立式加工中心皮帶軸的結(jié)構(gòu)設計*

李向東，史建鋒，李安玲，張國燁，何 強

(1.安陽職業(yè)技術(shù)學院，河南 安陽 455000;2.安鋼集團汽運公司，河南 安陽 455000;3.安陽工學院 機床關鍵功能部件重點實驗室，河南 安陽 455000)

0 引言

我國加工中心的發(fā)展歷程充分證明，加工中心主軸發(fā)展的滯后，始終是制約我國工業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一［1］。在八九十年代，隨著國內(nèi)高速主軸軸承的開發(fā)成功，研制出一系列高剛度、高速電主軸，廣泛應用于各種內(nèi)圓磨床和各個機械制造領域。在九十年代以后由磨用電主軸轉(zhuǎn)向銑用電主軸，它不僅能加工各種形體復雜的模具，而且開發(fā)了用于木工機械用的風冷式高速銑用電主軸，推動了高速電主軸在切削中的應用。目前電主軸主要用于高速加工，通過高轉(zhuǎn)速實現(xiàn)高效率，高精度的目標［2］。國內(nèi)目前用于加工中心處的高速電主軸最高轉(zhuǎn)速高達30000r/min，而一般的轉(zhuǎn)速在15000r/min，但是由于電主軸轉(zhuǎn)速太高其扭矩普遍很低，從而滿足不了加工中心上大扭矩的加工需求，所以除電主軸外皮帶軸的研究也必不可少。

為了獲得皮帶軸更優(yōu)的設計結(jié)構(gòu)，我們對皮帶軸的主軸進行了必要的理論計算和實際工況分析。

1 用戶技術(shù)要求

立式加工中心皮帶軸工作時，帶輪由一電機帶動，帶輪帶動主軸運動從而使刀具加工工件。皮帶軸的功率由驅(qū)動電機決定，皮帶軸所能接受的最大切削力則由軸的強度和軸承的剛度決定。

用戶技術(shù)要求如下:

(1)主軸用于立式加工中心，主軸拉釘套拉緊，拉刀力為4000 ±50N;

(2)主軸錐孔為BT30，拉釘型式45°;

(3)主軸最高轉(zhuǎn)速6000rpm，功率5kW;

(4)主軸帶刀打刀行程4.5mm，空刀打刀行程2.1mm;

(5)主軸錐孔徑向跳動＜0.002mm，距主軸端面300mm 處徑向跳動＜ 0.008mm，主軸軸向竄動＜0.002mm，整體(含皮帶輪)動平衡，等級G1;

(6)主軸空載試驗時，噪音不大于79dB，振動值不大于1.5mm/s。

2 主軸的材料與計算

2.1 主軸的構(gòu)造

皮帶軸主軸的形狀和構(gòu)造主要取決于主軸上所安裝的刀柄的類型、軸承、帶輪等零件的型號，數(shù)量和安裝方法等要素。

主軸的前端懸伸量主要取決于主軸端部的結(jié)構(gòu)，前支承軸承的配置和密封裝置的形式和尺寸，由結(jié)構(gòu)設計確定，在這里取35mm。

主軸后端用于安裝帶輪的懸臂梁長度由帶輪的型號，皮帶軸后端部的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電機的功率所決定的，在這里取43mm。

主軸的跨度L也是主軸獲得剛度的重要參數(shù)之一，一般取L =(2～3.5)d。在這里取80mm。

2.2 皮帶軸主軸的選材

該加工中心皮帶軸主軸SPP8030-06-10F-00 的材料我們選擇40Cr 且淬火后硬度為HRC45-50［3］。

2.3 主軸的強度計算

按鈕轉(zhuǎn)強度計算［4］:

對于空心軸，則有:

式中:τT——扭轉(zhuǎn)切應力，MPa;

T——軸所受的扭矩，N·mm;

WT——軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，mm3;

n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min;

P——軸傳遞的功率，kW;

d——計算截面處軸的直徑。

α= d1/d，即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，通常取

式中:A0的值可查閱相關機械手冊得A0=110

考慮皮帶軸的加工工藝和實際工作環(huán)境要求取合適的A0和β 的值帶入上式(2)可得d≥A0

考慮到皮帶軸軸承的選配、鍵的數(shù)量、帶輪的選擇以及皮帶軸的精度要求和生產(chǎn)實際等因素，主軸外直徑取36mm，內(nèi)徑取21mm，如圖1 所示。(在這里有必要說明按鈕轉(zhuǎn)強度計算出的主軸直徑為主軸的最小直徑)。

