重型臥式車床尾軸回轉精度的可靠性研究

馬曉軍 王振宇 李革志 盧傳杰

（德州普利森機床有限公司，德州 253000）

對于臥式車床，頂尖間最大工件質量大于或等于10 t稱為重型臥式車床[1-2]。設計制造重型臥式車床的難點之一是工作精度的保持性，尤其是承受載荷后依舊能夠保持精度。國標中，重型臥式車床的精度檢驗項目大多是在機床空載狀態下檢測的[1]。當機床承受工件質量、切削力以及旋轉載荷后，它的工作精度往往會發生變化，尤其是長時間使用后，無法確保精度。

以德州普利森機床有限公司承重20 t的重型臥式車床尾軸回轉精度為例，機床出廠前檢驗，尾軸軸線精度、頂尖跳動均符合出廠標準。按照標準頂緊力[3]，用戶在使用一段時間后，尾軸頂尖跳動會增大，導致機床加工精度降低。針對此問題優化改進尾軸支撐結構，并進行受力分析。

1 結構改進優化

1.1 原結構

尾軸回轉精度及其保持性與尾軸承受的頂緊力有關[4-5]。對于機床自身結構而言，它主要取決于尾軸前端的支撐結構及其精度。圖1為原尾軸前支撐結構圖。

圖1中，尾軸8是可旋轉的，前端由圓柱滾子軸承4支撐，鎖緊螺母3與鎖緊螺母6將軸承4內環固定在尾軸8上。頂尖1與尾軸8的連接采用長錐結構。拆卸螺母2用于拆卸頂尖1。

機床出廠前檢驗，尾軸軸線精度、頂尖跳動均符合出廠標準。用戶使用一段時間后，尾軸頂尖跳動增大，加工精度降低。使用拆卸螺母2將頂尖1拆卸后發現，頂尖1后端長錐與尾軸8的錐孔接觸面積減小，錐面大端接觸面積很小，與出廠前的狀態不一致。將頂尖1與尾軸8返廠配磨，按照頂尖1的錐面重新配磨尾軸8的錐孔，使接觸面積達到理想狀態，頂尖回轉精度恢復出廠標準。用戶使用一段時間后，問題重復出現，表明尾軸8變形的可能性最大。用內徑表檢測尾軸8的錐孔精度，變化不明顯。使用標準塞規涂色法檢測錐孔，發現錐孔大端直徑增大，表明該結構在使用過程中尾軸8錐孔大端的變形朝增大的方向發展。

1.2 優化改進后的結構

圖2為優化改進后的尾軸前支撐結構圖。頂尖1由長錐定位結構改為長錐法蘭結構。將軸承3的位置前移，減小尾軸5在軸承3前端的懸伸量。將圖1中鎖緊螺母6定位軸承內環修改為圖2中墊圈4的軸肩定位，以提高接觸剛度。

長錐法蘭結構屬于過定位結構，即錐面與法蘭端面同時接觸，導致頂尖加工難度大。軸承內環軸肩定位結構和墊圈4厚度的確定也是加工難點。軸承內環與尾軸接觸面是1∶12的錐面，軸承在尾軸的軸向位置直接關系軸承游隙的大小與回轉精度。游隙增大，回轉精度降低；游隙較小，軸承容易發熱導致潤滑脂失效而燒壞軸承。

用戶使用情況證明，改進優化后的結構沒有再出現類似問題，精度保持性更好。

2 SolidWorks受力分析

以機床承受20 t工件質量為例計算尾軸變形情況。按照理論計算及行業經驗[3]，尾軸頂尖頂緊力Fz=72 000 N，重力Fy=10 000 N。將軸承位及尾軸末端設定為剛性連接。

圖3為原結構尾軸變形圖，圖4為優化改進后的尾軸結構變形圖。圖3中，尾軸前端兩處變形量分別為2.436×10-3mm和1.447×10-3mm。圖4中，相同位置的變形量分別為1.310×10-3mm和5.532×10-4mm。可見，優化改進后的尾軸變形量減小約50%，是尾軸精度保持性提升的主要原因。

新結構尾軸變形量減小的主要原因可能是軸承位置前移，也可能是頂尖結構改為過定位結構所致。將頂尖修改為原結構，計算尾軸變形情況，如圖5所示。相同位置的變形量分別為9.156×10-4mm和6.542×10-4mm，可見過定位結構使尾軸下端變形量減小，上端變形量增大，變化幅度很小。新結構變形量減小的主要原因是軸承位置前移導致尾軸懸伸量減小。

將優化改進后的尾軸結構更換為原頂尖，計算尾軸前端面16均分點處的變形位移量，如表1所示。表2計算了長錐法蘭頂尖結構相同位置的變形位移量。圖6是兩種結構位移變形量對比圖，即圓周展開成直線后的曲線圖。從圖6可以看出，長錐法蘭尾軸結構的變形量比較平穩，曲線呈現正余弦形狀。長錐定位尾軸結構的變形量差值大，曲線陡峭，呈現正態分布形狀。兩種曲線表明，過定位頂尖結構使尾軸截面變形后圓度更好，有利于頂尖錐孔接觸面積的保持性和尾軸回轉精度的保持性。需要注意，長錐定位結構的尾軸變形趨近于橢圓，不利于接觸面積的保持性，精度保持性相對較低。

表1 長錐頂尖尾軸結構的位移變形量

表2 長錐法蘭頂尖尾軸結構的位移變形量

長錐定位結構的頂尖頂緊力與工件重力完全轉變為錐孔的膨脹力，這種膨脹力是不對稱的，是該結構變形曲線為橢圓的原因。長錐法蘭頂尖的端面與尾軸端面接觸，具有很大的壓應力。這種壓應力減小了錐孔的膨脹力，是該結構如此變形的原因。

應該注意，兩種結構的變形量都很小，使用涂色法檢測接觸面積很難分辨優劣。過定位頂尖結構使尾軸錐孔接觸面積更實，而錐孔定位的接觸面積相對較虛，直接影響其精度保持性。

3 結語

以德州普利森機床有限公司承重20 t的重型臥式車床尾軸前支撐結構優化改進為例，使用SolidWorks進行計算對比，分析了尾軸回轉精度保持性提高的原因。尾軸前支撐軸承應盡量靠近前端，減小尾軸懸伸量，使尾軸變形更小。過定位頂尖的使用使尾軸變形后圓度較好，有利于提升尾軸回轉精度的保持性。