一種高精度數(shù)控車(chē)床的主軸裝配工藝設(shè)計(jì)

關(guān)國(guó)旗

（山東普利森集團(tuán)有限公司，山東德州 253000）

一種高精度數(shù)控車(chē)床的主軸裝配工藝設(shè)計(jì)

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（山東普利森集團(tuán)有限公司，山東德州 253000）

為了達(dá)到數(shù)控機(jī)床的高精度技術(shù)要求，對(duì)主軸組件的關(guān)鍵部件進(jìn)行了嚴(yán)格的動(dòng)平衡校核工藝規(guī)劃。結(jié)合主軸組件特性，制定了主軸定向裝配法方案。主軸軸承裝配采用隔套雙定位方法，為避免裝配過(guò)程中隔套的過(guò)定位現(xiàn)象，對(duì)隔套進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了隔套以研代磨的加工工藝，確保軸承的裝配精度。實(shí)踐證明主軸裝配工藝的設(shè)計(jì)方案能夠滿(mǎn)足機(jī)床主軸動(dòng)態(tài)特性的相關(guān)技術(shù)要求。

主軸 裝配精度 裝配工藝

我公司生產(chǎn)的CK6156數(shù)控車(chē)床是一種斜床身全功能高速精密數(shù)控車(chē)床，具有高精度、高效率的特點(diǎn)。目前，該型號(hào)車(chē)床已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、航空航天、船舶制造和能源工業(yè)等領(lǐng)域的精密加工。

為了達(dá)到該機(jī)床的高精度技術(shù)要求，機(jī)床主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性技術(shù)要求成為關(guān)鍵因素。為實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高精度加工，主軸組件的技術(shù)方案不僅要滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且要達(dá)到磨床靜壓主軸的裝配精度［1］。因此，該技術(shù)方案的實(shí)施必須依靠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囈?guī)劃，確保機(jī)床主軸組件的裝配精度。

1 主軸系統(tǒng)動(dòng)平衡校核的工藝設(shè)計(jì)

圖1所示為CK6156數(shù)控車(chē)床主軸裝配示意圖。為了保證主軸組件裝配的精度要求，需要首先進(jìn)行相關(guān)部件的動(dòng)平衡校核。

1.1 主軸系統(tǒng)主要零件動(dòng)平衡校核

1.1.1 主軸動(dòng)平衡校核

主軸動(dòng)平衡在上海申克HY20BK型動(dòng)平衡機(jī)上校核，該平衡機(jī)具有數(shù)字顯示功能，可精確到mg。主軸動(dòng)平衡量的技術(shù)要求為不平衡量小于1 g（位于φ300 mm圓周上，類(lèi)似情況不平衡量均按此要求）。根據(jù)動(dòng)靜平衡試驗(yàn)，將不平衡量在主軸上直接去除。主軸前點(diǎn)的去重位置在靠近甩油槽處的最大外圓徑向部位，主軸后點(diǎn)的去重位置在主軸后端面的軸向部位。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，達(dá)到不平衡量小于1 g的技術(shù)要求。

1.1.2 長(zhǎng)隔套動(dòng)平衡校核

長(zhǎng)隔套動(dòng)平衡的技術(shù)要求為不平衡量小于1 g，不平衡量可直接在套體上去除。為消除動(dòng)平衡時(shí)的跳動(dòng)及動(dòng)平衡點(diǎn)游離不定的現(xiàn)象，工藝上對(duì)圓度和表面粗糙度作了約定，要求圓度小于0.01 mm，表面粗糙度值不大于Ra0.8 μm。在工件去重時(shí)注意不能打透，以免造成工件變形，嚴(yán)重影響兩端面的平行度。

