主轴和轴座工艺研究

主轴和轴座工艺研究1研究背景 主锯是连续压机生产线砂锯工段中最核心的部件，主锯将以高转速3000r/min、深切削180mm、大进给250350mm/min完成对人造板持久往复的大厚度、高效率锯切，因此对其运动精度、结构刚度、可靠性等要求较高。主轴和轴座是主锯的两大主关件，其与高精度的配对轴承组成固定端，与高刚性内移式滚柱轴承组成浮动端。主轴和轴座以回转中心为基准有一系列的精密形位要求，精度要求甚至在4级以上，成为工艺制定的重中之重。因此，有必要对主轴和轴座的加工工艺进行深入研究，以找出保证主轴和轴座加工质量的最佳方法13。 2主轴精度的保证 主轴结构如图1所示，主轴轴承挡、锯片安装外圆及大端面跳动度三项是设计主关项次，是主轴运动精度保证的目标。从工艺分析来看，获得高精度的中心孔定位是实现各主关项次的保证。从质量控制来看，正是这三项次的合格率较低导致了主轴质量的不稳定，下面对影响主轴加工精度的各因素进行分析。(1)中心孔定位是精密回转类零件在磨床上常用的定位方式，磨制中心孔可获得较高的形位精度，其同轴定位精度可达0.001mm。(2)中心孔主要分为角度型中心孔、窄边型角度中心孔、球面中心孔等。角度型中心孔因与顶尖的接触面积大而具有定位刚性高的优点，但也因为接触面大导致定位误差较大，常用于重载零件的定位;窄边型角度中心孔是角度型中心孔的延伸，通过减少接触面提高了定位精度，但刚性有所削弱，常用于精密零件定位;球面中心孔因定位为线接触，降低了对中心孔的要求，但刚性较低，通常用于特殊场合的定位。主轴采用一端60中心孔定位、一端窄边60倒角定位，这样可同时满足轻载和精度高的要求。(3)主轴的精度取决于中心孔的定位精度，中心孔不同轴也是主轴无法获得高跳动形位精度的主要原因。从分析可以看出，其中心孔公共轴线同轴度算法为Hb/L，对主轴来说为中心孔长度b=6mm，工件长度L=300mm，如中心孔平行误差H=1mm时，同轴度也只有61/300=0.02mm。看来影响并不大，但因为顶尖对中心孔只有局部定位，使得圆度、同轴度等形位公差大打折扣，而且其形成的周期性误差将成为以后主锯振动的主要来源，既无法实现二次定位的统一，也使重复修复、第三方机下测量变得不可操作。所以通过研磨中心孔来提高其圆度和同轴度作为定位基准非常必要。(4)提高中心孔定位精度的措施如下:在车床上打中心孔应尽量提高其同轴度，在车床上粗研、磨床上精研，使中心孔定位精度与磨床顶尖精度一致。(5)从工艺性来看，应一次定位安排轴承挡、锯片定位外圆及大端面一起磨出，实现基准的统一。(6)从测量方法上看，三座标测量是轴承挡对锯片定位外圆“圆对圆”的方式，偏摆仪测量是轴承挡对锯片定位外圆“公共轴线”的方式，所以三座标测量比偏摆仪测量更为严格。但通过中心孔研磨改变了原来大幅超差的状况，保证了主轴三座标法测量轴承挡与锯片定位外圆及大端面不大于0.005跳动度的实现。(7)通过中心孔的研磨，实现了主轴精度的大幅度提高，通过这种精度冗余，在质量控制上保证了主轴的形位精度。(8)在主轴的外协加工中常常无法同时保证三项精度的实现，通过研磨中心孔圆度和同轴度，即使在公司老旧的外圆磨上也可保证不大于0.005各主关项次的实现。 3轴座精度的保证 轴座结构如图2所示，其是主锯的机架，是实现主锯精度和刚度的基础。轴座最重要的形位公差是轴承挡的圆柱度和相互的同轴度，其精度为0.006，相当于四级形位公差的军工航天标准，工艺实现非常困难。设计上轴座经历了从两端型向台阶型的工艺改进，将原来的回转镗简化为单向镗;工艺上轴座也经历了从数控车床到加工中心的改变，以机床定位精度为切入点，提高了整个轴座的工艺性和加工精度。长期的工艺实践表明，正是抓住了轴座的工艺性和机床精度这两大关键因素，才保证了轴座同轴度在卧式加工中心的实现。(1)公共轴线同轴度的确立。在同轴度评价中有“孔对孔”和“公共轴线”两种方式。以轴座为例，可以估算出其最小关系为46.5/150，约为1/3，同主轴一样，孔对孔比公共轴线同轴度最小要求也提高为3倍，保证精度的难度和成本都将大幅提高。从主锯的结构上看，理想的主轴相当于轴座的公共轴线，所以用公共轴线评价轴座的同轴度更为经济合理。(2)机床回转工作台精度的影响。在两端型轴座轴承挡同轴度加工中心的加工中，同时需要工作台回转180和回位换刀，其主要误差来自工作台回转180的B轴角度定位误差、与回转中心点的X轴线性定位误差以及二次换刀返位后的X、Y轴定位误差，这就需要超高精度的加工中心才能完成，为解决这一问题，在工艺上将双端型轴座改为单向型轴座。(3)机床返位换刀精度的影响。在单向型轴座轴承挡孔同轴度加工中心的加工中，时常也有精度超差的情况，这是因为加工台阶孔需要换刀，二次返位换刀的定位精度直接影响了同轴度精度，其同轴误差还是定位误差的2倍。在机床定位精度未及时调整及累计下降时，将严重影响轴座高精度同轴度的实现。手工换刀法可弥补机床的这一缺陷，其是在最后的轴承孔精镗时不使用自动换刀而采用手动换刀，锁定刀具的X、Y坐标不动，从而排除了X、Y轴定位精度的影响，保证了同轴度的精度。(4)机床Z轴轨迹精度的影响。加工中心上手工换刀虽然消除了X、Y轴定位精度的影响，但Z轴的轨迹精度影响依然存在，即前后轴承孔的Z轴加工轨迹不一致，只要存在Z轴直线误差就会影响同轴精度的实现。在生产中可采用双刀法解决这一问题，双刀法就是一柄镗排的前后配有两把镗刀，同时完成两轴承挡上轴承孔的加工，同一Z轴加工轨迹避免了机床Z轴精度误差的影响，进一步保证了“孔对孔”同轴精度的实现。(5)工艺分析表明，工作台回转精度和三轴定位精度是旧加工中心维修的主要目标，购置新加工中心时这也是需要考虑的主要因素。(6)采用手工换刀法和双刀法，即使在失去精度的老旧机床上也能保证0.006同轴度的实现。 4小结 (1)主轴加工时，通过中心孔的同轴研磨可保证主轴各项形位误差不大于0.005。(2)轴座加工时，通过在卧式加工中心上手工换刀可保证轴座0.006公共轴线同轴度的实现。 参考文献: 1关晓平，李洪杰，王兴博，等数控裁板锯切削主轴的可靠性分析J林业机械与木工设备，2014(5):3537 2杨家武，刘梦龙数控车床附加主轴设计及有限元分析J森林工程，2015(3):6366 3吐尔洪阿布都多种热磨机主轴组合的解剖分析及组合轴承间隙调整工艺研究J林业机械与木工设备，2015(6):2224 4