靜壓型B軸回轉(zhuǎn)分度裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計*

杜 雄 房小艷 何雨倩

（上海機(jī)床廠有限公司 上海200093）

B軸回轉(zhuǎn)分度裝置是復(fù)合磨削中心的核心部件，通過回轉(zhuǎn)分度可切換加工用的砂輪刀具，實現(xiàn)工件在一次裝夾下多工序的精密磨削加工。利用蝸輪蝸桿副、錐齒輪副、滾珠傳動副和滾柱凸輪副等典型機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)形成的機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計方案不太適用于復(fù)合磨削中心B軸回轉(zhuǎn)分度裝置的總體設(shè)計，所以開發(fā)了以轉(zhuǎn)臺軸承和靜壓軸承進(jìn)行支承、力矩電機(jī)直接驅(qū)動的B軸回轉(zhuǎn)分度裝置[1]。

本文是在靜壓型 B軸回轉(zhuǎn)分度裝置總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，主要對其靜壓復(fù)合軸承支承結(jié)構(gòu)設(shè)計，此外還包括潤滑油路、電機(jī)冷卻和走線等問題進(jìn)行說明。

1 設(shè)計要求

圖1是一種靜壓型B軸回轉(zhuǎn)分度裝置的總體設(shè)計方案[1]，立柱下端與底座固定連接，立柱中間通過轉(zhuǎn)子套固定連接力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子，底座上裝設(shè)靜壓軸承座，靜壓軸承座與力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子之間裝設(shè)帶冷卻水套的力矩電機(jī)定子、軸承套和端面軸承蓋，靜壓軸承座上、下端面和內(nèi)孔上分別開設(shè)上靜壓油腔、下靜壓油腔和徑向的靜壓油腔，并與軸承套和端面軸承蓋形成徑向和端面復(fù)合閉式靜壓支承，端面軸承蓋上方裝設(shè)體殼，體殼內(nèi)裝設(shè)有與端面軸承蓋固定連接的連接套，連接套上裝設(shè)液壓鎖緊裝置，立柱上端通過滾子軸承與液壓鎖緊裝置連接，復(fù)合靜壓支承與滾子軸承一起形成兩支承結(jié)構(gòu)。

圖1 靜壓型B軸回轉(zhuǎn)分度裝置結(jié)構(gòu)示意圖

基于經(jīng)驗和國外同類機(jī)床使用功能，考慮到與文獻(xiàn)[2]相關(guān)計算內(nèi)容對應(yīng)，對其提出了如下的設(shè)計要求：

（1）回轉(zhuǎn)分度裝置繞B軸轉(zhuǎn)動的角度范圍為-45°～225°，轉(zhuǎn)動180°角度的時間不大于3 s；

（2）參考文獻(xiàn)[2]，取砂輪磨削加工位置相對于B軸回轉(zhuǎn)軸線的最大回轉(zhuǎn)半徑RSmax為730 mm；

（3）整個砂輪架轉(zhuǎn)塔的質(zhì)量約為1.5 t；

（4）作用于砂輪上的磨削力包括徑向磨削力Fr和切向磨削力Ft兩個分力，設(shè)Fr=1500 N，F(xiàn)t=750 N。切向磨削力 Ft作用到砂輪架體殼后作用到軸承上為傾覆力矩和軸向力，徑向磨削力Fr仍是徑向載荷。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

靜壓型 B軸回轉(zhuǎn)分度裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要工作有靜壓復(fù)合軸承支承參數(shù)計算、力矩電機(jī)選型以及其他零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，其中力矩電機(jī)選型參見文獻(xiàn)[2]的闡述，這里不再贅述。

