抱軸箱體雙面臥式數(shù)控車鏜床設(shè)計(jì)

周海泉，周文錦

(江西奈爾斯西蒙斯赫根賽特中機(jī)有限公司，南昌 330096)

0 引言

抱軸箱是連接牽引電機(jī)與輪對(duì)的重要部件之一[1]。根據(jù)調(diào)研機(jī)車車輛廠的抱軸箱體兩端內(nèi)孔、外圓、端面、倒角和切槽等的加工都是采用加工中心來(lái)完成的，例如有公司曾采用加工中心五面體M-VR28/34D、德馬吉臥式加工中心對(duì)滾動(dòng)抱軸箱進(jìn)行加工，并做相應(yīng)工裝[2]。

采用加工中心加工抱軸箱體自然也可以滿足一定需求，但在加工兩端內(nèi)孔、外圓、端面、倒角和切槽時(shí)存在如下問(wèn)題：其加工精度是設(shè)備精度和操作人員水平的綜合結(jié)果，例如抱軸箱體兩端軸承孔的加工需要調(diào)頭才能完成，右端軸承孔工序完成后，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，同樣找正基準(zhǔn)A平面，找正誤差控制在0.01 mm 以內(nèi)，最后加工左端軸承孔，保證兩端軸承孔位置度和同軸度要求[3]；再者調(diào)頭鏜孔工藝方法本身，就必然導(dǎo)致同軸度誤差的存在[4]。加工端面及階梯孔時(shí)需要頻繁換刀，且有些鏜刀和外圓套車刀的直徑和質(zhì)量都大，超出一般自動(dòng)換刀刀庫(kù)的允許范圍。右端外圓槽的加工采用鋸片銑刀銑削，加工效率低，且其槽底部的全跳動(dòng)0.03 mm難以得到保證。端面環(huán)形槽采用直角立銑刀加工，加工效率低。

為更好地滿足抱軸箱體兩端的加工要求，研制了抱軸箱體雙面臥式數(shù)控車鏜床。該機(jī)床采用兩端主軸箱固定，中間數(shù)控工作臺(tái)移動(dòng)的加工方式。考慮到數(shù)控平旋盤因采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)加上無(wú)間隙傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)模式，所以可以完成精度要求高的階梯孔及復(fù)雜旋轉(zhuǎn)體型面的數(shù)控控制車鏜加工，具有定位精度和重復(fù)定位精度高的優(yōu)點(diǎn)[5]。因此兩端主軸箱的主軸端部創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)安裝了數(shù)控平旋盤，機(jī)床組裝時(shí)先調(diào)平床身，保證中間數(shù)控工作臺(tái)移動(dòng)的水平及垂向的直線度全程0.01 mm，左右主軸箱的主軸軸線與工作臺(tái)的平行度小于0.01 mm/300 mm，左右主軸箱的同軸度小于0.01 mm。數(shù)控平旋盤的引入使該機(jī)床具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、對(duì)操作者的熟練程度要求低、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。

1 加工要求及加工工序圖

采用抱軸箱體的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)A、B、C定位，并在其對(duì)應(yīng)定位點(diǎn)的位置夾緊，一般情況下，工藝加工會(huì)選擇將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為工藝基準(zhǔn)，以保證加工的零件尺寸符合設(shè)計(jì)要求[6]，如圖1所示為抱軸箱體的加工工序圖。要求經(jīng)一次安裝定位完成抱軸箱體兩端所有加工工序，確保各尺寸及公差、粗糙度、形位公差符合圖紙要求。

圖1 加工工序圖

左端加工部位及要求：

右端加工部位及要求：

2 加工示意圖

如圖2所示為抱軸箱體的加工示意圖。加工端面時(shí)，數(shù)控工作臺(tái)移動(dòng)定位，主軸旋轉(zhuǎn)，數(shù)控平旋盤滑塊數(shù)控進(jìn)給實(shí)現(xiàn)端面車削；加工階梯孔時(shí)，數(shù)控平旋盤滑塊數(shù)控移位，主軸旋轉(zhuǎn)，數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)給實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔鏜削；加工倒角時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)，數(shù)控平旋盤與數(shù)控工作臺(tái)通過(guò)程序插補(bǔ)完成；加工外圓時(shí)，先更換數(shù)控平旋盤滑塊上的刀具，主軸旋轉(zhuǎn)，數(shù)控平旋盤滑塊數(shù)控移位，數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)給實(shí)現(xiàn)外圓套車；加工外圓槽時(shí)，更換數(shù)控平旋盤滑塊上的刀具，主軸旋轉(zhuǎn)，數(shù)控工作臺(tái)移位后數(shù)控平旋盤滑塊進(jìn)給切槽，由于該槽的寬度較大，切槽采用三次數(shù)控工作臺(tái)移位后數(shù)控平旋盤滑塊進(jìn)給，最后數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)給加工槽底，以確保槽底的全跳到符合圖紙要求。

