大型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)臺(tái)面拼接技術(shù)

許昆平 張 力 余光懷

(沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司，云南昆明 650203)

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是機(jī)床的重要功能附件之一，與數(shù)控落地銑鏜床、刨臺(tái)式銑鏜床、端面銑床等主機(jī)配合使用，能對(duì)安裝在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的工件進(jìn)行角度銑削、調(diào)頭鏜孔和多面加工，使用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的連續(xù)任意分度功能，能連續(xù)地加工圓柱面或端面，擴(kuò)大了主機(jī)的加工范圍，縮短了輔助時(shí)間，實(shí)現(xiàn)一次裝夾，多工序加工，提高了加工效率［1］。如今，數(shù)控機(jī)床正向重型及超重型精密機(jī)床發(fā)展，而回轉(zhuǎn)工作臺(tái)臺(tái)面尺寸是阻礙這種發(fā)展趨勢(shì)的難題之一。大規(guī)格工作臺(tái)臺(tái)面采用拼接結(jié)構(gòu)是該問題的有效解決方法，但同時(shí)帶來拼接結(jié)構(gòu)定位精度低、精度不穩(wěn)定、拆裝困難、不便于維修等問題［2］。

本文通過介紹一種巧妙的工作臺(tái)臺(tái)面的拼接方法，來解決大型或超大型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)臺(tái)面尺寸大、重量大的難題。通過這種方法，不僅減小單件的重量及大小，便于工作臺(tái)部件鑄造、加工及運(yùn)輸，而且使得工作臺(tái)具有很高的定位精度以及二次裝配的精度保持性，核心回轉(zhuǎn)軸系零件具有很高的定位精度，降低了生產(chǎn)難度，大大節(jié)約了配置超大型鑄造設(shè)備和廠房的高額費(fèi)用，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 大型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)簡(jiǎn)介及典型拼接方法

1.1大型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的承重由原來數(shù)噸發(fā)展到數(shù)十噸甚至數(shù)百噸，臺(tái)面尺寸由原來的630 mm發(fā)展到10 000 mm甚至更大。然而，承重的增加和臺(tái)面尺寸的增大將會(huì)帶來以下幾個(gè)方面的難題:

(1)加工制造的難題

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要由床身、滑座、工作臺(tái)3大部分組成，承重的增加必然要求3大基礎(chǔ)支承件朝著更加厚重扎實(shí)的方向發(fā)展，臺(tái)面尺寸的加大使得工作臺(tái)重量的增加更為明顯。由于鐵水流動(dòng)性、鑄造的保溫時(shí)間、冷卻時(shí)間的影響，重大型鑄件往往會(huì)出現(xiàn)很多鑄造缺陷，流動(dòng)性不好將產(chǎn)生沖砂、空隙等缺陷，保溫時(shí)間和冷卻時(shí)間把握不好將使得鑄件產(chǎn)生拉裂、晶粒粗大等缺陷［3］。工作臺(tái)臺(tái)面是用來裝夾工件的重要零件，要求很高的精度和很高的剛性，然而這些缺陷對(duì)工作臺(tái)的剛性具有致命的危害。同時(shí)，由于工作臺(tái)尺寸過大，用來制造它的鑄造設(shè)備、加工設(shè)備和廠房也要求很大，生產(chǎn)成本較高。

(2)裝配運(yùn)輸?shù)碾y題

重量過重、尺寸過大必然導(dǎo)致裝配、運(yùn)輸難度加大。首先對(duì)吊裝設(shè)備有很高的要求，比如我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的RT160(承重160 t、臺(tái)面尺寸5 m×10 m)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，如果臺(tái)面做成單件的話，那么其自重將有140多t，就需要起吊重量超過150 t的吊車才能實(shí)現(xiàn)裝配，這對(duì)起吊和調(diào)整都將帶來很多的困難。運(yùn)輸時(shí)也會(huì)受到過寬、承重的限制，使運(yùn)輸難度加大和運(yùn)輸成本大幅增加。

因此，重型、超重型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)臺(tái)面只能采用拆分、單件做小、合理拼接的方式才能很好地解決上述問題。

