一種節(jié)約空間的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座軸承的應(yīng)用

王俊峰，周巖，焦建華，姜川

（齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005）

0 引言

數(shù)控重型立式銑車加工中心加工精度高、效率高，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是數(shù)控重型立式銑車加工中心的關(guān)鍵核心部件，承擔(dān)著承載工件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及精確分度的功能，其剛度、精度與穩(wěn)定性是機(jī)床的重要技術(shù)指標(biāo)，直接影響工件的加工精度。

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的剛度、穩(wěn)定性、承載能力、轉(zhuǎn)速等綜合性能反映了數(shù)控重型立式銑車加工中心的技術(shù)水平，也體現(xiàn)了數(shù)控加工中心的制造能力和水準(zhǔn)，并且直接關(guān)系到產(chǎn)品加工精度與生產(chǎn)效率。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)技術(shù)含量較高，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的研究開發(fā)一直受到機(jī)床行業(yè)的重視。同時(shí)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)體積的增加和減小直接影響了數(shù)控重型立式銑車加工中心的整機(jī)體積和質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)控車床質(zhì)量約1/4～1/3來源于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是各類數(shù)控銑床和加工中心的附件[1]，數(shù)控重型立式銑車加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要由工作臺(tái)面、工作臺(tái)底座、齒圈、主軸、軸承、回轉(zhuǎn)編碼器等部分組成。工作臺(tái)面通過軸承與主軸聯(lián)接，主軸則與工作臺(tái)底座通過螺栓固定連接，齒圈與工作臺(tái)面通過螺栓固定連接，在變速箱內(nèi)齒輪與工作臺(tái)齒圈嚙合后，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)軸通過變速箱降速增力，可以帶動(dòng)工作臺(tái)面的旋轉(zhuǎn)。

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)為提高加工精度、實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)分度可采用全閉環(huán)控制，位置檢測(cè)元件采用高精度旋轉(zhuǎn)編碼器。

因?yàn)榱⑹杰嚧矊?duì)加工工件的承載普遍較大，切削力也同樣較大，而回轉(zhuǎn)工作臺(tái)面在工件加工的過程中是需要在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸上旋轉(zhuǎn)的，這樣就使回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座主軸和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)面之間必須使用能夠同時(shí)承受徑向力和軸向力的軸承。由于滾動(dòng)軸承有許多優(yōu)點(diǎn)，加之制造精度提高，所以一般情況下，數(shù)控機(jī)床應(yīng)盡量采用滾動(dòng)軸承[2]。

在傳統(tǒng)的軸承布置中，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座的主軸軸承采用的方法是多種軸承進(jìn)行組合使用。多種軸承的組合使用可以保證回轉(zhuǎn)工作臺(tái)面在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸為中心的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)，又同時(shí)保證了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的大承載和加工工件時(shí)的大切削力。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)裝配如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)裝配示意圖

主軸安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座上，主軸和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座依靠配合止口定位，并通過螺釘和銷釘固定。大推力球軸承下軸承圈安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座上，并通過配合止口定位。齒圈內(nèi)孔與圓柱滾子軸承通過公差配合，下方通過擋圈固定軸承外環(huán)下端，齒圈落在大推力球軸承上。內(nèi)環(huán)帶斜度圓柱滾子軸承安裝在主軸上，并通過固定螺母鎖緊。將小推力球軸承安裝在齒圈上，通過配合止口定位，通過壓蓋與主軸固定連接，并通過調(diào)整螺釘來調(diào)整安裝軸承的預(yù)緊力。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)面與齒圈依靠止口定位，并通過螺釘和銷釘固定。

隨著現(xiàn)代機(jī)床加工工件質(zhì)量的不斷增大，加工工件時(shí)切削力的不斷提升，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)為了能夠達(dá)到更大的承載和切削力的要求，就需要繼續(xù)加大組合使用的軸承的規(guī)格。組合使用的軸承本身安裝就是十分占用空間的，而為了更大軸承的使用，還需要相應(yīng)地加大回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座的體積，以保證更大體積的組合使用軸承的安裝空間。

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座體積加大，其實(shí)是有利有弊的。在合理范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)丶哟蠡剞D(zhuǎn)工作臺(tái)底座，可以增加回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的整體剛度。但這種體積增加所代來的剛度是工作臺(tái)底座、主軸和工作臺(tái)面的大件自身的剛度，而在數(shù)控重型立式銑車加工中心的使用過程中，剛度薄弱處是起到旋轉(zhuǎn)作用的軸承的剛度，所以在大件自身在滿足回轉(zhuǎn)工作臺(tái)整體剛度的要求后，再繼續(xù)增加回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座大件的體積并不能補(bǔ)充軸承剛度不足的短板，也就無法提升機(jī)床的整體剛度。

