砂輪主軸軸系模塊化設(shè)計(jì)分析

陳益軍

（上海機(jī)床廠有限公司 上海200093）

砂輪主軸軸系集合了軸承、主軸、砂輪法蘭、體殼、皮帶輪等結(jié)構(gòu)零件為一體，同時(shí)和主機(jī)大類還存在一定的邏輯關(guān)系，如雙層帶U軸的靜壓軸系，主要應(yīng)用于軋輥磨床。通過建立一定的軸系和主機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，再根據(jù)砂輪架剛性、回轉(zhuǎn)精度、效率等方面的要求，確定砂輪軸系結(jié)構(gòu)采用的形式，早期采用如圖1的整體式較多，目前根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需要向箱體式發(fā)展如圖2所示。這樣就對(duì)模塊化的設(shè)計(jì)要求越來越高，從軸系結(jié)構(gòu)、砂輪架防護(hù)等方面逐步實(shí)現(xiàn)砂輪架整體的模塊化設(shè)計(jì)。

圖1 整體式砂輪軸系

圖2 箱體式砂輪軸系

1 砂輪軸系數(shù)據(jù)梳理

砂輪架主軸軸系主要有靜壓、動(dòng)靜壓和滾動(dòng)軸承三種軸系，目前高精密的砂輪架主軸軸系均采用靜壓和動(dòng)靜壓軸承，依托已積淀的獨(dú)特設(shè)計(jì)、加工制造和裝配工藝技術(shù)方法，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品采用的軸系進(jìn)行梳理，重新確定軸系的發(fā)展方向，改變目前品種繁多的現(xiàn)象，確定高回轉(zhuǎn)精度、高剛性的靜壓和動(dòng)靜壓砂輪架主軸軸系目標(biāo)。

傳統(tǒng)的砂輪架主軸軸系為了適應(yīng)不同客戶大批量生產(chǎn)需求，主要以專機(jī)的形式設(shè)計(jì)而出，常常同一主軸軸徑下又各有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，互換性較差。

以直徑Φ100 mm砂輪主軸軸系為例，表1統(tǒng)計(jì)了19種型號(hào)7大類產(chǎn)品關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，以軸承間距400 mm箱體式設(shè)計(jì)（如圖3）為基礎(chǔ)，重新調(diào)整工藝條件、加工經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)互換性等因素。

表1 軸徑100mm靜壓軸系主要結(jié)構(gòu)參數(shù) (mm)

接上表

圖3 軸承間距 400 mm砂輪主軸軸系

2 砂輪軸系結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

靜壓軸承是砂輪軸系的重點(diǎn)和核心，模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)原軸系軸承的結(jié)構(gòu)、磨削零件的工藝要求，提出設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案整合論證，選出合適的軸承類型，確定合理的軸承形式和主要尺寸計(jì)算，參數(shù)表如表2所示。

設(shè)計(jì)要求：油膜剛性 1200 N/μm(120 kg/μm)，磨削力500 N(50 kg)；

徑向靜壓軸承計(jì)算（主軸油L-FD15，油壓1.6～2.0 Mpa，轉(zhuǎn)速890 r/min間隙2?0=0.065～0.075 mm）。

表2 靜壓軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)表

同時(shí)靜壓軸承在進(jìn)油路上，需要采用節(jié)流器作為調(diào)節(jié)元件。常用的節(jié)流器分為固定節(jié)流器和可變節(jié)流器兩大類，其中毛細(xì)管節(jié)流器和小孔節(jié)流器均屬于固定節(jié)流器，薄膜和滑閥反饋節(jié)流器屬于可變節(jié)流器。無論采用可變節(jié)流還是固定節(jié)流，直接影響軸承的進(jìn)油孔通道孔徑和數(shù)量[2]。

綜合以上兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)，整合出一款互換性較強(qiáng)的軸承，通過改變加工參數(shù)：