1.1.3 復(fù)檢單件工件精度

主軸和長(zhǎng)隔套做好動(dòng)平衡校核后，需要復(fù)檢單件工件精度。復(fù)檢的目的是標(biāo)示主軸錐孔300 mm處最大跳動(dòng)的位置（檢棒檢驗(yàn)）及主軸自身安裝軸承處圓度凹點(diǎn)的位置。主軸復(fù)檢采用兩軸承處支撐結(jié)合錐孔檢棒檢驗(yàn)的方法。當(dāng)主軸軸線(xiàn)的徑向跳動(dòng)靠近主軸端面處為0.005 mm，距主軸端面300 mm處為0.008 mm時(shí)，零件被認(rèn)為合格品。

1.2 主軸系統(tǒng)組件動(dòng)平衡校核

1.2.1 主軸與長(zhǎng)隔套裝配的動(dòng)平衡校核

主軸與長(zhǎng)隔套裝配的動(dòng)平衡校核的目的是為了確定長(zhǎng)隔套相對(duì)主軸的位置，并做好標(biāo)示，便于在后期裝配中確定相對(duì)位置。其動(dòng)平衡量的不平衡量小于1 g。

1.2.2 前連接盤(pán)的動(dòng)平衡校核

主軸前端與卡盤(pán)連接的前連接盤(pán)連接后一起做動(dòng)平衡。將前連接盤(pán)安裝到帶長(zhǎng)隔套組裝后的主軸組件上，并用螺釘緊固。動(dòng)平衡的不平衡量同樣要求小于1 g，不平衡量可直接在前連接盤(pán)的軸向去除。去除點(diǎn)可以位于盤(pán)面的內(nèi)側(cè)與主軸軸肩聯(lián)結(jié)處（這樣做一方面避免影響主軸關(guān)鍵部位的剛度和強(qiáng)度，另一方面達(dá)到不影響外觀(guān)的設(shè)計(jì)要求）。在做主軸動(dòng)平衡校核前，前連接盤(pán)用螺釘需經(jīng)過(guò)單獨(dú)稱(chēng)重，所有螺釘重量須一致（螺釘直接去重，達(dá)到工藝技術(shù)要求）。實(shí)踐證明標(biāo)準(zhǔn)螺釘在未進(jìn)行挑選和去重的情況下，可擴(kuò)大動(dòng)平衡量至1.0～1.5 g。

1.2.3 后連接盤(pán)的動(dòng)平衡校核

主軸后端與油缸連接的后連接盤(pán)也要在裝配后進(jìn)行動(dòng)平衡。方法是將主軸的后連接盤(pán)安裝到主軸后端，用螺釘緊固。對(duì)螺釘?shù)墓に囈笸?.2.2要求所述。主軸組件的動(dòng)平衡要求不平衡量小于1 g，不平衡量直接在后連接盤(pán)的端面軸向去除。

1.2.4 拉桿的動(dòng)平衡校核

拉桿動(dòng)平衡的不平衡量要求小于1 g，可直接在拉桿兩端距螺紋20 mm位置徑向去除?？招睦瓧U去重時(shí)注意不能打透工件，防止工作狀態(tài)下切屑液流入空隙造成主軸等相關(guān)零件的銹蝕。拉桿的機(jī)械加工工藝精度要求同長(zhǎng)隔套一樣，圓度小于0.01 mm，表面粗糙度值不大于Ra0.8 μm，彎曲跳動(dòng)小于0.015 mm。

完成以上各項(xiàng)動(dòng)平衡校核后，需將各零件做好相對(duì)主軸裝配的位置標(biāo)示。從而確保個(gè)體與整體的相互關(guān)聯(lián)，使主軸組件裝配達(dá)到最佳的狀態(tài)。

2 主軸軸承組裝工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)CK6156數(shù)控車(chē)床所選用的軸承精度等級(jí)及現(xiàn)有的制造水平制定裝配工藝。裝配方法主要采用定向裝配法。如圖2，該方法主要是將軸承內(nèi)圈的徑向最大跳動(dòng)處與主軸前錐孔軸心線(xiàn)的最小偏差處配合;軸承外圈的徑向最大跳動(dòng)處與主軸箱內(nèi)孔軸心線(xiàn)的最小偏差處配合［2］。從而達(dá)到較高的裝配精度等級(jí)。