1.2 典型拼接方法

典型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，床身1通過地腳墊鐵及地腳螺栓固定在地基上，滑座安裝在床身上，通過伺服電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副組成的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使滑座沿床身做直線運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)臺(tái)面由對(duì)稱的兩半工作臺(tái)4、5拼接而成，大齒圈3安裝固定在工作臺(tái)4、5底部，由伺服電動(dòng)機(jī)、減速箱組成的回轉(zhuǎn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，使工作臺(tái)沿中心軸線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中工作臺(tái)臺(tái)面結(jié)構(gòu)如圖2所示，1、2為工作臺(tái)的兩半，通過螺釘連接及圓銷定位成一整體，大齒圈5一半在工作臺(tái)1上，一半在工作臺(tái)2上，回轉(zhuǎn)軸系零件6安裝在工作臺(tái)1、2組成的中心孔上。

這種拼接方法存在如下問題:

(1)拆開后復(fù)原困難

大型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)因?yàn)轶w積大、重量重，裝配調(diào)試完成后為了方便運(yùn)輸，臺(tái)面等超寬、超大、超重零部件必須拆分裝箱，到設(shè)備使用地點(diǎn)后再進(jìn)行二次復(fù)裝。

拆裝工作臺(tái)臺(tái)面時(shí)，必須要拆裝大齒圈、回轉(zhuǎn)軸系等零件，大齒圈5、回轉(zhuǎn)軸系6等主要零部件的安裝面不在一個(gè)零件上，合裝后很難保證其精度的復(fù)原性，而工作臺(tái)的復(fù)位精度直接影響工作臺(tái)的工作精度。即使能復(fù)原精度，也需要大量的時(shí)間反復(fù)調(diào)整，生產(chǎn)效率較低下。

(2)精度穩(wěn)定性差

工作臺(tái)臺(tái)面支承于滑座上，臺(tái)面過大，超出滑座支承范圍的部分處于懸臂狀態(tài)，加之加工工件尺寸過大時(shí)，也會(huì)處于工作臺(tái)懸伸位置，工作臺(tái)心軸由于工件下壓產(chǎn)生的扭矩將使其出現(xiàn)凸翹趨勢(shì)，假如連接螺釘預(yù)緊力不夠?qū)?huì)使得心軸軸承產(chǎn)生松動(dòng)，嚴(yán)重影響回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的精度，并且產(chǎn)生爬行、振動(dòng)等現(xiàn)象，甚至損壞心軸軸承，使得整個(gè)工作臺(tái)的關(guān)鍵部件報(bào)廢［4］。由于工作臺(tái)臺(tái)面直接支承在滑座的靜壓導(dǎo)軌上，當(dāng)工作臺(tái)處于偏載使用狀態(tài)(即臺(tái)面1、2受壓力不相等)并且偏載過大時(shí)拼接面將會(huì)產(chǎn)生滑移，這樣將導(dǎo)致心軸軸承錐孔變形，損壞心軸軸承，同時(shí)將使得臺(tái)面左右兩邊靜壓油膜厚度不等，油膜厚度的微小差異會(huì)導(dǎo)致靜壓支承反力產(chǎn)生巨大的差別。油膜厚度和支承反力的關(guān)系為

式中:P為靜壓支撐反力;K為與油膜、靜壓油有關(guān)的中間計(jì)算參數(shù);h為油膜厚度。

左右兩邊支承反力不等，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，從而影響工作臺(tái)的正常使用。

2 新型拼接方式

我公司研發(fā)生產(chǎn)的大型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)RT160可配5 m×6 m、5 m×8 m、5 m×10 m等多種規(guī)格的工作臺(tái)面，這里主要介紹5 m×10 m和5 m×6 m兩種規(guī)格臺(tái)面的拼接方法。

圖3所示的工作臺(tái)，臺(tái)面尺寸為5 m×10 m(為了方便加工、運(yùn)輸，大規(guī)格尺寸的臺(tái)面通常設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形)，這種臺(tái)面相對(duì)于滑座支承面懸伸比較大，采用三件二層的拼接結(jié)構(gòu):由工作臺(tái)1、2組合拼接成臺(tái)面，然后通過螺釘緊固在工作臺(tái)支承座6上，并用圓錐銷定位。為了保證上部拼接臺(tái)面1、2和下部工作臺(tái)支承座6回轉(zhuǎn)時(shí)接合面間的強(qiáng)度，在工作臺(tái)支承座6圓周上設(shè)計(jì)了4個(gè)用于傳遞回轉(zhuǎn)扭矩的鍵8，鍵8兩面與工作臺(tái)面1、2及支承座6鍵槽面配鏟保證接觸面積不小于80%，以滿足要求。大齒圈7通過螺釘安裝在工作臺(tái)支承座6上，并用圓錐銷定位;心軸軸系5及位置檢測(cè)元件4也安裝固定在工作臺(tái)支承座6上。