2.1 徑向靜壓軸承參數(shù)計算

1）基本結(jié)構(gòu)確定

選用8油腔、8回油槽的徑向靜壓軸承，各油腔面積相等，油腔形狀為矩形。油腔結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 徑向靜壓軸承油腔結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)設(shè)計要求（2），參考文獻(xiàn)[2]中選擇的力矩電機(jī)型號，按尺寸比例選用徑向靜壓軸承的內(nèi)孔直徑D=2R=290 mm。由于這里為復(fù)合閉式靜壓支承，徑向靜壓軸承的高度不按標(biāo)準(zhǔn)計算，選取徑向靜壓軸承的高度H=90 mm。為了有效封油，取軸向封油邊的高度a=25 mm，則油腔的高度由 h=H-2a計算可得為40 mm；周向封油邊的寬度b1=0.1D≈25 mm。由于徑向靜壓軸承和端面靜壓導(dǎo)軌共用一個回油槽，選用較寬和較深的回油槽，初選回油槽寬度b2=8 mm，深度z2=3 mm。

半個油腔對應(yīng)的中心角設(shè)為θ1，其大小為，θ′為周向封油邊和回油槽半寬所對應(yīng)的中心角，其值為rad，故有θ1=0.193 rad。

封油邊回油槽側(cè)相對于半個油腔的中心角設(shè)為θ2，其大小為， θ″為回油槽半寬所對應(yīng)的中心角，其值為rad，故有θ2=0.365 rad。

2）一個油腔有效承載面積 Ae

一個油腔的有效承載面積設(shè)為Ae，其計算公式如下：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)得Ae=5191.2 mm2。

3）潤滑油的選用

B軸回轉(zhuǎn)分度裝置的回轉(zhuǎn)角速度不高，在 3s內(nèi)回轉(zhuǎn)180°，根據(jù)文獻(xiàn)[3]選用粘度較大的40號液壓油。40℃時，其動力粘度η=36×10-8kgfs/cm2。

4）額定載荷系數(shù)ωd、節(jié)流比β的確定

取載荷系數(shù)ωd=0.3 ，節(jié)流比β=2 。

5）確定供油壓力Ps

據(jù)文獻(xiàn)[3]，供油壓力Ps的計算公式為：

式中： Ae∑為組油腔的有效承載面積，徑向靜壓軸承有8個油腔，按標(biāo)準(zhǔn)的四油腔靜壓軸承的理論，這里的有效承載面積為兩個油腔經(jīng)投影后得到的面積再求和。

經(jīng)計算，得到供油壓力較小，為了和端面靜壓導(dǎo)軌一致，這里取Ps=40kgfs/cm2。

6）確定節(jié)流器尺寸

據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[3]，選用薄膜節(jié)流器的參數(shù)為：薄膜的工作范圍半徑rc=16.5 mm，節(jié)流器圓臺進(jìn)油孔半徑rc1=1.25mm，節(jié)流器圓臺半徑rc2=8 mm。

7）確定軸承半徑間隙h0和油腔深度z1

取軸承間隙h0=0.03 mm，油腔深度一般取z1= （30-60）h0，這里取z1=50h0=1.5 mm。

8）薄膜與圓臺間隙 hr

薄膜與圓臺的間隙 hr的計算公式為：

式中：λ 為液阻比，這里取1。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)得hr=0.0407 mm，為了防止?jié)櫥椭械碾s物阻塞，這里取hr=0.05 mm。

9）節(jié)流器薄膜厚度δ的確定

薄膜常用材料為 65Mn彈簧鋼，其彈性模量E=2.1× 106kgf/cm2，泊松比 μ=0.28，其厚度δ由如下公式得：

代入數(shù)據(jù)得δ=1.94mm，取2.0 mm。

10）靜壓軸承總流量Qr∑

單個油腔的流量Qr0, 由如下公式計算：

式中： Pr為軸承空載時油腔的壓力。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得Qr0=1.46cm3/s ,總流量。

2.2 端面靜壓導(dǎo)軌參數(shù)計算

1）基本結(jié)構(gòu)確定

端面靜壓導(dǎo)軌的油腔個數(shù)由最大承重、最大油腔壓力及回轉(zhuǎn)直徑綜合確定。由于砂輪架轉(zhuǎn)塔質(zhì)量較小，這里選用一圈油墊，與徑向靜壓軸承對應(yīng)將主導(dǎo)軌、副導(dǎo)軌的油腔個數(shù)選為8，油腔的形狀為扇形。