2.1 主軸的圓柱度校驗(yàn)

在實(shí)際操作中，采用圓跳動(dòng)來(lái)替代主軸的圓柱度。檢測(cè)時(shí)，主軸安裝軸承處采用雙“V”支撐。檢測(cè)設(shè)備采用瑞士生產(chǎn)的大表盤(pán)千分表指示器。指示器垂直于“V”型支架的一個(gè)支承面，主軸軸向定位并平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，多次檢測(cè)后標(biāo)示出主軸的圓度凹點(diǎn)。

主軸錐孔的圓跳動(dòng)采用主軸錐孔檢棒檢驗(yàn)，檢測(cè)距主軸端面300 mm處的檢棒圓跳動(dòng)。主軸采用雙“V”支撐，指示器垂直于檢棒表面，主軸軸向定位并平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，多次檢測(cè)后標(biāo)出主軸錐孔的凹點(diǎn)。

2.2 軸承裝配方法

裝配軸承時(shí)，將前軸承內(nèi)圈跳動(dòng)的高點(diǎn)（或厚點(diǎn)）（對(duì)P4等級(jí)的軸承，軸承廠(chǎng)家對(duì)軸承內(nèi)圈的高點(diǎn)都有標(biāo)示）與主軸前軸承處的凹點(diǎn)標(biāo)示相對(duì)應(yīng)，使兩零件配合后軸承滾道圓度盡可能高，進(jìn)而提高主軸前端的旋轉(zhuǎn)精度。將后軸承的內(nèi)圈跳動(dòng)高點(diǎn)與主軸前端錐孔的凹點(diǎn)標(biāo)示相對(duì)應(yīng)，使軸承安裝后能夠減小主軸錐孔的徑向跳動(dòng)誤差。

連續(xù)對(duì)3臺(tái)床頭箱主軸裝配前后主軸錐孔徑向跳動(dòng)誤差進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。參照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［3］，主軸裝配后，當(dāng)主軸錐孔徑向跳動(dòng)誤差靠近主軸端面處為0.008 mm，距主軸端面300 mm處為0.012 mm時(shí)，裝配被認(rèn)定合格。通過(guò)表1數(shù)據(jù)對(duì)比，采用上述定向裝配工藝方法，能夠有效提高主軸的裝配精度。按照同樣方法對(duì)主軸裝配前后主軸軸頸處的跳動(dòng)誤差、軸肩處跳動(dòng)誤差均進(jìn)行比較，結(jié)果證明了這種裝配工藝方法的可行性。

表1 主軸裝配前后主軸錐孔的徑向跳動(dòng)誤差

3 主軸裝配工藝規(guī)劃

3.1 主軸軸承隔墊的雙定位分析

為了提高主軸系統(tǒng)的剛性，消除受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)引起的加工誤差，機(jī)床主軸軸承之間采用隔墊結(jié)構(gòu)。但是隔墊與主軸之間間隙太大，在主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并影響機(jī)床的加工精度。當(dāng)軸承隔套與主軸裝配后，雙定位造成的過(guò)定位問(wèn)題使軸承隔套的兩端面與軸承隔套內(nèi)孔定位圓柱面存在相互干涉的現(xiàn)象。通過(guò)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究，在消除隔套過(guò)定位的前提下，設(shè)計(jì)出主軸的端面與圓柱面的雙定位裝配工藝。

3.2 隔套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化

修改后的內(nèi)隔套結(jié)構(gòu)如圖3b所示：在保證內(nèi)孔精度的基礎(chǔ)上，將內(nèi)隔套與主軸的配合接觸長(zhǎng)度由原來(lái)20 mm縮短至2 mm。這種結(jié)構(gòu)在保證隔套端面定位的前提下，依靠隔套本身的彈性變形，解決了圓柱面過(guò)定位問(wèn)題，從而達(dá)到了設(shè)計(jì)上的雙定位要求。軸承外隔套的安裝采用相似的結(jié)構(gòu)形式。

