特大型轉盤軸承分度鉆孔機

劉靜，李玉川，劉丹丹，薛廷進

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039;2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

1 轉盤軸承安裝孔加工工藝分析

風電偏航、變槳軸承等特大型轉盤軸承內、外圈端面帶有很多各種不同類型的孔(圖1)，其中外圈安裝孔局部圖如圖2所示，圖中：D為外徑；d為內徑；H為軸承高度；A為軸承端面安裝孔中心徑，一般尺寸范圍為φ1 700～4 000 mm；a為安裝孔直徑，一般尺寸范圍為φ20～45 mm。特大型轉盤軸承外形尺寸大、安裝孔直徑大且數量多，安裝孔的加工精度和生產效率十分關鍵。

目前國內安裝孔的加工方法主要有2種，一種是采用分度臺劃線后固定在普通搖臂鉆床上進行孔加工，由于普通搖臂鉆床的工作臺尺寸小，通常需要在工作臺上再放置一個工字鋼焊接的支架，該鉆孔方式的分度精度、定位精度和生產效率都較低；另一種是在龍門式加工中心上改型，采用自動插補、雙坐標進給的方式進行孔加工，其鉆孔精度高,但對于單一環形均勻分布的安裝孔，該加工方法成本高。

圖1 特大型轉盤軸承

圖2 外圈安裝孔局部圖

因此，有必要對轉盤軸承鉆孔機進行改進，充分考慮工件的安裝定位和分度加工，保證高速、高效的完成安裝孔的加工。

2 機床總體設計

根據實際需求，新設計的轉盤軸承安裝孔分度鉆孔機整體結構如圖3所示，主要由床身、動立柱、工作臺、主軸、液壓系統、冷卻系統和防護裝置等組成，能夠垂直、水平和回轉運動。床身固定在地基上并支承立柱和主軸；由西門子802D數控系統控制的伺服電動機驅動動立柱在床身上做水平進給運動；主軸通過伺服電動機帶動沿立柱做垂直進給運動，由數控系統控制的動力主軸做鉆孔切削；回轉工作臺固定在地基上，由數控系統控制的伺服電動機驅動做回轉分度運動。

圖3 特大型轉盤軸承分度鉆孔機

2.1 床身

床身采用優質鑄鐵鑄造而成，其上安裝滾柱導軌副支承的動立柱，床身右端安裝伺服電動機，通過減速器驅動精密滾珠絲杠副，帶動動立柱部件做水平進給運動。當動立柱進給到位后，液壓啟動，2個夾緊滑塊將導軌夾緊，限制動立柱在加工過程中的振動。支承軸承采用高精密滾珠絲杠用軸承，確保進給精度和剛性。直線光柵尺的測頭安裝在床身側面，可以對水平進給進行閉環控制，實現工件的精確加工。

2.2 動立柱及主軸

動立柱及主軸是整個機床實現鉆削加工的功能部件，主要由動立柱、刀架、精密滾珠絲杠副、精密滾柱導軌單元、動力鉆削主軸單元、平衡油缸配重裝置、大功率主軸電動機和伺服電動機等組成。動立柱上端裝有伺服電動機，通過減速器驅動的滾珠絲杠副使主軸部件沿立柱上下運動。鉆削主軸采用高速精密主軸單元，具有刀具內冷和松拉刀功能，確保了刀具高速切削時斷屑和刀具的冷卻需要。為了保證垂直進給平穩，配置了液壓平衡缸裝置。

2.3 回轉工作臺

回轉工作臺固定在地面上，依靠回轉臺的旋轉帶動工件旋轉，達到分度的目的。工作臺采用圓光柵定位，保證分度及重復定位的精確性。重復定位精度為5"，分度精度為8"。工作臺上安裝有胎具，用于工件的固定。

2.4 液壓系統

機床配置2臺液壓站，一臺液壓站用于回轉工作臺的靜壓導軌浮起、鎖緊油缸夾緊和導軌靜壓潤滑，壓力分別為5 MPa和1 MPa；另一臺液壓站用于主軸刀具的松拉刀、精密導軌副夾緊滑塊的鎖緊以及主軸等的液壓平衡，主軸拉刀油缸壓力范圍為4.5～5.5 MPa，夾緊滑塊壓力范圍為8～15 MPa，液壓平衡油缸壓力為4.5 MPa。

2.5 刀具冷卻

機床刀具冷卻采用專用冷卻過濾裝置，系統壓力可達4 MPa，流量40 L/min。鉆削主軸帶有中空出水裝置，乳化液經冷卻油泵通過管路進入主軸內，對刀具進行冷卻，滿足強力高速鉆削的需要。

2.6 防護裝置

由于鉆削加工切屑較多，且冷卻乳化液壓力、流量較大，機床配置了接水盤和局部防水護罩，可以有效防止鐵屑和冷卻液飛濺，最大限度避免冷卻液流入地坑。

3 關鍵技術分析

大型數控金屬切削機床首先要求有足夠的剛度和強度，以確保機床加工精度；其次要求數控系統進行宜人化設計，硬件方便操作，軟件易學易用；同時具備各種防護措施，避免操作過程中產生意外。轉盤軸承分度鉆孔機的技術重點如下。

3.1 機床剛性

由于工件尺寸大、孔數多，鉆孔深度大，切削量較大，且要求快速進給，加工中容易產生振動，因此對整機剛性要求很高。運動件質量大需要較大的驅動力，使傳動絲杠等零件的尺寸增加，制造成本增加。在床身、動立柱、動力頭等大型鑄件設計中，合理布置筋板，做出三維造型后進行有限元分析，對薄弱部位進行加強，通過反復修正以達到質量相對較輕且剛性好，解決高速切削、高剛性與立柱、主軸部件質量的矛盾。

3.2 分度精度

工作臺在成熟產品的基礎上根據鉆孔剛度要求改型制造，采用靜壓導軌，通過西門子伺服電動機帶動高精度齒輪傳動，并采用消除間隙結構。工作臺中心配置海德漢圓光柵，數控系統通過圓光柵的反饋進行精確分度。

3.3 程序設計

針對鉆孔過程中出現扭矩增大，刀具易折斷在孔內的問題，設計自動提刀程序。當系統檢測到鉆削扭矩突然增大時，程序啟動，停止鉆削后刀具提升。

3.4 數控系統

整機通過配置先進的驅動、檢測等功能部件，驅動實現三軸運動，即Y軸(動立柱水平進給電動機)、Z軸(主軸部件垂直進給電動機)、B軸(工作臺回轉電動機)。

4 應用效果

以某三排圓柱滾子組合轉盤軸承內圈安裝孔加工為例(軸承參數A=3 358 mm，H=258 mm，a=45 mm，孔數量為72個)，采用傳統加工設備和新設備加工后的檢測結果見表1。由表可知，采用新設備的孔加工精度、效率均得到提高。目前，該設備已投入運行2年多，各項技術指標均滿足要求，極大地提高了轉盤軸承孔加工的效率，降低了工人勞動強度，適合長期連續加工。

表1 新、舊加工設備的結果對比