2）主導(dǎo)軌有效承載面積Ae1

主導(dǎo)軌的油腔形狀為扇形，如圖3所示，油腔周向的封油邊寬度為a1，外側(cè)封油邊外側(cè)弧的半徑為R11、內(nèi)側(cè)弧半徑為R12，內(nèi)側(cè)封油邊外側(cè)弧的半徑為r12、內(nèi)側(cè)弧半徑為r11，這樣外側(cè)封油邊外側(cè)弧長為2R11φ2-b2、內(nèi)側(cè)弧長為2R12φ2-b2-2a1，內(nèi)側(cè)封油邊內(nèi)側(cè)弧長為2r11φ1-b2、外側(cè)弧長為2r12φ1-b2-2a1，其中r11可取為R。

圖3 主導(dǎo)軌油腔

由于油腔徑向的尺寸相對于軸承座孔徑D的尺寸較小，以封油邊的一半并以梯形來簡化計算主導(dǎo)軌的有效承載面積Ae1，則計算公式為：

取r11=145 mm，r12=155 mm，R12=185 mm，R11=195 mm，a1=20mm,求得Ae1=4220.7 mm2。

3）副導(dǎo)軌有效承載面積 Ae2

副導(dǎo)軌的油腔如圖4所示，油腔周向的封油邊寬度為a2，外側(cè)封油邊外側(cè)弧的半徑為R21、內(nèi)側(cè)弧半徑為R22，內(nèi)側(cè)封油邊外側(cè)弧的半徑為r22、內(nèi)側(cè)弧半徑為r21，這樣外側(cè)封油邊外側(cè)弧長為2R21φ2-b2、內(nèi)側(cè)弧長為 2R22φ2-b2-2a2，內(nèi)側(cè)封油邊內(nèi)側(cè)弧長為 2r21φ2-b2、外側(cè)弧長為2r22φ2-b2-2a2，其中r21可取為R。

圖4 副導(dǎo)軌油腔

和主導(dǎo)軌的簡化一樣，其有效承載面積Ae2的計算公式為：

取r21=145 mm，r22=160 mm，R22=180 mm，R21=195 mm，a2=30mm,則得Ae2=3343.1mm2。

4）確定假定載荷Fb

砂輪進(jìn)行磨削時，切向切削力Ft最大約為750 N，相對于砂輪架自重1.5 t來說很小，可取。

5)確定假定載荷作用下的導(dǎo)軌油腔壓力

導(dǎo)軌油腔壓力Pb的計算公式由如下平衡式得到：

將代入上式得Pb=22.4 kgf/cm2。

6)確定節(jié)流比β

承受正方向垂直載荷的閉式靜壓導(dǎo)軌，一般主導(dǎo)軌和副導(dǎo)軌的有效承載面積不相等。對于雙面薄膜反饋節(jié)流閉式靜壓導(dǎo)軌，由于計算比較復(fù)雜，因而近似地取β=2。

7)確定供油壓力

由β =2 得Ps= βPb=44.8 kgf/cm2，考慮到砂輪架中只有回轉(zhuǎn)部分由端面靜壓導(dǎo)軌支承，這里取供油壓力Ps=40 kgf/cm2。

8)確定薄膜平直狀態(tài)下薄膜和圓臺之間的間隙 hc1

取砂輪架作用下，砂輪架和導(dǎo)軌之間的間隙hc0=0.03mm ，油膜間隙hc1的計算公式如下：

代入數(shù)據(jù)得B1=14.6，則由hc1=0.062 mm ，為了防止?jié)櫥椭械碾s物阻塞，這里取hc1=0.07 mm 。

9)薄膜厚度δ1

薄膜厚度δ1可按式（1）計算，只需將hr換成hc1，這樣δ1≈1.75 mm。

10）主導(dǎo)軌油腔的流量

Qc1為在Fb作用下，通過節(jié)流器流入主導(dǎo)軌一個油腔的流量（cm3/s），其計算公式為：

代入數(shù)據(jù)得，Qc1=3.64 cm3/s 。

流出主導(dǎo)軌油腔的總流量Qc1∑=8Qc1=29.1cm3/s= 1.75 L/min。

一般設(shè)計要求主導(dǎo)軌和副導(dǎo)軌的間隙相等，這里簡化計算，將從副導(dǎo)軌流出的流量和從主導(dǎo)軌流出的流量設(shè)為相等，則有Qc2∑=1.75 L/min 。

