車床尾座主軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

徐 燕

(天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司，甘肅天水741024)

尾座是車床的主要組成部件,在加工軸類工件時,起到輔助支撐的作用,其頂尖頂緊工件,保證加工的穩(wěn)定性.隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展,車床的技術(shù)水平日趨成熟,尾座的結(jié)構(gòu)依據(jù)其功能特性要求而多種多樣,尾座總成在床身上的縱向移動,由原來的人力推動發(fā)展為現(xiàn)在的電動機(jī)驅(qū)動；套筒的旋出由原來的人工手輪搖動旋出發(fā)展為現(xiàn)在的電動液壓、氣動控制旋出等,都在向自動化、宜人化及高精度、高可靠性發(fā)展.對于中、小型車床,由于承重不大,尾座自身較輕便,考慮成本等問題,其移動或套筒移動一般采用人工機(jī)械控制方式,對于大型、重型車床,尾座承載大,結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜,通常采用電動控制.

尾座作為車床的主要組成部件,不管以何種方式控制,其結(jié)構(gòu)性能直接影響車床的使用精度,關(guān)鍵在于尾座套筒、尾座主軸、尾座頂尖之間的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).在實(shí)際應(yīng)用中,常常會出現(xiàn)尾座頂尖的徑向跳動超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求；尾座套筒軸線對溜板移動的平行度要求達(dá)不到預(yù)定目標(biāo)；尾座套筒錐孔軸線對溜板移動的平行度要求過低等問題.因此,需要我們在這幾個方面考慮對尾座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),提高尾座的可靠性和使用精度.

1 原尾座結(jié)構(gòu)分析

尾座通常配合主軸箱使用,用來支撐并頂緊工件,相對來說結(jié)構(gòu)較簡單,如圖1原尾座結(jié)構(gòu)示意圖.

此結(jié)構(gòu)為固定式尾座結(jié)構(gòu),尾座整體在床身上到位后,操作手柄8使止退銷7插入床身止退牙9后固定好壓板10,防止尾座在頂持工件后與床身發(fā)生相對滑移,通過搖手輪6,使絲桿3與絲母4動作,驅(qū)動套筒2向外伸出,可靠頂緊工件.結(jié)構(gòu)中,頂尖與套筒按1:7錐孔定位,頂尖材質(zhì)選用T8A,進(jìn)行C58熱處理,套筒外徑D＝130 mm,套筒內(nèi)徑d＝80 mm.結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,但存在以下問題:

(1)頂尖在結(jié)構(gòu)中屬死頂尖,加工工件時工件旋轉(zhuǎn),頂尖和套筒不動,工件相對尾座頂尖高速旋轉(zhuǎn),對頂尖處的材質(zhì)要求較高,通常頂尖處鑲嵌硬質(zhì)合金防止頂尖磨損,除此之外,根據(jù)用戶的工件材質(zhì)及工件中心孔特性,通常需要專用活頂尖來代替使用,增加了附件的配置成本.

(2)頂尖與套筒直接安裝,對1∶7的定位錐孔加工要求和裝配要求高,內(nèi)錐孔與配合件用涂色法檢驗(yàn),其接觸面要求靠近大端,且不得低于全長的80%,加工或裝配不達(dá)標(biāo),常常出現(xiàn)頂尖與套筒錐孔處研損,導(dǎo)致頂尖使用精度下降,影響工件的加工精度.

(3)在實(shí)際應(yīng)用中常常會出現(xiàn)尾座頂尖的徑向跳動超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求；尾座套筒軸線對溜板移動的平行度要求達(dá)不到預(yù)定目標(biāo)；尾座套筒錐孔軸線對溜板移動的平行度過低等問題.

(4)本結(jié)構(gòu)中由于是死頂尖結(jié)構(gòu),承載能力較小,對加工工件重量有一定的局限性.

2 尾座結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述尾座已有的結(jié)構(gòu)和存在的問題分析,對原結(jié)構(gòu)的尾座進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)一臺更加合理可靠的尾座結(jié)構(gòu).改進(jìn)設(shè)計(jì)方案如圖2所示,增加尾座主軸,在尾座主軸和套筒間配置軸承,圖3為改進(jìn)后尾座主軸結(jié)構(gòu)放大示意圖,套筒內(nèi)增加尾座主軸,套筒外徑D ＝150 mm,套筒內(nèi)徑d＝100 mm.

與原結(jié)構(gòu)相比較,改進(jìn)后結(jié)構(gòu)增加了尾座主軸,前端增加帶錐孔的雙列圓柱滾子軸承和一對推力球軸承,后端增加圓錐滾子軸承,配合使用來消除軸向間隙,承載較大的軸向和徑向載荷.套筒上設(shè)計(jì)了導(dǎo)向塊5,當(dāng)搖手輪10時,絲桿9驅(qū)動絲母8軸向運(yùn)動,帶動套筒6向外伸出,導(dǎo)向塊5對套筒6起到導(dǎo)向作用,使套筒6沿直線穩(wěn)定移動,把改進(jìn)后尾座結(jié)構(gòu)稱為內(nèi)置式結(jié)構(gòu).改進(jìn)后結(jié)構(gòu)中,頂尖較簡單,本身相當(dāng)于活頂尖,當(dāng)主軸箱頂尖和尾座頂尖頂緊工件并由主軸箱驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)時,頂尖和尾座主軸隨從工件一起運(yùn)動,且頂尖頭處不需要鑲嵌硬質(zhì)合金.

