回轉工作臺心軸與導軌改進

研究背景

父親廠里的主要加工設備是重型數(shù)控機床，例如立式車床、臥式車床、落地鏜銑床、龍門鏜銑床、滾齒機、磨床等。從最早的蘇聯(lián)、東歐造老機床到現(xiàn)在的國產(chǎn)機床一應俱全。我在實踐中發(fā)現(xiàn)，重載回轉工作臺成為制約加工承載能力和提高機床加工精度、加工效率的瓶頸。有時候，如果部件過重或重心不在工作臺中心，工作臺旋轉時就會發(fā)生漂擺和抖動，嚴重影響加工精度，特別是轉速一旦過快，工作臺導軌還會劃傷。

于是，我便有了對回轉工作臺進行改造使其在加工重型、不規(guī)則部件時能夠保持平衡，從而提高加工速度和精度的想法。我的設計方案得到了家長和輔導老師的充分肯定，并得到了他們的大力支持。在近2年的時間里，在車間操作工人和技術部工程師的指導下，我的設計方案進行了多次調整，通過無數(shù)次實驗，這項創(chuàng)新成果終于完成了。

研究目標

國產(chǎn)重載回轉工作臺的心軸結構有2種——鏜床用工作臺心軸結構和立車用工作臺心軸結構。2種結構都是采用2套軸承組合的方式承載。鏜床用回轉工作臺的心軸結構采用2套圓錐滾子軸承組合；立車用回轉工作臺的心軸結構則采用1套雙列圓柱滾子軸承和1套推力球軸承組合。

2種重載回轉工作臺心軸結構的優(yōu)缺點都非常明顯。如果能調整現(xiàn)有軸承的結構形式，取長補短，重新設計1種新的回轉工作臺結構，就能提升回轉工作臺的性能。

因此，研究的目標是：針對目前重載回轉工作臺存在的問題，設計新的心軸結構，重新選擇靜壓導軌耐磨層材料，實現(xiàn)在最小能耗情況下，提高重載回轉工作臺的承載能力、運行平穩(wěn)性、回轉精度及抗偏載能力等性能。

研究過程

新型心軸結構設計構想

通過分析比較2種重載回轉工作臺心軸結構的優(yōu)缺點，我首先想到，把2種結構的優(yōu)點組合到一起，既能增加數(shù)控回轉工作臺的承載能力，又能解決工作臺漂擺問題。

新的立車回轉工作臺徑向定心可采用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，這種軸承定心精度高，徑向承載能力大，能有效地控制回轉工作臺的徑向跳動。工作臺軸向承載可采用推力軸承，這種軸承軸向承載能力大，能有效提高工作臺的承載能力，這樣徑向定位和軸向定位都得到了可靠保證。

現(xiàn)有立車回轉工作臺心軸結構存在浮起量不受控制的問題。我想，能不能通過控制推力軸承的上軸承座與心軸上的壓蓋之間的間隙保證工作臺的浮起量呢？如果需要浮起0.04mm，就把兩者之間的間隙配制為0.04mm，這樣在工作臺浮起量超過0.04mm時，就被心軸上的壓蓋限制住了。

這個設想及方案交給輔導老師后，老師對我的想法很支持。但他也指出我設計結構的不合理之處。因為工作臺浮起后，推力軸承的上軸承座和心軸上的壓蓋之間完全接觸，工作臺旋轉時，兩者之間會發(fā)生摩擦，容易咬合在一起。我與工廠的技術人員進行了探討，提出解決方案：在推力軸承的上軸承座和心軸上的壓蓋之間增加1套推力軸承，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，巧妙地解決了問題（見圖1）。改進后的結構通過心軸上各個部件在軸向上做到了無間隙安裝，可以在軸向將工作臺完全控制，使其不能上下浮動。這個方案的最終結果是工作臺與底座之間只有0.04mm的液壓浮起量，不會再向上浮動，有效地控制了工作臺浮起不受控的現(xiàn)象。

針對立車工作臺心軸僅靠雙列圓柱滾子軸承1點支承、旋轉過程中易發(fā)生漂擺的問題，參考鏜床回轉工作臺的心軸結構，我將1點支承改為2點支承，把心軸加粗加長，在心軸上部增加1套軸承。我的最初設想是增加1套深溝球軸承，以此提高工作臺抵抗漂擺的能力但在實驗中發(fā)現(xiàn)深溝球軸承的徑向承載能力不如主軸專用向心圓柱滾子軸承，因此最后改用圓柱滾子軸承。