11）傾覆力矩對應(yīng)的導(dǎo)軌油膜剛度

砂輪架在切削的過程中要受磨削力的作用。由于油腔的徑向?qū)挾认鄬τ诙嗣姝h(huán)形靜壓導(dǎo)軌的半徑是較小的，這樣可以假定每個油腔的反作用力的合力作用在圓導(dǎo)軌的平均半徑 r 上，此時，主導(dǎo)軌的平均半徑 r1為0.5（r11+R11）。副導(dǎo)軌的平均半徑為0.5（r21+R21） 。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]圖4，可知砂輪架在切削過程中所受力矩Ms為

式中：x為砂輪的半徑； L為磨頭軸心線相對于B軸的距離。

取x=200 mm，L=450 mm，代入上式可得Ms=487.5 N m。

導(dǎo)軌的傾覆力矩Ms與導(dǎo)軌位移率的關(guān)系方程為：

式中：εm指的是在力矩Ms作用下，主導(dǎo)軌位移最大處的位移率（如圖5所示），， εm為導(dǎo)軌油膜變化位移；αj指的是主副導(dǎo)軌編號為j的油腔中心相對于對稱中線的夾角，如圖6所示。

圖5 在力矩下產(chǎn)生的位移

圖6 角度示意圖

再由求得導(dǎo)軌最大位移

計算結(jié)果表明，在受到切削力矩影響時，導(dǎo)軌位移量很小，滿足設(shè)計要求。

2.3 液壓系統(tǒng)的進(jìn)回油路設(shè)計

將同一中心角位置的三個主、副導(dǎo)軌與徑向靜壓軸承的油腔形成一組，這樣可以形成8組，每組按圖7所示的方式進(jìn)油。

圖7 進(jìn)油路示意圖

將各油腔外側(cè)開設(shè)的回油槽連通，這樣形成圖8所示的回油通道，最終潤滑油從回油孔1流出。此外，為了防止?jié)櫥屯ㄟ^底座的縫隙進(jìn)入底座內(nèi)而影響電機(jī)的性能，在底座內(nèi)側(cè)開設(shè)回油孔2，這樣確保潤滑油順利回收。

圖8 回油路示意圖

2.4 力矩電機(jī)冷卻問題

力矩電機(jī)一般直接外購，力矩電機(jī)已按文獻(xiàn)[2]的方法選型了，此時還需確定冷卻水的進(jìn)水和回水通道。由于定子固定在B軸回轉(zhuǎn)分度裝置的旋轉(zhuǎn)部分上，這樣就需要在旋轉(zhuǎn)部分設(shè)制通路用于進(jìn)回水，將冷卻水從砂輪架上端引入和流出，進(jìn)水通道如圖9所示。冷卻液的回流也按相同方法設(shè)置。

圖9 電機(jī)冷卻進(jìn)水路線

2.5 其他結(jié)構(gòu)問題

選定的力矩電機(jī)定子結(jié)構(gòu)中，有兩條直徑約為10 mm的動力電纜。由于定子是旋轉(zhuǎn)的，在砂輪架旋轉(zhuǎn)部分設(shè)置缺口，用于穿線。此外為了在頂端安裝液壓鎖緊裝置，在砂輪架的體殼孔裝有一個透蓋零件，通過它可對液壓鎖緊裝置進(jìn)行中心定位。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題已闡述清楚，其他細(xì)節(jié)按文獻(xiàn)[4]的細(xì)節(jié)稍微考慮即可。

3 結(jié)語

在靜壓型 B軸回轉(zhuǎn)分度裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先確定設(shè)計要求；之后根據(jù)設(shè)計要求對起主支承的靜壓復(fù)合軸承進(jìn)行了參數(shù)計算，也對潤滑油的進(jìn)出油通道、電機(jī)冷卻水通道、電機(jī)走線和液壓鎖緊抱閘裝置進(jìn)行了考慮，相關(guān)工作為復(fù)合磨削中心的進(jìn)一步研發(fā)提供了思路，具有進(jìn)一步推廣和應(yīng)用的價值。