一種龍門加工中心的成功改造

夏向陽 張 輝 李旭華 周 凱

（江蘇新瑞機(jī)床有限公司，江蘇常州 213166）

1 問題的提出

筆者公司已出廠多年的一臺(tái)TH42160C-300龍門加工中心，由于客戶加工的對(duì)象與剛購買時(shí)相比發(fā)生了變化，客戶準(zhǔn)備接一批零件加工，該零件工藝需要機(jī)床具備深孔鉆削和主軸轉(zhuǎn)速4 000 r/min功能，而這臺(tái)設(shè)備是一款適合低速大扭距切削的機(jī)床，強(qiáng)力切削是這臺(tái)設(shè)備的強(qiáng)項(xiàng)，設(shè)計(jì)時(shí)未能兼顧到主軸開高速。為了能夠接下這批大定單，客戶單位的設(shè)備維護(hù)人員找到了我們，希望我們能對(duì)這臺(tái)機(jī)床進(jìn)行有償?shù)母脑煲员隳軌蝽樌酉逻@批大定單。

2 問題的分析和解決

為使客戶能夠順利接下這批大定單，我們?cè)谧疃虝r(shí)間內(nèi)用最佳的整改方案使這臺(tái)機(jī)床滿足了以下要求：（1）深孔鉆功能；（2）機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速由目前的2 000 r/min提高到4 000 r/min。

深孔鉆機(jī)床必需具備以下4個(gè)條件：（1）機(jī)床的主軸徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)≤0.008 mm；（2）進(jìn)給軸具備無級(jí)調(diào)速功能；（3）具備足夠壓力（壓力達(dá)到1～10 MP）、流量（流量達(dá)到50～150 L/min）和潔凈度（懸浮顆粒最大線長度不大于80!m）的冷卻液系統(tǒng)；（4）機(jī)床具備主軸中心出水功能。針對(duì)以上4個(gè)條件，下面結(jié)合這臺(tái)機(jī)床的實(shí)際情況逐條分析整改。

對(duì)于深孔鉆機(jī)床必需具備的條件（1），這臺(tái)機(jī)床出廠合格證指標(biāo)為主軸徑向跳動(dòng)≤0.007 mm、軸向竄動(dòng)≤0.005 mm均滿足要求，現(xiàn)場(chǎng)打表測(cè)量主軸徑向跳動(dòng)0.003 mm、軸向竄動(dòng)0.002 mm也均滿足要求，此項(xiàng)無需整改。

對(duì)于深孔鉆機(jī)床必需具備的條件（2），這臺(tái)機(jī)床X、Y、Z三個(gè)進(jìn)給軸全部為數(shù)控?zé)o級(jí)變速，也滿足要求，此項(xiàng)也無需整改。

對(duì)于深孔鉆機(jī)床必需具備的條件（3），這臺(tái)機(jī)床出廠時(shí)并不具備，需要重點(diǎn)改進(jìn)。這臺(tái)機(jī)床采用的冷卻泵為QLY4.8-7.5×10多級(jí)泵 ，該泵的工作壓力為0.75 MP、工作流量為80 L/min，流量已滿足要求，工作壓力太小。我們的改進(jìn)措施是：保留這只多級(jí)泵作為刀具外冷時(shí)的專用冷卻泵，在水箱上增補(bǔ)一只高壓泵TFS364/6.0（11 kW 1PH55 50 Hz）作為深孔加工時(shí)的專用冷卻泵，該泵的工作壓力為6 MPa、流量73 L/min，能夠滿足深孔鉆的壓力和流量需求；為了滿足深孔鉆冷卻液潔凈度要求，在原來的凈水箱上加裝紙帶過濾器和磁性分離器，改裝后的冷卻液過濾精度可以達(dá)到60!m以內(nèi)，冷卻液潔凈度滿足要求。