而且多種軸承組合使用時(shí)，需要給每個(gè)軸承都提供定位用的孔面、軸面和平面，這樣對(duì)于組成回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的各個(gè)部件都有了較高的加工要求。同樣在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的裝配調(diào)試過程中，各個(gè)部件和軸承也都需要進(jìn)行仔細(xì)的裝配調(diào)整，以保證各處用于定位配合的孔面、軸面、配合良好，各處用于承重的平面接觸良好、受力均勻。以保證機(jī)床整體的精度與剛度，又能使軸承使用良好，保證軸承的使用壽命。

支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮軸承的配置、軸向定位與調(diào)整方法、潤(rùn)滑和密封、裝配與拆卸等一系列問題，總的要求是保證功能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)整方便、成本低[3]。

因?yàn)榛剞D(zhuǎn)工作臺(tái)是機(jī)床整體結(jié)構(gòu)布局的基礎(chǔ)，其他的部件都是圍繞著回轉(zhuǎn)工作臺(tái)排布的。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座外形尺寸增加后，機(jī)床的整體尺寸也必須相應(yīng)地增加，才能滿足機(jī)床所有結(jié)構(gòu)的安裝。這樣一來使得機(jī)床整體的尺寸都增加了，使機(jī)床整體變得笨重，同時(shí)也消耗了更多的金屬。機(jī)床在使用時(shí)也變得更加笨重，需要消耗更多能源。而消耗的能源變成了熱量，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)處產(chǎn)生額外的熱量的位置主要是回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的導(dǎo)軌面和軸承。軸承內(nèi)的摩擦可以描述為其對(duì)旋轉(zhuǎn)的總阻力，其表示軸承中的發(fā)熱量，因此決定了軸承的工作溫度。常用軸承材料可分三大類：1）金屬材料。如軸承合金、銅合金、鋁基合金和鑄鐵等。2）多孔質(zhì)金屬材料。3）非金屬材料。如工程塑料、碳-石墨等[4]。這些材質(zhì)在溫度發(fā)生變化時(shí)，材料本身會(huì)隨之發(fā)生膨脹或收縮，對(duì)機(jī)床精度產(chǎn)生一定影響。如果機(jī)器工作時(shí)有較大的溫度變化，那么工作溫度將使配合性質(zhì)發(fā)生變化。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于一般工作機(jī)械來說，套圈的溫度常高于其相鄰零件的溫度。這時(shí)，軸承內(nèi)圈可能因熱膨脹而與軸松動(dòng)，外圈可能因熱膨脹而與外殼孔脹緊，從而可能使原來需要外圈軸向游動(dòng)性能的支承喪失游動(dòng)性[5]。這樣不單單平白地增加了機(jī)床的生產(chǎn)、使用成本，降低了機(jī)床的精度，同時(shí)也造成了浪費(fèi)。

2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)內(nèi)的交叉滾子軸承結(jié)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)

交叉滾子軸承這種內(nèi)圈分割、外圈旋轉(zhuǎn)的特殊型號(hào)軸承，因被分割的內(nèi)環(huán)或外環(huán)，在裝入滾柱和間隔保持器后，與交叉滾柱軸環(huán)固定在一起，以防止互相分離，故安裝交叉滾柱軸環(huán)時(shí)操作簡(jiǎn)單。而且因?yàn)闈L柱交叉排列，因此只用一套交叉滾柱軸承就可以承受各個(gè)方向的載荷，與傳統(tǒng)型號(hào)相比，剛度提高3～4倍。交叉滾子軸承制作時(shí)已經(jīng)將游隙調(diào)整在最佳狀態(tài)，不必進(jìn)行間隙調(diào)整，可直接組裝。從前工業(yè)機(jī)器人中通常用作關(guān)節(jié)軸承，隨著生產(chǎn)工藝的提升，已經(jīng)開始應(yīng)用于其他行業(yè)了。

一種簡(jiǎn)潔的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座軸承結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其回轉(zhuǎn)工作臺(tái)交叉滾子軸承裝配示意如圖2所示。

圖2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)交叉滾子軸承裝配示意圖

主軸安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座上，主軸和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座依靠止口配合定位，并通過螺釘和銷釘固定。想要充分發(fā)揮軸承的承載能力，其內(nèi)外圈的內(nèi)、外徑整個(gè)圓周表面必須有牢固和均勻的支承為基礎(chǔ)。將交叉滾子軸承安裝在主軸軸徑上，主軸和交叉滾子軸承依靠止口配合定位。上壓環(huán)安裝在交叉滾子軸承上端面，通過止口配合定位，并通過調(diào)整螺釘來調(diào)整安裝軸承的預(yù)緊力。為了提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，增加軸承裝置的剛度，減小機(jī)器工作時(shí)軸的振動(dòng)，常采用預(yù)緊的滾動(dòng)軸承[6]。滾動(dòng)軸承的預(yù)緊是采用適當(dāng)方法使軸承滾動(dòng)體和內(nèi)外套圈之間產(chǎn)生一定的預(yù)變形而帶負(fù)游隙運(yùn)行。預(yù)緊的目的是增加軸承的剛度，提高旋轉(zhuǎn)精度，延長(zhǎng)軸承壽命[7]。