圖1 主軸三維圖

2.4 主軸的校核

在這里，我們通過軸的扭轉(zhuǎn)角φ 來進行校核。

對于空心軸有［5］:

式中:T——軸所受的扭矩，N·mm;

G——切變模量

D——主軸大徑，m

α= d1/d，即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，通常取α=0.5～0.6 。式中而對于不同機械的軸的工作條件，可從相關手冊中查得相應的單位長度許可轉(zhuǎn)角［φ'］的值。因為皮帶軸主軸屬于傳動軸，所以我們選［φ'］為0.8°/m，對于式中的E和μ 因為我們用的是材料是40Cr 所以我們?nèi) =206，μ=0.28 ，于是得G =80.5GP，最后帶入上式(3)可得:

所以軸的剛度符合要求。

3 主軸軸承類型的選配

3.1 軸承的工況分析

(1)立式加工中心的皮帶軸在加工工件時同時會受到徑向力與軸向力的作用，所以首先應選擇向心推力軸承。

(2)該皮帶軸功率大小定為5kW，加工工件時會產(chǎn)生的切削力和軸向力不太大，所以可以考慮采用球軸承。

(3)該皮帶軸最高轉(zhuǎn)速可達6000r/min，由于轉(zhuǎn)速比較高，所以應考慮采用0 系列的軸承。

終上所述，該皮帶軸應采用輕系列的角接觸球軸承和深溝球軸承。為滿足客戶所提供的技術(shù)要求，我們采用兩端固定的布局方式，主軸前端是一對角接觸球軸承采用背對背的安裝方式，后端安裝一個深溝球軸承。我們在主軸后端采用深溝球軸承，是因為在保證滿足主軸所受到的徑向力和軸向力外，深溝球軸承適用于高轉(zhuǎn)速甚至極高轉(zhuǎn)速的運行，而且非常耐用，無需經(jīng)常維護。深溝球軸承的 摩擦系數(shù)很小，極限轉(zhuǎn)速也很高，特別是在軸向載荷很大的高速運轉(zhuǎn)工況下，深溝球軸承比推力球軸承更有優(yōu)越性。

最后查機械手冊可選型號為7008C/P5 的角接觸球軸承和型號為VV6007C/P5 的深溝球軸承，如圖2、圖3 所示。

圖2 VV6007C/P5 深溝球軸承

圖3 7008C/P5 角接觸球軸承

3.2 軸承校核

對于軸承壽命、當量動載荷已知的軸承可根據(jù)下

式進行校核:

式中:Lh——軸承壽命，h;

n——軸承轉(zhuǎn)速，r/min;

ft——溫度系數(shù);

C——額定動載荷，kN;

fP——載荷系數(shù);

P——當量動載荷。

上式中，ft、fP可從第八版《機械設計》查得分別為1 和1.5。

根據(jù)機械設計手冊可查的型號得7008C/P5 的角接觸球軸承的額定動載荷為20.6kN，型號為VV6007C/P5 的深溝球軸承的額定動載荷為16.3kN。因為該皮帶軸所受的徑向力和軸向力基本都被角接觸球軸承所承受，所以本節(jié)只對角接觸球軸承做校核。

根據(jù)工況分析該皮帶軸主軸所受的的當量動載荷P為2kN，軸承工作壽命設計為6000h，帶入上式(4)可得:

所以軸承滿足工作要求。

為什么預習工作做得好的學生，成績都會相對出色呢？預習為什么會產(chǎn)生這樣的效果呢？我們就從預習的好處談起。

4 拉桿結(jié)構(gòu)設計

拉桿主要作用是為了給刀柄提供拉力和推力，拉桿前端與刀柄的拉釘相配合，后端與氣缸相配合。其裝配位置在主軸內(nèi)部。所以，在設計拉桿時主要考慮拉桿所受到的推力大小，其表面粗糙度不做重點考慮［6］。

拉桿的材料我們選擇40Cr，淬火后硬度HRC 為40-45。查閱相關手冊可得40Cr 的許用應力［σ］為785MPa。并由技術(shù)要求可知拉桿的最大拉力為4050N;再考慮拉桿內(nèi)部的進氣孔需要通入足夠量的氣體來清除刀柄內(nèi)的贓物，根據(jù)刀柄的型號我們?nèi)±瓧U內(nèi)部的直徑d'0= 4mm 于是可求得拉桿的工作面積為:

從而得出拉桿的最小直徑為:

為了讓拉桿滿足推拉刀時所產(chǎn)生的彎矩要求，我們?nèi)±瓧U的直徑為12mm，如圖4 所示。

圖4 拉桿的三維圖

5 碟簧的選配

碟簧的作用是給刀柄提供拉刀力，它的組合方式有很多種，為了滿足客戶提供的技術(shù)要求，我們采用兩片疊合后再對合的組合方式，且碟簧的數(shù)量為60 片。根據(jù)客戶提供的要求:碟簧預緊力為300N，帶刀打刀行程為4.5mm，預壓4.5mm，我們開始碟簧的計算選配。

由于我們已經(jīng)確定了拉桿的直徑，所以我們可以根據(jù)拉桿的直徑確定碟簧的內(nèi)徑。查閱機械手冊可知，碟簧的內(nèi)徑可選14.2mm，碟簧內(nèi)徑選定后從而得到碟簧的外徑為28mm。再由最大拉刀力為40050N可知，我們應該選擇A 系列的碟簧，它的最大載荷為2850N，兩片疊合后最大載荷為5700N，滿足拉刀力4000N 的要求。

在選定碟簧型號后，接下來我們驗算碟簧的打刀距離是否滿足要求。根據(jù)客戶提供的技術(shù)要求可知，碟簧數(shù)量為60 片，碟簧的帶刀打刀距離為4.5mm，預壓縮量為4.5mm，碟簧總的壓縮量為9mm。查閱機械手冊可知該選定的碟簧單片壓縮量f=0.49mm，碟簧疊合后總的壓縮量為0.49 ×30 =14.7mm，滿足皮帶軸的打刀要求，所以該型號的碟簧滿足客戶提供的技術(shù)要求，如圖5 所示。

圖5 碟簧裝配圖

6 皮帶軸的總裝圖

完成上述主要零件的參數(shù)設計后，該皮帶軸的總裝圖如圖6 所示。

圖6 皮帶軸總裝圖

7 出廠測試

出廠測試的目的是零配件在組裝后，實現(xiàn)整機質(zhì)量標準和技術(shù)要求。在測試過程中，模擬真實工況，記錄主要反映產(chǎn)品性能的參數(shù)，若達到質(zhì)量標準和技術(shù)要求，則符合要求交付客戶;否則，要返廠調(diào)整使其符合規(guī)定要求。

測試方法:調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速旋鈕使主軸單元轉(zhuǎn)速達到1500r/min 時運行20～25min，對試驗軸承進行試驗前的跑合運轉(zhuǎn)，當跑合運轉(zhuǎn)結(jié)束后，設定變頻控制系統(tǒng)使轉(zhuǎn)速每隔30min 自動提高一次，每次提高500r/min，達到6000r/min 后轉(zhuǎn)速停止提高，在此轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)至設定時間后停機;在此試驗過程中，由計算機控制并顯示轉(zhuǎn)速、振動、距主軸端面300mm 處的徑向跳動值、主軸軸向竄動值、噪音值、振動值、試驗時間，并將上述參數(shù)保存在計算機數(shù)據(jù)庫中。讀出數(shù)據(jù):最高轉(zhuǎn)速n=6000r/min、振動m=1.2mm/s、綜合噪音V=70dB，距主軸300mm 處的徑向跳動值為0.006mm，主軸軸向竄動0.0015mm。

停止皮帶軸運轉(zhuǎn)，使其他輔助和測量工具運行，然后讀取各種工況下背景噪音，得出平均值噪音值為75dB。

8 結(jié)論

(1)進行了主軸直徑的計算與校核;拉桿直徑的計算，軸承的選配與校核，以及碟簧的選配，完成了立式加工中心皮帶軸的整體設計。

(2)計算出了功率為5kW，極限轉(zhuǎn)速為6000r/min的皮帶軸主軸和拉桿直徑、軸承的型號和配合方式，以及碟簧的片數(shù)。

(3)經(jīng)過出廠測試，測試得出主軸各項技術(shù)要求參數(shù)均優(yōu)于客戶的要求，皮帶軸設計合理。

［1］何強，張國亮，李安玲，等. 車床皮帶軸熱力學仿真分析［J］.制造技術(shù)與機床，2013(8):80 -82.

［2］何強，李安玲，葉軍. 加工中心皮帶軸熱力學仿真分析［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2013(6):15 -22.

［3］劉鴻文.材料力學(I)(第五版)［M］. 北京:高等教育出版社，2011.

［4］梁戈，時惠英.機械工程材料與熱加工工藝［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［5］濮良貴，紀名剛. 機械設計第8 版［M］. 北京:高等教育出版社，2006.

［6］He Qiang，Zhang Yong，Ye Jun. Thermal Characteristics of High Speed Motorized Spindle With Helical Water Cooling Channel［J］ Recent Patents on Mechanical Engineering，2012(1):69 -76.