主軸拉刀機構的結構改善及技術提升*

代春香，田亞峰

(1.四川大學 錦城學院 機械工程系，四川 611731； 2.寧波海天精工有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引 言

主軸是數控機床最關鍵的部件，對零件加工起著至關重要的作用，主軸結構的設計首先考慮的是其功能的實現，其次是加工及裝配的工藝性[1]。深孔加工是比較難以實現的，特別是有高精度要求且長徑比超過10倍以上的深孔，對于這類孔的加工，不僅主軸外圓和端面有很高的精度要求，內孔也有較高的精度要求。筆者通過對主軸結構關鍵位置的孔徑和孔深進行改動，并且使與其相配合的零件改動量相對較小，從而解決了主軸部件工作中可能出現的失效問題，使之達到良好的加工和裝配工藝性，具有提高機床主軸部件穩定性和可靠性等價值。

1 機床主軸部件存在的問題和原因分析

1.1 存在的問題

龍門系列機床及臥式加工中心具有性能優良、加工范圍廣、高精度、高可靠性和高剛度等特點，超高的機床精度也對各關鍵部件的精度提出極高的要求，而主軸作為數控機床中最為關鍵的部件，更是最為需要保證其各項精度。數控機床在幾十年的的發展歷程中，雖然已解決了很多疑難問題，但也存在著一些問題急待解決[2]。

機床主軸部件可能存在如下問題，主軸內孔加工后光潔度不夠，導致O型圈易割壞；O型圈割壞后導致碟簧進水生銹，進而失效；主軸各內孔同軸度不好，導致整套拉刀機構裝配后彎曲變形，影響拉刀力大小及在長期使用過程中內孔與外圓發生互研，使其功能失效，如圖1右測圓圈所示部位。

圖1 主軸拉刀機構裝配示意圖1.拉爪 2.主軸 3.拉桿 4.套筒 5.碟簧 6.墊 7.鎖緊螺母 8.后端壓蓋

1.2 原因分析

常見機床主軸結構圖如圖2所示，其主軸材料為20CrMo，熱處理方式是正火+滲碳淬火S0.9-C58。根據圖紙尺寸、加工精度要求和企業現有的加工設備等狀況，以圖3所示工藝路線來加工此主軸，主軸的前端內孔?35及后端內孔?52、?52.2分別如圖2的②及③、④所示進行精加工。

圖2 機床主軸結構圖

圖3 滲碳主軸典型加工工藝路線

在精加工過程中就存在以下幾個問題：①主軸外圓在此序加工內孔時需2次裝夾，按外圓找正各項精度不會太高，跳動在0.02以上，這易導致外圓跟內孔、各內孔之間的同軸度存在一定的誤差；②前端內孔Φ35孔徑小，進行半精車時振動厲害，精鉸孔后刀痕清晰，裝配時易割壞O型圈，再則自制刀桿剛性差容易導致內孔與外圓不同軸；③由于內孔都由鉸刀精鉸而成，孔徑由鉸刀的尺寸控制，因此存在內孔與拉桿配合間隙過大的問題；④主軸外圓跟內孔、各內孔之間的同軸度差，易導致主軸裝配完后動平衡差，影響精度及溫升[3]。綜上所述，一套主軸的拉刀機構主要由拉爪、拉桿、套筒、碟簧、墊、鎖緊螺母等組成，詳見圖1，其中與主軸內孔φ35H9、φ52H9及與后端壓蓋φ42H7處緊密配合，其本身存在同軸度相關問題，且后端壓蓋與主軸外圓又緊密配合，必然導致與拉桿配合的三處孔φ35、φ52及φ42同軸度差，這就是為什么主軸內孔φ52的直徑加工大，而裝配拉桿機構時還存在憋勁和不順暢等困難，以及拉桿機構在長期使用過程中，內孔與外圓發生互研的原因。

2 解決措施

針對主軸內孔加工出現的一系列問題和對主軸拉刀機構的分析[4]，及企業現有的設備加工能力，可以得出一些解決措施。在不影響使用功能的前提下，可對主軸結構進行改進。

首先，將圖2所示①處孔深縮短為270，將其所示②處孔改為φ42H7，修改后如圖4所示。在馬扎克進行φ42H7孔半精車，在數控內磨上加工φ43H7、φ42孔時，一起進行磨削加工，這樣外圓找正精度高，跳動在0.005左右。這樣即保證了主軸前端各內孔之間及其與外圓的同軸度，又提高了φ42H7內孔的表面光潔度，裝配時O型圈不易割壞，主軸密封性也較好，碟簧不易進水、生銹和失效，在后繼跟進過程中發現此效果良好。針對后端沒有壓蓋的主軸機構，可以磨削主軸后端的內孔，與前端內孔φ42H7一起作為拉刀機構部件的兩段定位孔。

圖4 機床主軸結構改善圖

3 數控系統測試結論

以上主軸結構改動較小，只是把φ35內孔擴大為φ42、且孔深縮短，φ52內孔孔深加深了。與其配合的零件也不用進行大的更改，只需更改拉桿的前端外圓直徑和長度，及把套筒長度加長，其他零件都不用改動。由此可見，經過結構改善的主軸結構，既能滿足機床的使用功能要求，又具有良好的加工和裝配工藝性，不僅能解決以前經常出現的一些問題，而且提高了機床主軸部件的穩定性、可靠性。這種改善后的結構在理論上和實踐中證明都是可行的，應該得到很好的推廣。