最大變形量約2 μm。計算結果表明，回轉工作臺整體剛性良好（見圖 3）。

圖2 各部件應力場分布

圖3 各部件變形情況

5 結語

由此可見，采用該回轉工作臺能使中小型軸承座的生產工序更加靈活，提高普通鏜床生產效率，降低工人勞動強度，減少天車占用時間。

[1]葛良水，齊家鳳，黃瓊玲.軋機軸承座精密加工關鍵技術研究[J].安徽冶金科技職業學院學報，2009,19（4）：50-53.

[2]趙群.加工中心回轉工作臺部件的結構分分析 [J].現代制造工程，2002,12 （5）：32－35.

[3]張立瑩.回轉工作臺夾緊機構淺析 [J].制造技術與機床，2001,5（3）：8－10.