皮洪珍 寇慶華 陳寶光 楊寶元

(①沈陽第一機(jī)床廠，遼寧沈陽 110142;②沈一車床廠，遼寧沈陽 110142)

我廠新開發(fā)的臥式數(shù)控車床HTC40n系列現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)，并受到廣大用戶的青睞。該產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、裝配等方面都存在一定的難度。本文將對(duì)HTC40n系列臥式數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵件的加工、主軸軸承的裝配等一些關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹與工藝分析。

1 主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主軸箱11為單軸主軸箱。主軸軸承選用NSK進(jìn)口軸承，前軸承6采用高精度(P4級(jí))雙列圓柱滾子軸承NN3024TBKRCC9P4，前軸承8為推力角接觸球軸承120BAR10STYNDBLP4A(P4級(jí))，后軸承 15采用雙列圓柱滾子軸承NN3022TBKRCC9P4(P4級(jí))。軸承采用進(jìn)口高速鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。設(shè)計(jì)主軸箱時(shí)考慮到提高主軸1的精度及剛性，采取了相應(yīng)措施，如:主軸支撐頸的加工按軸承內(nèi)環(huán)配磨，箱體孔的加工按軸承外環(huán)配鏜，同時(shí)對(duì)主軸軸承進(jìn)行了預(yù)緊。經(jīng)精心裝配，主軸具有溫升低、熱變形小、精度高的特點(diǎn)，使主軸長(zhǎng)期工作時(shí)也能保持各項(xiàng)精度的相對(duì)穩(wěn)定。

2 關(guān)鍵件的加工工藝分析

HTC40n系列臥式數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)的主要自制件為:主軸1、主軸箱體11。主要外購件為:前軸承6、8，后軸承15 等。

2.1 主軸的加工工藝分析

主軸1經(jīng)粗車外圓及深孔鉆后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理;內(nèi)孔精車保證與外圓同軸度不大于0.1 mm，并保證主軸壁厚均勻;主軸前后端面螺紋孔安排在加工中心上進(jìn)行加工，保證螺紋孔的位置度在0.2 mm以內(nèi)。采取以上措施的目的是為了保證主軸組件動(dòng)平衡控制在1 g以內(nèi)。主軸軸承前、后支撐頸位置的尺寸，與雙列圓柱滾子軸承即前軸承6、后軸承15的內(nèi)孔1∶12錐圓配磨，保證接觸率在85%以上。與推力角接觸球軸承8內(nèi)孔配磨，保證過盈量控制在0～0.004 mm之間。主軸軸承支撐頸精磨后標(biāo)出高低點(diǎn)，保證裝配時(shí)的精度。

2.2 主軸箱的加工工藝分析

主軸箱11是以箱體底面為基準(zhǔn)粗、精鏜前、后軸承孔與端面，并按前軸承6和后軸承15的外環(huán)實(shí)測(cè)尺寸配鏜箱體孔，保證與軸承外環(huán)之間有－0.002～+0.002 mm的間隙，且圓柱度不大于0.002 5 mm，同軸度不大于0.005 mm。

3 主軸軸承的裝配工藝分析

3.1 雙列圓柱滾子軸承

(1)預(yù)緊量的工藝分析

高速高精數(shù)控車床普遍使用溫升低、剛性高的雙列滾柱軸承(NN30××K)。HTC40n系列臥式數(shù)控車床前、后軸承均采用了NN30系列的圓柱滾子軸承。該系列的軸承只能承受徑向力，均為徑向預(yù)緊。主軸前端采用NN3024TBKRCC9P4圓柱滾子軸承與同時(shí)承受徑向力與軸向力的120BAR10STYNDBLP4A推力角接觸球軸承的組合形式，后端采用 NN3022 TBKRCC9P4圓柱滾子軸承。

主軸加工的工藝要求:NN30系列軸承內(nèi)圈錐孔與主軸錐(1∶12)外圓配合，按軸承的內(nèi)圈錐孔1∶12配磨主軸的錐外圓，保證與軸承內(nèi)圈接觸率大于85%，且要求大端接觸率大些。為了提高主軸剛度，主軸軸承裝配工藝要求對(duì)軸承施加預(yù)緊消除間隙。改變內(nèi)圈在軸錐面上的位置，內(nèi)圈就可以得到不同的擴(kuò)張量。即，前軸承通過改變調(diào)整墊5的軸向尺寸，后軸承通過改變套14的軸向尺寸，從而改變軸承的間隙實(shí)現(xiàn)了預(yù)緊。軸承的預(yù)緊量越大，剛度也就越高。但是，過大的預(yù)緊量也會(huì)帶來疲勞壽命降低，發(fā)熱增加，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易發(fā)生軸承磨損或燒傷的不良現(xiàn)象。