為確保抱軸箱體軸承孔的精度，精鏜孔刀具采用微調(diào)鏜刀桿，并將該鏜刀桿安裝在數(shù)控平旋盤的盤體上。精鏜孔時(shí)，滑塊移位使刀座位于主軸的中心位置，主軸旋轉(zhuǎn)，數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)給。

為確保右端外圓的精度，其精鏜孔刀具采用微調(diào)鏜刀桿，并將該鏜刀桿安裝在數(shù)控平旋盤的盤體上。精鏜孔時(shí)，數(shù)控平旋盤移位使滑塊上的刀座處于中心位置，主軸旋轉(zhuǎn)，數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)給。

圖2 加工示意圖

3 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)

綜上所述該機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

4 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)床總體布局

機(jī)床采用雙面臥式布置，左右主軸箱分別安裝于機(jī)床床身的左右兩端，數(shù)控工作臺(tái)安裝于整體床身的中部。工作臺(tái)臺(tái)面上設(shè)計(jì)有三條T型槽，其中中間槽為夾具的定位槽，以便于夾具的定位、安裝，如圖3所示為該機(jī)床總體結(jié)構(gòu)[7-8]。

該機(jī)床主要由左右主軸箱、數(shù)控平旋盤、操作臺(tái)、夾具、防護(hù)、數(shù)控工作臺(tái)、刀具、電氣控制系統(tǒng)及潤(rùn)滑等幾大部分組成。

1.主軸箱 2.數(shù)控平旋盤 3.操作臺(tái) 4.夾具5.防護(hù) 6.數(shù)控工作臺(tái) 7.刀具 8.電氣控制系統(tǒng)

4.2 主軸箱

左右主軸箱分別安裝于機(jī)床床身的兩端，主軸箱采用三級(jí)齒輪減速，主電機(jī)采用變頻調(diào)速，主軸箱的齒輪潤(rùn)滑采用飛濺潤(rùn)滑，軸承的潤(rùn)滑采用鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。主軸箱主要由精密導(dǎo)電滑環(huán)、主電機(jī)、伺服電機(jī)、主軸箱體、主軸、高精度螺旋傘齒輪等組成，如圖4所示。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)控平旋盤的伺服驅(qū)動(dòng)，主軸設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，數(shù)控平旋盤的驅(qū)動(dòng)安裝于主軸的芯部；由于伺服電機(jī)安裝于主軸的尾端并隨同主軸一起旋轉(zhuǎn)，因此采用精密導(dǎo)電滑環(huán)給交流伺服電機(jī)配電；西門子交流伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸相聯(lián)，傳動(dòng)軸靠近主軸前端安裝有高精度螺旋傘齒輪，高精度螺旋傘齒輪采用脹套與傳動(dòng)軸間聯(lián)接，脹套聯(lián)接實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，定心性好，裝拆方便，承載能力高，不削弱被聯(lián)接件[9]。主軸箱的高精度螺旋傘齒輪與數(shù)控平旋盤滾珠絲桿上的高精度螺旋傘齒輪嚙合，驅(qū)動(dòng)數(shù)控平旋盤的滾珠絲桿。

1.精密導(dǎo)電滑環(huán) 2.主電機(jī)(變頻) 3.伺服電機(jī)4.主軸箱體 5.主軸 6.高精度螺旋傘齒輪

4.3 數(shù)控平旋盤

兩個(gè)數(shù)控平旋盤通過(guò)止口定位、螺釘固定安裝于左右主軸的端面上，數(shù)控平旋盤主要由平旋盤體、滑塊、直線導(dǎo)軌、螺釘、脹套、滾珠絲杠、高精度螺旋傘齒輪等組成，如圖5所示。

