林旭堯 王 喆

(沈陽機床股份有限公司沈一車床廠，遼寧 沈陽110142)

縱切機床又稱瑞士型機床或走心機，自1968年日本西鐵城公司率先開發(fā)出世界第1臺數(shù)控縱切機床D-16以來，通過40多年的不斷發(fā)展數(shù)控縱切自動車床已經(jīng)發(fā)展得相對完美，特別是以日本西鐵城、星精密、瑞士托納斯等為代表的制造廠商，他們的產(chǎn)品功能強大、獨具特色［1］。

縱切機床加工細長軸類零件能力尤為突出，最小加工直徑可小于1 mm，最大可加工到30 mm左右，主軸一次裝夾可以車削長度200 mm以上的零件?？v切機床與傳統(tǒng)的走刀機床不同，其根本區(qū)別在于縱切機床加工時是材料在動，而走刀機床是刀具在動?？v切機床切削時刀具永遠在距離導套支撐最近的位置，剛性非常好，保證了零件的加工精度。縱切機床加工時主軸夾住被加工材料，沿材料的軸向進給進行送料，刀具沿材料的徑向進給進行切削。

導套對于縱切機床來說是核心功能部件，它的精度直接決定縱切機床的精度。本文以某款縱切機床的導套單元為例對導套關鍵技術進行分析及研究。

1 導套單元的作用及分類

導套單元是縱切機床的核心部件之一，它在縱切機床中的作用是能夠在加工位置的附近對加工材料進行支撐，以防止因切削力而引起材料彎曲，從而達到高精度加工。導套可分為兩大類:固定型導套和同步回轉(zhuǎn)型導套。

1.1 固定型導套

固定型導套結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由導套本體、夾頭、套筒、拉桿、壓蓋等組成。固定型導套主要在棒料材質(zhì)與導套材質(zhì)親和力差時使用。固定型導套在加工材料材質(zhì)與夾頭的合金材質(zhì)相近時容易發(fā)生燒結(jié)的情況。固定型導套與棒料的間隙調(diào)節(jié)非常重要，間隙過大易導致加工精度不好，間隙過小則易發(fā)生燒結(jié)。

1.2 同步回轉(zhuǎn)型導套

隨著縱切機床幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展出了多種類型的同步回轉(zhuǎn)導套結(jié)構(gòu)，主要可分為:滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導套、電機驅(qū)動型同步回轉(zhuǎn)導套以及平鍵型同步回轉(zhuǎn)導套。對于這3種同步回轉(zhuǎn)導套各自的優(yōu)缺點，將在下面論述中一一加以介紹。

同步回轉(zhuǎn)導套的結(jié)構(gòu)比較復雜，因其需要與主軸同步回轉(zhuǎn)，所以主軸設計中的一些關鍵技術也應用于同步回轉(zhuǎn)型導套中，例如:軸承布置技術、軸承潤滑技術、密封技術、動平衡技術、皮帶傳動技術等等。同步回轉(zhuǎn)導套主要由以下零件組成:導套本體、夾頭、套筒、軸承、隔圈、拉桿、密封蓋、皮帶、帶輪等。

同步回轉(zhuǎn)導套解決了固定型導套所存在的問題，例如:由于主軸和導套之間采用了同步結(jié)構(gòu)，使材料和導套之間的相對摩擦減小，幾乎可以忽略;零摩擦使零件的熱變形最小化，因而實現(xiàn)了高精密的加工;由于主軸和導套的同步旋轉(zhuǎn)，因而材料和導套之間的間隙要比固定導套更小，提高加工精度。

1.2.1 電動機驅(qū)動型同步回轉(zhuǎn)導套

電動機驅(qū)動型同步回轉(zhuǎn)導套是通過伺服電動機驅(qū)動導套，導套電動機與主軸電動機的轉(zhuǎn)速保持一致。電動機通過同步帶與導套連接，將動力傳遞到導套上。就整個機床而言，電動機驅(qū)動型同步回轉(zhuǎn)導套由于增加了1臺伺服電動機，所以對控制系統(tǒng)的要求比較嚴格，成本也會大大增加。