對(duì)于深孔鉆機(jī)床必需具備的條件（4），這臺(tái)機(jī)床出廠時(shí)不具備，也需要重點(diǎn)改進(jìn)。改進(jìn)前的機(jī)床主傳動(dòng)和主軸結(jié)構(gòu)見圖1，改進(jìn)后的機(jī)床主傳動(dòng)和主軸結(jié)構(gòu)見圖2。改進(jìn)的具體措施為：松刀接桿5需經(jīng)補(bǔ)充加工（包括焊接）變成圖2所示的松刀接桿5A，上端面中心加工M16×1.5 mm（左旋）螺紋以便安裝旋轉(zhuǎn)接頭14，松刀接桿5A的下端導(dǎo)向部分Φ46h6處要加工兩道密封圈槽以便安裝兩只O型密封圈19，此處之所以選用左旋螺紋，是因?yàn)闄C(jī)床主軸以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為主，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)由于摩擦力作用松刀接桿5A也一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左旋螺紋旋轉(zhuǎn)接頭有使螺紋擰緊趨勢(shì)，不會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭松脫；為了讓開旋轉(zhuǎn)接頭空間位置，增補(bǔ)了過渡套13和過渡套12，過渡套12的側(cè)面開槽（圖3）以便在旋轉(zhuǎn)接頭上端安裝直角接頭；松刀拉桿11需經(jīng)補(bǔ)充加工變成圖2所示的松刀拉桿11A，松刀拉桿11A中心加工有φ8 mm的通孔以便冷卻液通過。在松刀拉桿11A Φ40d9導(dǎo)向部分加工兩道密封圈槽以便安裝兩只O型密封圈21。要注意圖2所示此處密封圈槽的定位尺寸9 mm必須保證（大于9 mm也可以，不能比9 mm小），因?yàn)橹鬏S松刀的行程是7 mm，尺寸大于等于9 mm可以防止O型密封圈21進(jìn)入主軸9內(nèi)孔Φ40H7的臺(tái)階區(qū)域，避免O型密封圈21被刮傷破損失去密封效果；冷卻系統(tǒng)的高壓冷卻液經(jīng)過旋轉(zhuǎn)接頭14進(jìn)入到松刀接桿5A的內(nèi)腔和松刀拉桿11A的φ8 mm的內(nèi)孔，從而進(jìn)入深孔鉆刀具。這里松刀接桿5A和松刀拉桿11A是通過螺紋聯(lián)接并用緊定螺釘20防松。螺紋聯(lián)接是有間隙的，而冷卻液的壓力很高，它必然會(huì)通過間隙進(jìn)入圖2所示的區(qū)域A。為了防止冷卻液進(jìn)一步通過松刀接桿5A和主軸9之間的間隙（Φ46H7/h6處）以及松刀拉桿11A和主軸9之間的間隙（Φ40H9/d9處）進(jìn)入主軸軸承和主軸錐孔（一旦進(jìn)到主軸軸承和主軸錐孔，對(duì)其的破壞將是不可逆轉(zhuǎn)的），因此加裝了兩只O型密封圈19和兩只O型密封圈21，這四只O型密封圈構(gòu)成了圖2所示的封閉區(qū)域A。這里，密封圈19、21都用2只，是為了提高密封的安全系數(shù)。至此機(jī)床已經(jīng)具備了安全、可靠的主軸中心出水功能，機(jī)床的深孔鉆功能已經(jīng)完全符合要求。