(1)油腔深度變化達(dá)到靜壓或動(dòng)靜壓效應(yīng)；

(2)改變進(jìn)油通道孔徑和數(shù)量匹配節(jié)流器類型。

對(duì)于降低系列產(chǎn)品加工制造成本較為明顯，推進(jìn)加工工藝的標(biāo)準(zhǔn)化制定，同時(shí)建立了一套完整的軸系系統(tǒng)。

前軸承結(jié)構(gòu)圖徑向和端面進(jìn)油方式，示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 前軸承結(jié)構(gòu)圖

圖5 徑向和端面進(jìn)油方式

3 模塊化設(shè)計(jì)后主要零件加工工藝分析

3.1 砂輪軸系模塊化設(shè)計(jì)

原加工工序及內(nèi)容需要做一個(gè)合理的調(diào)整，這對(duì)保證裝配零件質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低加工成本至關(guān)重要。加工工序的調(diào)整原則為：

（1）先加工基準(zhǔn)面，再加工其他表面 開始安排的加工面應(yīng)該是選作定位基準(zhǔn)的精基準(zhǔn)面，然后再以精基準(zhǔn)定位加工其他表面。

（2）先加工主要表面，后加工次要表面 次要表面和主要表面之間往往有相互位置要求，因此一般要在主要表面達(dá)到一定的精度之后，再以主要表面定位加工次要表面。

（3）先安排粗加工工序，后安排精加工工序?qū)τ诰群捅砻娲植诙纫筝^高的零件，逐步進(jìn)行粗、精加工。

3.2 主要零件加工工藝路線

（1）靜壓軸承的加工路線為：車→內(nèi)外磨→銑油腔→熱處理→內(nèi)磨→研磨→外磨→配入體殼。在這條加工路線中始終以軸承內(nèi)孔位作基準(zhǔn)，粗加工安排了車，精加工安排磨和研磨，完工后兩只軸承配入體殼組合研磨配間隙。

（2）體殼的加工路線：粗鏜銑→烘→半精鏜銑→磨底面→精鏜→研磨→軸承配入再研磨兩軸承孔同軸。在這條加工路線中以體殼孔為基準(zhǔn)，粗加工安排了鏜銑，精加工安排了座標(biāo)鏜和研磨，完工后配入兩軸承研磨。

3.3 針對(duì)原加工工藝進(jìn)行調(diào)整

砂輪架主軸軸系具有典型性，模塊化設(shè)計(jì)后，相對(duì)原砂輪架軸系，更具有靈活性，為便于測(cè)量，保證精度，我們?cè)黾恿颂厥饣鶞?zhǔn)面，在體殼的側(cè)面，與底面垂直（如圖6所示），同時(shí)滿足鏜孔、銑油腔、研磨、裝配等工序要求。

圖6 體殼加工裝配基準(zhǔn)面

此外，考慮工序的集中與分散。工序集中使每個(gè)工序包含盡可能多的工步內(nèi)容，可使夾具的數(shù)目和工件的安裝次數(shù)減少；工序分散將工藝路線中的工步內(nèi)容分散在更多的工序中去完成，因而工藝路線長。工序集中有利于保證各加工面間的相互位置精度要求；工序分散可使每個(gè)工序使用的設(shè)備和夾具比較簡(jiǎn)單，工序調(diào)整后如圖7所示。

圖7 模塊化設(shè)計(jì)后加工工序調(diào)整圖

結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)的加工需求，同時(shí)兼顧原加工工裝和加工能力，形成了裝配組合后銑削加工工藝路線，為以后系列產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)模塊化產(chǎn)品品質(zhì)改進(jìn)，降低模塊化產(chǎn)品制造成本。

4 結(jié)語

砂輪主軸系統(tǒng)是磨床設(shè)計(jì)制造中的核心部件。它直接影響著磨床效率、剛性、回轉(zhuǎn)精度及成本。本文基于模塊化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)了軸徑100 mm系列主軸結(jié)構(gòu)形式，通過軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)加工工藝的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制程工藝的模塊化設(shè)計(jì)，為整個(gè)磨床設(shè)計(jì)制造提供一個(gè)思路與方法。