CK6156數(shù)控車(chē)床采用德國(guó)產(chǎn)FAG P4級(jí)成組軸承。為保證軸承預(yù)緊時(shí)軸承受力的平穩(wěn)性和均勻性，加工工藝要求軸承隔套兩端面的平面度及平行度為0.03 mm。軸承內(nèi)隔套尺寸為φ153 mm×φ130 mmH7×20 mm，外隔套尺寸 φ200 mmh6× φ188 mm ×20 mm。原來(lái)的加工工藝為磨工件兩端面，但是經(jīng)過(guò)多次反復(fù)磨削后不能達(dá)到0.003 mm的精度。通過(guò)分析制定了以研代磨的加工工藝，加工工藝過(guò)程為：車(chē)削留磨量—磨削內(nèi)孔至尺寸—粗磨兩平面—鉗工研面—磨削對(duì)面—交檢。

通過(guò)這種研磨加工，軸承隔套加工精度達(dá)到了0.003 mm的技術(shù)要求，保證了軸承的裝配精度。

3.3 主軸的裝配工藝

主軸軸承嚴(yán)格按照定向裝配法的技術(shù)要求，采用熱裝工藝裝配。將軸承、軸承內(nèi)隔套用電磁加熱器進(jìn)行加熱，加熱溫度控制在70～80℃，時(shí)間控制在1 min左右。在主軸端面安裝起吊環(huán)，主軸組件被吊起并垂直裝入床頭箱體孔中，安裝前法蘭盤(pán)，將箱體放平后安裝后端法蘭盤(pán)。

結(jié)合主軸精度對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊。預(yù)緊過(guò)程中需要對(duì)主軸進(jìn)行前后竄動(dòng)的調(diào)整。調(diào)整完畢后，對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行熱檢，各項(xiàng)精度合格后停止調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

主軸組件裝配完成后采用專(zhuān)用檢具（檢棒）檢驗(yàn)，主軸軸線(xiàn)的徑向跳動(dòng)靠近主軸端面處達(dá)到0.002 mm，距主軸端面300 mm處達(dá)到0.003 mm，滿(mǎn)足裝配精度技術(shù)要求。

裝配后機(jī)床的試切削驗(yàn)收表明，本文的主軸裝配工藝能夠完全達(dá)到機(jī)床重切、抗振切槽試驗(yàn)、最大功率試驗(yàn)的技術(shù)要求。車(chē)削試件表面粗糙度可達(dá)Ra0.4 μm，尺寸精度可達(dá)IT6。

本文的裝配工藝能夠滿(mǎn)足CK6156數(shù)控車(chē)床主軸動(dòng)態(tài)特性的要求。同時(shí)，該工藝方案為CK6156系列機(jī)床切削系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究和切削參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化以及CH系列車(chē)削中心的研發(fā)工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

［1］坐標(biāo)磨床第3部分技術(shù)條件（JB/T6091.3－2007）［S］.

［2］王先逵，孫鳳池.機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］金屬切削機(jī)床通用技術(shù)條件（GB/T9061－2006）［S］.

作者：關(guān)國(guó)旗，男，1966年生，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造與工藝規(guī)劃。

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The spindle assembly process design of a high-precision CNC lathe

GUAN Guoqi
（Shandong PRECION Group Co.，Ltd.，Dezhou 253000，CHN）

The dynamic balance process of major parts of spindle was planned to achieve the technique of the high－precision CNC lathe.The directional assembly approach of the spindle was used for the assembly process according to the features of major parts.The double－location approach of the isolation cylinders was used to assemble the bearings of spindle.The structure of the cylinders were analyzed and optimized to avoid the over location.The grinding process substituting for the milling process of the cylinders manufacturing was designed to make sure the assembly accuracy of the bearings.The experience shows that the assembly process is suitable for the relevant technical requirements of the dynamic parameters of the spindle.

Spindle;Assembly Accuracy;Assembly Process

TH161

B

（編輯 宋業(yè)鈞）（

2011－05－04）

120112