為了使機(jī)床的現(xiàn)有主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min提高到4 000 r/min，我們先來分析一下原來機(jī)床的主傳動(dòng)和主軸結(jié)構(gòu)。如圖1所示，機(jī)床的主傳動(dòng)是這樣的，主電動(dòng)機(jī)1經(jīng)過變速箱2將扭距傳遞到花鍵軸4上，花鍵軸4和花鍵軸7通過花鍵套6聯(lián)接，花鍵軸7和主軸9通過花鍵套8聯(lián)接，通過這些花鍵軸和花鍵套把扭距傳遞到主軸上；主軸的松刀由松刀油缸3、松刀接桿5、松刀拉桿11來實(shí)現(xiàn)。松刀時(shí)松刀油缸3的活塞向右進(jìn)給壓緊松刀接桿5和與之相連的松刀拉桿11，從而頂開松刀拉桿11右端的彈簧卡爪，松刀成功。刀具的拉緊是靠碟形彈簧實(shí)現(xiàn)的。該機(jī)床主軸開高速的瓶頸是在于松刀接桿5，松刀接桿5是個(gè)典型的超細(xì)長軸（長徑比L/D=2 186/40=55），該軸為兩點(diǎn)支撐，中間2 078范圍內(nèi)并無支撐，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于兩端配合處的摩擦力帶動(dòng)松刀接桿5旋轉(zhuǎn)，但由于軸太長、太細(xì)中間又無支撐，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生劇烈抖動(dòng)，并產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，甚至引起主軸共振影響機(jī)床加工精度。在客戶現(xiàn)場(chǎng)將松刀接桿5抽出后再開高速，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)5 000 r/min機(jī)床各項(xiàng)指標(biāo)均正常，證明問題是出在松刀接桿5上。解決這一問題比較可靠的方法是將改松刀油缸結(jié)構(gòu)后下移至主軸9的正上方，取消松刀接桿5，這種方案是可靠的，但是改動(dòng)比較大，松刀油缸需重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)，機(jī)床主軸需從機(jī)床上拆下補(bǔ)充加工以便安裝松刀油缸，改動(dòng)周期長、改動(dòng)成本高，這對(duì)于已在客戶處投入使用的機(jī)床來說是不可行的，客戶難以接受。此方法對(duì)新設(shè)計(jì)的機(jī)床來說是最佳方案，但用在機(jī)床改造上并不可取。為此我們選擇了更快捷、更簡(jiǎn)單實(shí)用、改動(dòng)的零件較少的下述方案來解決這一難題。如圖2所示在松刀接桿5中間的C處和D處再加兩檔支撐點(diǎn)，使其變成4點(diǎn)支撐，支撐跨距為505 mm、678 mm、780 mm，這樣它的支撐剛性得到成倍提升。這里之所以把D處支撐放在圖2所示的位置，是因?yàn)榛泶颂幷糜幸粋€(gè)124 mm×80 mm的工藝方孔，此孔可以作為8只緊定螺釘18的安裝調(diào)節(jié)孔，滑枕不必再拆下補(bǔ)充加工，可以節(jié)約改造時(shí)間和費(fèi)用。具體的改進(jìn)如下：松刀接桿5A在C處加工出Φ36h8長51 mm的圓柱面，在D處加工出φ33mm長90 mm的圓柱面，花鍵軸7A的左端面加工出Φ52H8長51 mm的內(nèi)孔，在D處圓周上均布加工出M8 mm的螺紋孔；花鍵軸4A的內(nèi)孔要加工至φ53mm以便半環(huán)15順利通過；在C處增補(bǔ)兩個(gè)半環(huán)15（圖4），半環(huán)的內(nèi)孔Φ36H8與松刀接桿5A的Φ36h8的圓柱面配合，半環(huán)的Φ52h8的圓柱面與花鍵軸7A的Φ52H8的內(nèi)孔配合，在半環(huán)的圓柱面上的兩道凹槽處分別用兩根細(xì)鋼絲16把兩個(gè)半環(huán)15固定到松刀接桿5A上，安裝時(shí)兩者一體裝入花鍵軸4A和7A中。這里之所以把松刀接桿5A的Φ36h8圓柱面的長度定為51 mm（比半環(huán)長51-38=13 mm）是為了給松刀接桿5A預(yù)留松刀空間，以保證松刀接桿5A可以在松刀行程7 mm范圍內(nèi)在半環(huán)內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)自如；在D處增補(bǔ)2個(gè)半環(huán)17和8只緊定螺釘18，2個(gè)半環(huán)17按照?qǐng)D5所示加工到位后，拼裝到松刀接桿5A的φ33mm長90 mm的圓柱面上，在半環(huán)的圓柱面上的兩道凹槽處分別用兩根細(xì)鋼絲把兩個(gè)半環(huán)固定住，然后在半環(huán)的兩側(cè)縫隙處進(jìn)行點(diǎn)焊使兩個(gè)半環(huán)變成一個(gè)環(huán)套，每側(cè)安排4個(gè)焊點(diǎn)。這里不能也不必滿焊，因?yàn)闈M焊后環(huán)套收縮劇烈，會(huì)導(dǎo)致環(huán)套抱死在松刀接桿5A上，致使主軸不能松刀。這里之所以把松刀接桿5A的φ33mm圓柱面的長度定為90 mm（比環(huán)套長90-77=13 mm）是為了給松刀接桿預(yù)留松刀空間，以保證松刀接桿可以在松刀行程7mm范圍內(nèi)在環(huán)套內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)自如。此處的8只緊定螺釘圓周均布在花鍵軸7A的四周（如圖2的A-A剖示），里面的4只緊定螺釘從四周均勻頂緊環(huán)套17，環(huán)套17內(nèi)孔與松刀接桿5A外圓配合，外面的4只緊定螺釘起鎖緊防松作用。至此主軸升速改造完成。

3 結(jié)語

改造完成后首先對(duì)主軸開4 500 r/min進(jìn)行3 h的空運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，從聽覺和觸覺判斷振動(dòng)消除，噪聲消失，期間用振動(dòng)檢測(cè)儀和溫升檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果非常好，所有指標(biāo)均滿足要求：（1）主軸溫度升至35℃達(dá)到平衡，溫升只有10℃遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于30℃的指標(biāo)；（2）振動(dòng)速度為1.5 mm/s，小于1.8 mm/s的指標(biāo)；（3）振動(dòng)位移幅值為17$m小于25$m的指標(biāo)。從以上結(jié)果判斷主軸高速改造是非常成功的。為了檢測(cè)機(jī)床的深孔鉆功能，我們采用一批工件試加工的辦法，加工過程中，工件加工質(zhì)量穩(wěn)定、刀具磨損正常、深孔鉆冷卻效果很好、排屑順暢，實(shí)踐證明機(jī)床深孔鉆功能改造非常成功。

這臺(tái)機(jī)床的改造，我們想客戶所想、急客戶所急，因?yàn)楦脑旆桨负?jiǎn)單、可靠、快捷，為客戶節(jié)約了大量資金和時(shí)間。機(jī)床改造后很快投入生產(chǎn)，為客戶創(chuàng)造了大量的經(jīng)濟(jì)效益，深受客戶好評(píng)，堪稱一次機(jī)床改造的成功范例。

［1］楊叔子.機(jī)械加工工藝師［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.