縱切機(jī)床導(dǎo)套關(guān)鍵技術(shù)研究

林旭堯 王 喆

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司沈一車(chē)床廠(chǎng)，遼寧 沈陽(yáng)110142)

縱切機(jī)床又稱(chēng)瑞士型機(jī)床或走心機(jī)，自1968年日本西鐵城公司率先開(kāi)發(fā)出世界第1臺(tái)數(shù)控縱切機(jī)床D-16以來(lái)，通過(guò)40多年的不斷發(fā)展數(shù)控縱切自動(dòng)車(chē)床已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)完美，特別是以日本西鐵城、星精密、瑞士托納斯等為代表的制造廠(chǎng)商，他們的產(chǎn)品功能強(qiáng)大、獨(dú)具特色［1］。

縱切機(jī)床加工細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件能力尤為突出，最小加工直徑可小于1 mm，最大可加工到30 mm左右，主軸一次裝夾可以車(chē)削長(zhǎng)度200 mm以上的零件?？v切機(jī)床與傳統(tǒng)的走刀機(jī)床不同，其根本區(qū)別在于縱切機(jī)床加工時(shí)是材料在動(dòng)，而走刀機(jī)床是刀具在動(dòng)?？v切機(jī)床切削時(shí)刀具永遠(yuǎn)在距離導(dǎo)套支撐最近的位置，剛性非常好，保證了零件的加工精度?？v切機(jī)床加工時(shí)主軸夾住被加工材料，沿材料的軸向進(jìn)給進(jìn)行送料，刀具沿材料的徑向進(jìn)給進(jìn)行切削。

導(dǎo)套對(duì)于縱切機(jī)床來(lái)說(shuō)是核心功能部件，它的精度直接決定縱切機(jī)床的精度。本文以某款縱切機(jī)床的導(dǎo)套單元為例對(duì)導(dǎo)套關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析及研究。

1 導(dǎo)套單元的作用及分類(lèi)

導(dǎo)套單元是縱切機(jī)床的核心部件之一，它在縱切機(jī)床中的作用是能夠在加工位置的附近對(duì)加工材料進(jìn)行支撐，以防止因切削力而引起材料彎曲，從而達(dá)到高精度加工。導(dǎo)套可分為兩大類(lèi):固定型導(dǎo)套和同步回轉(zhuǎn)型導(dǎo)套。

1.1 固定型導(dǎo)套

固定型導(dǎo)套結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要由導(dǎo)套本體、夾頭、套筒、拉桿、壓蓋等組成。固定型導(dǎo)套主要在棒料材質(zhì)與導(dǎo)套材質(zhì)親和力差時(shí)使用。固定型導(dǎo)套在加工材料材質(zhì)與夾頭的合金材質(zhì)相近時(shí)容易發(fā)生燒結(jié)的情況。固定型導(dǎo)套與棒料的間隙調(diào)節(jié)非常重要，間隙過(guò)大易導(dǎo)致加工精度不好，間隙過(guò)小則易發(fā)生燒結(jié)。

1.2 同步回轉(zhuǎn)型導(dǎo)套

隨著縱切機(jī)床幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展出了多種類(lèi)型的同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，主要可分為:滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套、電機(jī)驅(qū)動(dòng)型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套以及平鍵型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套。對(duì)于這3種同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將在下面論述中一一加以介紹。

同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因其需要與主軸同步回轉(zhuǎn)，所以主軸設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵技術(shù)也應(yīng)用于同步回轉(zhuǎn)型導(dǎo)套中，例如:軸承布置技術(shù)、軸承潤(rùn)滑技術(shù)、密封技術(shù)、動(dòng)平衡技術(shù)、皮帶傳動(dòng)技術(shù)等等。同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套主要由以下零件組成:導(dǎo)套本體、夾頭、套筒、軸承、隔圈、拉桿、密封蓋、皮帶、帶輪等。