齒圈落在交叉滾子軸承上端面，齒圈和交叉滾子軸承依靠止口配合定位。下壓環(huán)安裝在交叉滾子軸承下端面，與交叉滾子軸承通過止口配合定位，并通過調(diào)整螺釘來調(diào)整安裝軸承的預(yù)緊力。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)面與齒圈依靠止口配合定位，并通過螺釘和銷釘固定。

因?yàn)橹皇褂靡惶纵S承，就可以達(dá)到多個(gè)軸承組合使用的要求。相比多個(gè)軸承組合使用，軸承的整體體積減小了40%～50%。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)也可以在滿足整體剛度的要求下，盡可能地減小體積。經(jīng)對(duì)比，在保持回轉(zhuǎn)工作臺(tái)整體剛度不變的前提下，工作臺(tái)底座的體積能減少10%～25%，相應(yīng)地可以減少機(jī)床的整體體積約3%～8%，機(jī)床總重能降低約2%～10%，使機(jī)床外形更加合理。同時(shí)因?yàn)闄C(jī)床總重的減小，在使用中可以極大地減小能量在傳遞過程中的損耗，還可以減少機(jī)床的總體發(fā)熱量。

而且只使用一套軸承，就可以達(dá)到多個(gè)軸承組合使用的要求。而且因?yàn)榭s小了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)所需的體積，可以減小能量的消耗、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的總發(fā)熱量，并減少軸承上的溫度變化、一部分軸承的微量變形。軸承發(fā)熱會(huì)使軸承發(fā)生微量變形，因?yàn)榻M合使用的軸承相當(dāng)于多個(gè)發(fā)熱點(diǎn)，多個(gè)軸承發(fā)生熱變形，變形情況較為復(fù)雜。而一套交叉滾子軸承則是一個(gè)發(fā)熱點(diǎn)，一個(gè)軸承發(fā)生熱變形，變形是均勻的環(huán)狀變形，相對(duì)于多個(gè)軸承的復(fù)雜變形，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作精度更加容易保證。

與多種軸承組合使用不同的是，只需要給一個(gè)交叉滾子軸承提供一套用于定位和承載用的孔面、軸面和平面，這樣就減少了需要加工的孔面、軸面和平面，降低了對(duì)于組成回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的各個(gè)件的加工要求。同樣在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的裝配調(diào)試過程中，也減少了需要裝配調(diào)整的孔面、軸面和平面，可以更加簡(jiǎn)單地達(dá)到保證各處用于定位配合的孔面、軸面配合良好的要求，也可以更加簡(jiǎn)單地保證各處用于承重平面的接觸良好、受力均勻。可以更加簡(jiǎn)單地達(dá)到保證機(jī)床整體的精度與剛度，又能使軸承使用良好，保證軸承的使用壽命的要求。

因?yàn)榻徊鏉L子軸承能承受較高的傾覆力矩，用于機(jī)床（例如立式鏜床和磨床）的轉(zhuǎn)臺(tái)軸承最理想。用交叉滾子軸承替代組合使用的軸承，減少了機(jī)加的工作量，節(jié)約了機(jī)加成本，縮短了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)加時(shí)間3%～5%。對(duì)裝配來說，也減少了大量需要調(diào)整的環(huán)節(jié)，在減輕裝配工人工作量的同時(shí)，節(jié)約了勞動(dòng)力，減少了裝配消耗時(shí)間約5%～8%。同時(shí)也節(jié)約了機(jī)床生產(chǎn)所需的2%～10%的金屬。

因?yàn)闄C(jī)床體積的減小，在使用中可以極大地減小能量在傳遞過程中的損耗，可以選擇更小功率的電動(dòng)機(jī)，降低電動(dòng)機(jī)的成本。同時(shí)因?yàn)槠滟|(zhì)量的大大降低，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)做出啟停要求時(shí)需克服的慣性更低，使得機(jī)床在加工時(shí)的啟動(dòng)和停止更加順暢，以節(jié)約各個(gè)動(dòng)作時(shí)間，在保證加工精度的同時(shí)，縮短加工零件所需的時(shí)間，以保證更高的生產(chǎn)效率，為加工廠在單位時(shí)間能夠創(chuàng)造更多的生產(chǎn)利潤(rùn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了數(shù)控重型立式銑車加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，解決了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底座內(nèi)軸承占用空間過多的難題。經(jīng)實(shí)際使用證明，該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)剛度高、穩(wěn)定性好。本文設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)已大量配置在公司機(jī)床產(chǎn)品上，市場(chǎng)反饋良好。