3 改進(jìn)前后性能分析

3.1 性能與成本分析

改進(jìn)前固定式尾座結(jié)構(gòu)中,頂尖屬死頂尖,結(jié)合原結(jié)構(gòu)中的問題說明知道,對頂尖處的材質(zhì)要求較高,通常頂尖處鑲嵌硬質(zhì)合金,如圖4所示,采購成本高,除此之外,根據(jù)用戶的工件材質(zhì)及工件中心孔特性,通常需要配帶活頂尖來配合使用,如圖5改進(jìn)前活頂尖示意圖,增加了附件的配置要求.改進(jìn)后結(jié)構(gòu)中的頂尖較簡單,采用如圖6所示標(biāo)準(zhǔn)頂尖,頂尖頭處不需要鑲嵌硬質(zhì)合金,結(jié)構(gòu)中由于增加了軸承和尾座主軸,頂尖連同尾座主軸本身相當(dāng)于活頂尖,相當(dāng)于把原結(jié)構(gòu)中的活頂尖的結(jié)構(gòu)融入到內(nèi)置式尾座結(jié)構(gòu)中.改進(jìn)后使用可靠,頂尖與套筒錐孔處研損情況基本消除,也省去了采購硬質(zhì)合金的成本與加工成本.改進(jìn)后雖然增加了尾座主軸及軸承,但不需要增加活頂尖作為附件使用,相比較合算,改進(jìn)后這部分成本略低于改進(jìn)前,關(guān)鍵是改進(jìn)后承載能力也相應(yīng)增大；另外,對1∶7的定位錐孔面配合使用涂色法檢驗(yàn),改進(jìn)后其接觸面要求靠近大端,且不少于全長的70%,與原結(jié)構(gòu)的80%相比較,降低了加工與裝配成本.

3.2 現(xiàn)場精度檢測分析

按照GB/T 25659.1-2010《簡式數(shù)控臥式車床第1部分:精度檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)要求,檢測改進(jìn)前后兩臺尾座的相關(guān)精度,如表1所示.表1中的數(shù)據(jù),是檢測尾座套筒和錐柄芯軸、尾座套筒上母線和側(cè)母線的直線度以及頂尖錐面的跳動度,分別檢測三次求得的平均值.

由以上尾座精度檢測可知,改進(jìn)后尾座套筒軸線及錐孔軸線對溜板移動的平行度均高于改進(jìn)前；尾座頂尖的跳動度高于改進(jìn)前,說明改進(jìn)后尾座的各項(xiàng)使用精度提高了,對工件的加工精度也會有相應(yīng)的提高.

3.3 計(jì)算改進(jìn)后套筒伸出量對車床靜剛度的影響

由于工件形狀和尺寸的不同,要求尾座套筒伸出的長度也不同,套筒的伸出量直接影響車床的靜剛度性能.為了說明尾座主軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)后套筒伸出量對車床靜剛度的影響及承載能力,將改進(jìn)前、后車床工件重量分別設(shè)為3 t、4 t,計(jì)算尾座套筒伸出L1長度時的變形量進(jìn)行比較.

將尾座套筒視為由簡支梁AB與固定在橫截面B的懸臂梁BC所組成,如圖7尾座套筒載荷分布所示,當(dāng)簡支梁AB與懸臂梁BC變形時,均在截面C引起撓度,撓度δ1與δ2,其代數(shù)和即為該截面的總撓度,即總變形量δ[1].

表1 改進(jìn)前后尾座精度檢測

為了分析簡支梁AB的變形,首先要計(jì)算C端處載荷力F的大小,即頂尖處載荷力的大小,因?yàn)楣ぜ欢吮豢ūP夾緊,屬固定端,一端頂尖支撐,工件重量G＝3 t(改進(jìn)前),G＝4 t(改進(jìn)后),工件長度L＝2 000 mm,如圖8工件均布載荷分布,用超靜力定梁力法進(jìn)行計(jì)算,判定超靜定次數(shù)為一次,解除多余約束,將原超靜定梁轉(zhuǎn)化為靜定梁.

根據(jù)靜定梁的選擇原則,這里選懸臂梁為基本定靜梁[2],由靜力平衡條件得:

于是得到C端處的約束反力F＝FC,將載荷F＝FC平移至截面B,得作用在該截面上的集中力F與力矩為FL1的附加力偶,如圖9附加力偶圖,于是得截面B的轉(zhuǎn)角為:

并由此得截面C的相應(yīng)撓度為:

在載荷F作用下,如圖10,懸臂梁BC的端點(diǎn)撓度為:

由此可得,截面C的總撓度為:

已知鋼的彈性模量E＝200 GPa＝2×1011Pa(d為套筒內(nèi)徑,D為套筒外徑),F＝FC,L1為套筒伸出長度,L2為套筒未伸出長度,改進(jìn)前工件重量G＝3 t,改進(jìn)后工件重量G＝4 t,工件長度L＝2 000 mm,將所有已知條件分別代入式(1)～(7),可得 δ1、δ2及δ的值,見表2.

從以上δ1、δ2及δ值并查看標(biāo)準(zhǔn)知道,各撓度值均小于行業(yè)及國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)變形量,從數(shù)值看,套筒伸出長度越長,套筒撓度及總變形量相應(yīng)增大,改進(jìn)前載荷為3 t,改進(jìn)后載荷增加到4 t,但其δ1、δ2及δ值均小于改進(jìn)前,說明改進(jìn)后尾座的靜剛度性能優(yōu)于改進(jìn)前.

4 結(jié)語

在原尾座結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),增加尾座主軸,并配合相關(guān)軸承,將原死頂尖固定式尾座結(jié)構(gòu)改進(jìn)為內(nèi)置式活頂尖結(jié)構(gòu),不但改善了尾座的相關(guān)性能,降低了加工成本,而且提高了尾座的使用精度和靜剛度,改善了車床的加工性能.在實(shí)際的使用中具有廣泛的實(shí)用價值.

表2 改進(jìn)前后尾座套筒變形量計(jì)算