同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套解決了固定型導(dǎo)套所存在的問(wèn)題，例如:由于主軸和導(dǎo)套之間采用了同步結(jié)構(gòu)，使材料和導(dǎo)套之間的相對(duì)摩擦減小，幾乎可以忽略;零摩擦使零件的熱變形最小化，因而實(shí)現(xiàn)了高精密的加工;由于主軸和導(dǎo)套的同步旋轉(zhuǎn)，因而材料和導(dǎo)套之間的間隙要比固定導(dǎo)套更小，提高加工精度。

1.2.1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套是通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)套，導(dǎo)套電動(dòng)機(jī)與主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持一致。電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶與導(dǎo)套連接，將動(dòng)力傳遞到導(dǎo)套上。就整個(gè)機(jī)床而言，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套由于增加了1臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)，所以對(duì)控制系統(tǒng)的要求比較嚴(yán)格，成本也會(huì)大大增加。

1.2.2 滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套

滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套是采用滾珠花鍵軸結(jié)構(gòu)將主軸與導(dǎo)套連接，通過(guò)主軸旋轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)套。其工作原理為:主軸通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)滾珠花鍵旋轉(zhuǎn)，滾珠花鍵通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)回轉(zhuǎn)導(dǎo)套旋轉(zhuǎn)，滾珠花鍵的絲母可以跟隨主軸在花鍵上前后移動(dòng)。它的特點(diǎn)是導(dǎo)套單元?jiǎng)恿?lái)自于主軸旋轉(zhuǎn)，節(jié)省了1臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)。

1.2.3 平鍵型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套

平鍵型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套通過(guò)導(dǎo)套上的平鍵與主軸上的鍵槽直接相連，通過(guò)主軸旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)導(dǎo)套。它的工作原理就是滑套與主軸前端固定，滑套帶有鍵槽，鍵槽與導(dǎo)套后端的平鍵相連，平鍵在鍵槽中可前后移動(dòng)。這樣既可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)套與主軸的同步回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又不影響主軸的軸向移動(dòng)，既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、也降低了成本。但是由于結(jié)構(gòu)的限制，平鍵型回轉(zhuǎn)導(dǎo)套縮短了主軸的進(jìn)給行程，這種結(jié)構(gòu)行程大約在50～60 mm之間，對(duì)于長(zhǎng)軸的工件無(wú)法完成一次裝夾加工。

2 回轉(zhuǎn)導(dǎo)套開(kāi)發(fā)實(shí)例

下面我們針對(duì)某款縱切機(jī)床的研發(fā)實(shí)例來(lái)介紹在機(jī)床設(shè)計(jì)中導(dǎo)套類(lèi)型的選擇及導(dǎo)套關(guān)鍵技術(shù)在導(dǎo)套單元設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

該款縱切機(jī)床要求主軸極限轉(zhuǎn)速8 000 r/min，用于細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件的半精加工及精加工?？v切機(jī)床屬于高速、高精度機(jī)床，因此主軸軸承、導(dǎo)套軸承均選用了極限轉(zhuǎn)速及精度都很高的精密角接觸球軸承。為了使機(jī)床主軸一次夾緊具有更大的加工范圍，且降低機(jī)床成本，因此我們采用了滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)套單元、主軸單元、滾珠花鍵、同步帶輪、同步帶組成，整體布局如圖1所示。