1.平旋盤體 2.滑塊 3.直線導(dǎo)軌 4.螺釘5.脹套 6.滾珠絲杠 7.高精度螺旋傘齒輪

為提高數(shù)控平旋盤滑塊的運(yùn)動(dòng)精度、減少磨損，其導(dǎo)軌采用直線導(dǎo)軌；伺服電機(jī)與中間軸的聯(lián)接采用彈性聯(lián)軸器，齒輪與中間軸及滾珠絲杠的聯(lián)接采用脹套，齒輪采用高精度螺旋傘齒輪，并在裝配時(shí)調(diào)整齒輪間隙，采用預(yù)緊力技術(shù)消除滾珠絲杠和滾動(dòng)軸承的間隙[10]，實(shí)現(xiàn)滑塊的高精度移位。

4.4 夾具

夾具通過(guò)定位鍵及螺釘定位安裝于數(shù)控工作臺(tái)上，采用抱軸箱體的A、B基準(zhǔn)面為水平定位基準(zhǔn)，以抱軸箱體320止口C基準(zhǔn)一側(cè)為橫向定位基準(zhǔn)，夾具部件圖如圖6所示。

水平定位基準(zhǔn)為4個(gè)等高的定位塊，其中兩個(gè)定位塊的側(cè)面兼顧對(duì)止口C基準(zhǔn)的定位；吊裝工件后，先擰緊兩個(gè)側(cè)面壓緊機(jī)構(gòu)的螺桿，確保止口C基準(zhǔn)貼靠側(cè)向定位塊，然后擰緊4個(gè)下壓機(jī)構(gòu)的螺母，確保A、B基準(zhǔn)定位牢靠并壓緊抱軸箱體。夾具主要由下壓機(jī)構(gòu)、定位塊、夾具體、側(cè)面壓緊機(jī)構(gòu)、螺釘、定位鍵等組成。

1.下壓機(jī)構(gòu) 2.定位塊 3.夾具體4.側(cè)面壓緊機(jī)構(gòu) 5.螺釘 6.定位鍵

4.5 刀具

由于抱軸箱體兩端的加工工序多，所需的切削加工刀具種類也多，因此該機(jī)床采用了以下刀具配置方案：在數(shù)控平旋盤滑塊上設(shè)計(jì)刀桿座，刀桿座前端安裝了瑞典山特維克的快換接桿，該快換接桿可快速更換用于加工內(nèi)孔、端面、倒角、外圓、端面環(huán)形槽及外圓槽的刀具；抱軸箱體軸承孔及外圓加工的精鏜刀安裝于平旋盤體上，精鏜刀采用瑞典山特維克的精鏜單元，微調(diào)精度為0.01 mm。具體參見圖2所示加工示意圖。

5 機(jī)床精度調(diào)試

機(jī)床數(shù)控工作臺(tái)及數(shù)控平旋盤精度調(diào)試：采用激光干涉儀對(duì)數(shù)控工作臺(tái)及數(shù)控平旋盤進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償[11]。通過(guò)補(bǔ)償后數(shù)控工作臺(tái)的定位精度為0.02 mm，重復(fù)定位精度為±0.01 mm；數(shù)控平旋盤的定位精度為0.01 mm，重復(fù)定位精度為±0.005 mm。

抱軸箱體軸承孔同軸度及位置度矯正：加工后的抱軸箱體用蔡司三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)夾具的定位件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，調(diào)整后再加工、檢測(cè)，經(jīng)反復(fù)加工檢測(cè)確定機(jī)床的所加工的精度能滿足圖紙要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文針對(duì)抱軸箱體兩端的加工特點(diǎn)，采用工序集中原則，提出了一次裝夾、快速換刀加工的工藝方案。

(2)根據(jù)工件工藝方案確定了其加工姿態(tài)，考慮加工姿態(tài)及加工方便等因素，設(shè)計(jì)了機(jī)床兩端各安裝一個(gè)帶數(shù)控平旋盤的主軸箱、中部設(shè)置縱向移動(dòng)的數(shù)控工作臺(tái)的整體布局方案。

(3)經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)表明：?jiǎn)蝹€(gè)抱軸箱體的輔助及加工時(shí)間不到60 min，較使用臥式加工中心所需要的近600 min相比，生產(chǎn)效率大幅提高；所有加工的尺寸、粗糙度及形位公差均滿足設(shè)計(jì)要求，且合格率在99.9%以上。