空心軸精加工用“精密彈簧堵”的研發(fā)及應用

詹有斌

中煤張家口煤礦機械制造有限責任公司，中國·河北 張家口 075000

1 背景介紹

我公司行星減速器第三軸是在軸的一端設(shè)計為空心內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)（圖1）。在精加工工序必須采用兩頂尖裝夾精車及磨削外圓，以往的辦法是在內(nèi)止口安裝帶有中心孔專用錐堵，采用過盈配合，將錐堵用鐵錘砸入軸頭止口，以兩頂尖裝夾進行精車和磨削外圓的工序（圖1）。

圖1 空心內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)

涉及帶堵作業(yè)的有精車外圓和磨外圓工序，兩道工序分別進行兩次的拆裝堵作業(yè)。由于是錐堵是采用過盈配合強行砸入工件止口，這就給拆堵帶來了很大的麻煩。目前采用的拆堵方法是用三條螺栓將堵頂出，就是在錐堵上事先加工三個M12的螺孔，工件加工完后擰入螺栓頂壓軸的端面把錐堵卸下，需要三條螺栓交替進行旋擰，直至錐堵完全退出止口。拆堵工作費時費力，有時由于太緊導致螺紋失效或是螺栓擰斷，往往使操作者筋疲力盡，工作 效率不高[1]。

由于是過盈裝配，就給止口內(nèi)孔部位施加了很大的徑向張力，導致外圓在張力的作用下發(fā)生彈性變形，尺寸增大，在這種情況下磨完外圓軸承位并拆下堵后，由于張力消失，工件彈性恢復造成縮頸?？s頸量的大小和裝堵過盈量以及加工溫度都有密切的關(guān)系，難以控制，平時達到-0.03～-0.05mm，嚴重的超過-0.2mm以上，而軸承位的公差為0.03mm左右，所以由于縮頸就能直接導致不合格品的出現(xiàn)，影響軸承裝配精度和使用效果。

由于錐堵的裝卸費時費力，甚至有時不能取下，還得用鉆床把錐堵鉆掉，操作者也是有苦難言。工件由于縮頸問題，經(jīng)常出現(xiàn)不合格品，極大地制約了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高，這也是一個加工車間多年的老大難問題，所以決定立項解決。

2 項目實施方案及過程

2.1 研究解決方案

目前要達到的改進效果主要解決兩個問題：

①快捷方便地裝，拆堵問題，減少輔助時間和職工的勞動強度；

②減少由于過盈裝配引起的張力，避免產(chǎn)生外圓磨后縮頸的問題。

這兩個問題是采用錐堵過盈裝配不可能避免的，所以必須從堵的設(shè)計方案入手，尋求一種新型的，方便拆卸，不影響工件精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

通過研究論證，解決以上兩點問題只有設(shè)計一種新型工裝，兼顧使用方便和精確定位的要求，經(jīng)過反復設(shè)計修改，我最終確定了采用彈簧脹套實現(xiàn)柔性裝夾的方案，設(shè)計方案如下。

使用方法：將軸孔加工至一定尺寸，與新型彈簧堵脹套外圓尺寸留有0.1～0.2mm的間隙，把彈簧堵擦拭干凈輕輕裝入孔內(nèi)，就可以采用兩頂尖裝夾了，堵芯由于受到頂尖的推力向前運動，通過它和彈簧套內(nèi)錐面接觸壓力使彈簧套外圓均勻脹大并和軸孔緊密配合，從而實現(xiàn)堵芯中心孔與軸孔同軸的效果。安裝圖如圖2所示。

圖2 安裝示意圖

2.2 技術(shù)性能

①定心精度高——彈簧套與堵芯采用配磨工藝，接觸性能良好，裝配后通過后蓋螺栓使兩部分預緊，在外圓磨床上再把彈簧套外圓磨成，保證堵芯中心孔與賬套外圓同心。通過旋擰后蓋上的四條螺栓還可以對彈簧套的外圓尺寸進行調(diào)整，以便尋求與軸孔最佳的裝配間隙。

②裝拆方便——堵芯和彈簧套錐面采用13度設(shè)計，使其在失去外力的作用后不能自鎖，用手就可輕輕拉出，裝拆總計用時不到一分鐘。

③經(jīng)久耐用——由于此套安裝時先推到位置再脹緊，不用敲砸，也不會與工件產(chǎn)生摩擦，所以不易損壞。

2.3 分析論證

①實際生產(chǎn)中，車削工序通過撥盤夾住工件外圓實現(xiàn)主運動的傳遞，彈簧堵只是起到定心的作用，它與工件沒有相對的扭矩，所以一般頂尖的力量可以滿足使用要求。

②在磨外圓工序中，雖然要通過彈簧套傳遞扭矩，但磨削產(chǎn)生的反作用力不大，彈簧堵頂緊后的摩擦力完全可以傳遞主軸的主運動而不會打滑[2]。

③應力分析：由于是操作者手工裝卸，所以應盡量減輕工裝夾具的重量，但必須分析和保證它的強度與剛性，所以我采用了有限元分析軟件分析模擬了使用時的應力分布和變形情況（見圖3）。

圖3 應力及變形動態(tài)分析

④精車工序。

第一，通過對原車進行了60件次的工件加工試驗，新型彈簧堵脹緊效果良好，即使是包括活頂尖同軸度誤差，工件圓跳動也能保證0.03mm以內(nèi)。

第二，由于彈簧堵與工件內(nèi)孔有0.1mm-0.2mm的原始間隙，所以安裝十分方便，通過尾座的壓緊力可以十分方便的自動脹緊對中。拆堵時松開頂尖，由于堵芯失去壓力，而此錐度又不能自鎖，堵芯輕松回退，彈簧套有恢復與工件的原始間隙，可以順利取出[3]。

⑤磨孔工序。

第一，磨孔工序同樣進行了60件次的工件磨外圓工藝試驗，由于磨孔工序采用雙死頂尖裝夾工件，裝配彈簧堵加工可以保證0.01mm以內(nèi)的圓跳動，完全保證設(shè)計要求。

第二，消除了工件變形問題，因為彈簧堵與工件內(nèi)孔完全脹緊后頂尖就不能前進了，所以不會給孔內(nèi)壁產(chǎn)生太大的張力，不會導致工件脹大，從而避免了外圓磨后縮頸的問題。

第三，裝、卸彈簧堵的工作一樣簡單方便，幾秒就可解決，裝堵和拆堵的總時間是原來錐堵的 1/78。

⑥加工效果對比見表1。

表1 加工效果對比表

3 項目效果總結(jié)

經(jīng)過近一年的生產(chǎn)驗證，使用彈簧堵加工的空心軸類零件完全符合設(shè)計要求，由此證明了此次設(shè)計的“軸孔彈簧堵”的先進性和實用性。 裝拆堵用時縮短了近78倍，縮頸尺寸減少了近20倍，總生產(chǎn)效率提高了37.5%。