導(dǎo)套單元由導(dǎo)套本體、夾頭、套筒、軸承、拉桿、密封蓋等零件組成，導(dǎo)套單元囊括了軸承布置技術(shù)、動(dòng)平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)及皮帶傳動(dòng)技術(shù)等，是多種復(fù)雜技術(shù)運(yùn)用的綜合體現(xiàn)。由于縱切機(jī)床導(dǎo)套最高轉(zhuǎn)速需要達(dá)到8 000 r/min，而且加工過(guò)程中導(dǎo)套只承受徑向力，因此我們選用了15°高精度角接觸球軸承，采用背對(duì)背布置，軸承中間采用隔套分開(kāi)，使導(dǎo)套具有更大的抗扭能力?？v切機(jī)床加工過(guò)程中采用切削油進(jìn)行冷卻，為了防止切削油及雜質(zhì)進(jìn)入軸承，降低軸承壽命，影響加工精度，導(dǎo)套前端采用了多重迷宮密封結(jié)構(gòu)并配有甩油槽，導(dǎo)套端蓋下端有排水口，可以及時(shí)將切削油排出。軸承潤(rùn)滑可分為脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑。根據(jù)軸承極限轉(zhuǎn)速計(jì)算，軸承采用脂潤(rùn)滑即可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為了簡(jiǎn)化導(dǎo)套內(nèi)部結(jié)構(gòu)及降低成本，因此我們采用了脂潤(rùn)滑。導(dǎo)套夾頭由導(dǎo)套后端的拉桿拉緊，通過(guò)旋轉(zhuǎn)拉桿，調(diào)整夾頭內(nèi)孔與棒料之間的間隙。拉桿后端有鎖緊裝置，防止導(dǎo)套高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中拉桿松動(dòng)。導(dǎo)套與滾珠花鍵之間采用皮帶傳動(dòng)，為了提高傳動(dòng)精度，我們選用了同步齒形帶。導(dǎo)套單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

滾珠花鍵是該種類(lèi)型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套傳動(dòng)體系中的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)是由滾珠花鍵底座、花鍵軸、角接觸球軸承、深溝球軸承、軸承座、端蓋、帶輪、連接板、隔圈等組成。由于花鍵軸需要跟隨主軸高速回轉(zhuǎn)，所以滾珠花鍵軸在支撐方式上，采用“固定—浮動(dòng)”的形式，固定端由兩個(gè)角接觸球軸承組成，浮動(dòng)端由1個(gè)深溝球軸承組成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可消除花鍵軸在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱變形影響。滾珠花鍵上的絲母與帶輪連接，帶輪通過(guò)皮帶與主軸帶輪連接，帶輪上裝有角接觸球軸承，軸承支座通過(guò)連接板與主軸箱連接，主軸箱帶動(dòng)花鍵絲母在滾珠花鍵上移動(dòng)?；ㄦI軸通過(guò)前端的帶輪與導(dǎo)套單元帶輪連接實(shí)現(xiàn)同步回轉(zhuǎn)，同步帶的松緊程度應(yīng)該合適，以防止其產(chǎn)生損壞和噪音，并應(yīng)定期檢查皮帶的松緊程度來(lái)確保傳動(dòng)的一致性。這種結(jié)構(gòu)可以保證滾珠花鍵軸在主軸進(jìn)給過(guò)程中旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。滾珠花鍵結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，該導(dǎo)套單元最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到8 000 r/min，動(dòng)平衡等級(jí)能夠達(dá)到G0.4，運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.003 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。高速、高精度機(jī)床是未來(lái)高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向［2］，縱切機(jī)床是高速、高精度、復(fù)合型加工機(jī)床的典型代表，而導(dǎo)套對(duì)縱切機(jī)床來(lái)講是其保證精度的重要組件，因此對(duì)導(dǎo)套的研究有著重要的意義。導(dǎo)套單元是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，影響其同步轉(zhuǎn)速、加工精度等因素很多，本文僅對(duì)縱切機(jī)床現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的導(dǎo)套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較分析，并對(duì)其中的一類(lèi)“滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導(dǎo)套”做了詳細(xì)的論述?？v切機(jī)床研發(fā)在我國(guó)還屬于起步階段，隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展和新型功能部件的出現(xiàn)，相信未來(lái)縱切機(jī)床在功能部件上的發(fā)展會(huì)更多樣化、細(xì)致化。

［1］丁雪生.金切機(jī)床復(fù)合化技術(shù)的發(fā)展［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2004(2):26-32.

［2］師鴻飛，鄒翠波，張彩虹.我國(guó)數(shù)控車(chē)床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息，2004(6):83-87.