圖4所示的工作臺(tái)，臺(tái)面尺寸為5 m×6 m，這種臺(tái)面相對(duì)滑座支承面懸伸較小，采用三件一層的拼接方式:中間工作臺(tái)2尺寸為4 m×5 m，作為整體支承于滑座5上，1、4小工作臺(tái)拼裝在工作臺(tái)2兩端，臺(tái)面回轉(zhuǎn)的環(huán)形導(dǎo)軌范圍內(nèi)沒有拼接接縫，心軸及位置檢測(cè)元件3均安裝在整體的中間工作臺(tái)2上。

與典型拼接方式相比，以上兩種結(jié)構(gòu)的工作臺(tái)心軸部件安裝在整體式零件上，二次拆裝時(shí)很容易復(fù)原大齒圈、回轉(zhuǎn)軸系及檢測(cè)元件等零部件，復(fù)裝精度較高，生產(chǎn)效率較高。

從受力狀況來看，工作臺(tái)負(fù)載作用在設(shè)置于整體零件的靜壓回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌上，不會(huì)由于受力過大拼接接縫的滑移導(dǎo)致油膜厚度的不均勻而導(dǎo)致工作臺(tái)爬行，同時(shí)也不會(huì)使心軸軸承孔變形而影響回轉(zhuǎn)精度。

工作臺(tái)由原來的兩塊拼接改為三塊拼接，單件質(zhì)量更輕，單件尺寸更小，制造、裝配、運(yùn)輸更容易、更經(jīng)濟(jì)。

圖3結(jié)構(gòu)與圖4結(jié)構(gòu)相比，在于圖3結(jié)構(gòu)工作臺(tái)懸臂過大，故而設(shè)計(jì)了一個(gè)倒錐臺(tái)式的支承座用于支承上部工作臺(tái)臺(tái)面，一方面實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)心軸及檢測(cè)元件安裝在整體式零件上，另一方面擴(kuò)大了上部工作臺(tái)的支承面，減小了上部臺(tái)面的懸伸量，使得工作臺(tái)載荷受力更加合理。上部?jī)砂肱_(tái)面通過高強(qiáng)度螺釘連接后安裝于錐臺(tái)支座上，錐臺(tái)與工作臺(tái)面用高強(qiáng)度螺釘再次固定(內(nèi)、外二圈均固定)增強(qiáng)了拼接的剛性，即使工作臺(tái)上部?jī)砂氘a(chǎn)生偏載，由于是直接用螺釘連接在下部倒錐臺(tái)支座上，偏載壓力從上部工作臺(tái)經(jīng)過支承座傳遞到回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌上，工作臺(tái)不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，對(duì)油膜厚度影響較小，不會(huì)影響工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度。

上述兩種拼接方式，其接縫如圖5，單半工作臺(tái)1、2采用榫接的方式對(duì)合安裝。接合面和榫接面通過2個(gè)方向的多件連接螺釘5固定在一起;工作臺(tái)1、2對(duì)合安裝螺釘緊固后，在榫接處下部配裝長(zhǎng)鑲條6，保證2個(gè)方向都緊密貼合，以保證工作臺(tái)具有較高的強(qiáng)度和剛度;并在對(duì)合面處配做圓柱銷7，供二次裝配工作臺(tái)時(shí)粗定位用。臺(tái)面上表面的螺釘安裝孔用帶密封圈的堵塞3密封，工作臺(tái)拼接對(duì)合面間安裝密封線4，防止回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在使用過程中切削液滲漏到工作臺(tái)內(nèi)部，造成工作臺(tái)故障或損壞。

3 結(jié)語

新型工作臺(tái)臺(tái)面拼接技術(shù)適用于大型或超大型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)臺(tái)面拼接，不僅解決了大型工作臺(tái)臺(tái)面零部件超大超重，現(xiàn)有設(shè)備不能生產(chǎn)制造，不方便交通運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)難題，還具有很高的二次裝配拼接定位精度，克服了典型拼接技術(shù)的不足，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

本文提出的部件拆分、單件做小、合理拼接的思路在我公司的重型及超重型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上已廣泛應(yīng)用，并取得了較好的效果。拼接技術(shù)的研究對(duì)我公司的技術(shù)進(jìn)步和裝備制造業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

［1］盧秉恒.裝備與制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］廣州機(jī)床研究所.液體靜壓技術(shù)原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1978.

［5］沈蓮.機(jī)械工程材料［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.