新型心軸結構的設計方案

我設計的新型重載回轉工作臺心軸結構采用上、下2套成對使用的雙列向心圓柱滾子軸承和上、下2套成對使用的軸向推力球軸承，構成4套軸承的組合結構代替老式2套軸承，如圖2所示。其中2套主軸專用高精度雙列向心圓柱滾子軸承負責工作臺徑向定心作用，上下配對使用，增加軸承跨距，有效解決工作臺回轉漂擺的問題，提高了工作臺徑向承載能力。

軸向推力球軸承則很好地分擔了工件重量。上、下2套軸向推力軸承成對使用，將工作臺軸向移動控制在1點，工作臺承受的向上及向下的力都受到控制，有效地控制了回轉工作臺的浮起量（0.030.04mm）。在靜壓導軌的作用下，工作臺無論是否偏載，都不會發(fā)生漂擺現(xiàn)象。

應用我的設計后，4套軸承組合代替原來的2套軸承，工作臺在徑向與軸向都能夠受到嚴格控制。有效地解決了數(shù)控回轉工作臺承載能力低、回轉精度低、轉速難以提高、抗偏載能力差的問題。

新型導軌耐磨層材料的實驗過程

由于工作臺漂擺易研傷工作臺及底座導軌，因此導軌耐磨材料對工作臺使用壽命有很大影響。另外，重載回轉工作臺在旋轉過程中，如果液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障或突然斷電，也容易研傷工作臺底座導軌。因此，提高導軌的耐磨性是提升重載回轉工作臺性能必須解決的另一關鍵問題。

查詢相關資料得知，導軌耐磨材料必須質地軟且有足夠的耐磨性能。我覺得，航空材料在超高溫、超高壓的特殊環(huán)境下，具備耐摩擦、抗腐蝕、超輕質的特性，完全符合導軌耐磨材料的要求，為什么不選用航空材料作為導軌材料呢？

為了比較這些材料的耐磨性能，我設計了耐磨實驗的設備。準備了QSn6.5-0.1錫青銅、S214鋁青銅、S213磷青銅、7075航空級鎂鋁合金、6082航空級鋁合金5種實驗件，在相同條件下，測試了這5種材料的耐磨性能。

實驗結果表明，7075航空級鎂鋁合金是所有被測材料中最適合的導軌耐磨材料。

試用結果

以上設計在遼寧三三機床有限公司制造的CK5280數(shù)控重型立式車床重載回轉工作臺上進行了實驗。

經(jīng)現(xiàn)場最大承載能力測試，承重216噸（加工部件為中國一重的核反應堆頂蓋）、轉速10r/min時，運行平穩(wěn)，無抖動現(xiàn)象。

通過實驗及參數(shù)對比得出結論，采用本設計機構的數(shù)控回轉工作臺與國內其他機床企業(yè)的同類產(chǎn)品相比，承載能力強、運行平穩(wěn)、精度高，實現(xiàn)了機床大功率、大扭矩車削（目前企業(yè)車間內其他廠家CK5280工作臺承重量僅為50100噸）。

創(chuàng)新點

本設計提出了一種新型重載回轉工作臺心軸結構，即采用上、下2套成對使用的雙列向心圓柱滾子軸承和軸向推力球軸承，構成4套軸承組合結構，心軸的軸向采用靜壓導軌與推力軸承相結合的方式承載，形成穩(wěn)定的靜壓浮起狀態(tài)，將1點支承改為2點支承，使工作臺受力平衡。實驗證明，使用該結構的重載回轉工作臺具有精度高、抵抗偏載能力強的優(yōu)點。

為有效地防止工作臺底座導軌的研傷，有利于提高工作臺的轉速及使用壽命，設計制作了耐磨實驗裝置，對工作臺導軌耐磨材料進行了比較實驗，選用新型耐磨材料——7075航空級鎂鋁合金，實驗結果證明，新材料具備耐摩擦、抗腐蝕、超輕質的特性。

該項目獲得第27屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

根據(jù)目前機床回轉工作臺在加工大型重心偏移工件時存在承載能力低、抗偏載能力差、易漂移等問題，提出采用一種新的結構設計和新型耐磨材料制作新型回轉工作臺心軸，可有效提高重載回轉工作臺的承載能力、運行平衡性和加工精度。心軸設計具有較大的創(chuàng)新性、科學性和實用性。