為了提高剛性，在使用雙列圓柱滾軸承時(shí)一般在負(fù)間隙狀態(tài)下使用。如圖2所示，如果負(fù)間隙值超出某一固定數(shù)值，壽命就會(huì)驟降。如圖3所示，如果負(fù)間隙值超出某一固定數(shù)值，即使用力緊固，剛性也不會(huì)提高。因此雙列滾柱軸承，在一定范圍的負(fù)間隙(－)下使用是非常重要的。主軸軸承安裝后的間隙為0～－5 μm 為最佳。

(2)預(yù)緊方法

經(jīng)過理論分析與實(shí)踐，NN30系列圓柱滾子軸承的預(yù)緊過程是:借助精密測(cè)量殘留徑向間隙的GN量規(guī)(NSK)，將軸承內(nèi)環(huán)漲大，使GN量規(guī)顯示的數(shù)值在0.004～0.005 mm之間。此時(shí)測(cè)量軸承內(nèi)環(huán)端面到主軸軸肩面的距離尺寸為B，按尺寸B數(shù)值配磨調(diào)整墊5的軸向尺寸使其達(dá)到技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了軸承的預(yù)緊過程。后軸承15的預(yù)緊方法同上。

3.2 推力角接觸球軸承

(1)接觸角的工藝分析

HTC40n系列的臥式數(shù)控車床主軸前端采用了30°推力角接觸球軸承 120BAR10STYNDBLP4A(P4級(jí))。該軸承同時(shí)承受軸向負(fù)荷與徑向負(fù)荷，其接觸角越大，承受的軸向負(fù)荷就越大;接觸角越小，承受的軸向負(fù)荷就越小。相反，接觸角越小越適合于高速旋轉(zhuǎn)，徑向負(fù)荷的承受能力也越大。

以7020(NSK)軸承為例，C(15°)、A5(25°)、A(30°)3種接觸角的剛度、極限轉(zhuǎn)速、溫升等的比較如圖4所示。在標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊(L)情況下，徑向剛度及溫升(發(fā)熱)以C接觸角的最好，而A接觸角的較差。相反，軸向剛度以A接觸角的最好，是C接觸角的大致3倍剛度，而極限轉(zhuǎn)速有所降低。

(2)預(yù)緊力的工藝分析

角接觸球軸承的預(yù)緊力與接觸角一樣，也是決定角接觸球軸承性能的重要因素之一。作為標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊，NSK產(chǎn)品有EL(微預(yù)緊)、L(輕預(yù)緊)、M(中預(yù)緊)、H(重預(yù)緊)幾種預(yù)緊。

以7020CDB(NSK)軸承為例，在不同預(yù)緊下，軸承性能比較的結(jié)果如圖5所示。如果接觸角一樣，預(yù)緊力越大，徑向剛度和軸向剛度都有提高，而溫升(發(fā)熱)也加大，壽命和極限轉(zhuǎn)速有不同程度的降低。所以剛度和轉(zhuǎn)速不能兩全其美，只能在一定程度上以犧牲其中的某一性能為代價(jià)。若施加過大的預(yù)緊力，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有可能發(fā)生燒傷現(xiàn)象。

120BAR10STYNDBLP4A推力角接觸球軸承的預(yù)緊力為輕預(yù)緊。該系列軸承預(yù)緊執(zhí)行我廠出廠標(biāo)準(zhǔn)，即按產(chǎn)品需求直接選用相應(yīng)預(yù)緊量的軸承。在裝配前，需要將軸承涂抹適量的高速鋰基潤(rùn)滑脂，涂抹量約為軸承空間的1/3～1/2左右。將軸承加熱到70～80℃，采取熱裝的辦法將軸承裝入主軸，保證裝配后主軸徑向跳動(dòng)、端面跳動(dòng)在0.01 mm以內(nèi)。

4 主軸套件的動(dòng)平衡

為了達(dá)到主軸單元1 g的動(dòng)平衡要求，HTC40n系列臥式數(shù)控車床在主軸設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格要求保證零件的各項(xiàng)精度，并嚴(yán)格遵守對(duì)稱原則。主軸套件采用緊配合安裝在主軸上，盡量減少不平衡因素。在裝配過程中，前、后端分別在隔套9、皮帶輪20處進(jìn)行平衡。

5 結(jié)語

HTC40n系列臥式數(shù)控車床通過先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、完善的工藝措施、精密的裝配以及科學(xué)合理的主軸軸承的預(yù)緊，大大提高了整機(jī)的剛性，確保了高速運(yùn)轉(zhuǎn)、重切時(shí)的穩(wěn)定性。主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3 500 r/min，加工工件可達(dá)IT6級(jí)精度，加工表面粗糙度可達(dá)Ra1.6 μm，圓度可達(dá)0.003 mm。該機(jī)床可用于加工各種軸類、盤類工件，可以車削各種螺紋、圓弧、圓錐及回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外曲面，能夠滿足黑色金屬及有色金屬高速切削的速度需求。作為通用型機(jī)床，特別適合汽車、摩托車、電子、航天、軍工等行業(yè)對(duì)回轉(zhuǎn)體類工件進(jìn)行高效、大批量、高精度的加工。