1.2.2 滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導套

滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導套是采用滾珠花鍵軸結(jié)構(gòu)將主軸與導套連接，通過主軸旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動導套。其工作原理為:主軸通過同步帶輪帶動滾珠花鍵旋轉(zhuǎn)，滾珠花鍵通過同步帶輪帶動回轉(zhuǎn)導套旋轉(zhuǎn)，滾珠花鍵的絲母可以跟隨主軸在花鍵上前后移動。它的特點是導套單元動力來自于主軸旋轉(zhuǎn)，節(jié)省了1臺伺服電動機。

1.2.3 平鍵型同步回轉(zhuǎn)導套

平鍵型同步回轉(zhuǎn)導套通過導套上的平鍵與主軸上的鍵槽直接相連，通過主軸旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動導套。它的工作原理就是滑套與主軸前端固定，滑套帶有鍵槽，鍵槽與導套后端的平鍵相連，平鍵在鍵槽中可前后移動。這樣既可以實現(xiàn)導套與主軸的同步回轉(zhuǎn)運動，又不影響主軸的軸向移動，既簡化了結(jié)構(gòu)、也降低了成本。但是由于結(jié)構(gòu)的限制，平鍵型回轉(zhuǎn)導套縮短了主軸的進給行程，這種結(jié)構(gòu)行程大約在50～60 mm之間，對于長軸的工件無法完成一次裝夾加工。

2 回轉(zhuǎn)導套開發(fā)實例

下面我們針對某款縱切機床的研發(fā)實例來介紹在機床設計中導套類型的選擇及導套關鍵技術在導套單元設計中的應用。

該款縱切機床要求主軸極限轉(zhuǎn)速8 000 r/min，用于細長軸類零件的半精加工及精加工?？v切機床屬于高速、高精度機床，因此主軸軸承、導套軸承均選用了極限轉(zhuǎn)速及精度都很高的精密角接觸球軸承。為了使機床主軸一次夾緊具有更大的加工范圍，且降低機床成本，因此我們采用了滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導套結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由導套單元、主軸單元、滾珠花鍵、同步帶輪、同步帶組成，整體布局如圖1所示。

導套單元由導套本體、夾頭、套筒、軸承、拉桿、密封蓋等零件組成，導套單元囊括了軸承布置技術、動平衡技術、精密制造與裝配技術及皮帶傳動技術等，是多種復雜技術運用的綜合體現(xiàn)。由于縱切機床導套最高轉(zhuǎn)速需要達到8 000 r/min，而且加工過程中導套只承受徑向力，因此我們選用了15°高精度角接觸球軸承，采用背對背布置，軸承中間采用隔套分開，使導套具有更大的抗扭能力。縱切機床加工過程中采用切削油進行冷卻，為了防止切削油及雜質(zhì)進入軸承，降低軸承壽命，影響加工精度，導套前端采用了多重迷宮密封結(jié)構(gòu)并配有甩油槽，導套端蓋下端有排水口，可以及時將切削油排出。軸承潤滑可分為脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑。根據(jù)軸承極限轉(zhuǎn)速計算，軸承采用脂潤滑即可以滿足設計要求。為了簡化導套內(nèi)部結(jié)構(gòu)及降低成本，因此我們采用了脂潤滑。導套夾頭由導套后端的拉桿拉緊，通過旋轉(zhuǎn)拉桿，調(diào)整夾頭內(nèi)孔與棒料之間的間隙。拉桿后端有鎖緊裝置，防止導套高速旋轉(zhuǎn)過程中拉桿松動。導套與滾珠花鍵之間采用皮帶傳動，為了提高傳動精度，我們選用了同步齒形帶。導套單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

滾珠花鍵是該種類型同步回轉(zhuǎn)導套傳動體系中的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)是由滾珠花鍵底座、花鍵軸、角接觸球軸承、深溝球軸承、軸承座、端蓋、帶輪、連接板、隔圈等組成。由于花鍵軸需要跟隨主軸高速回轉(zhuǎn)，所以滾珠花鍵軸在支撐方式上，采用“固定—浮動”的形式，固定端由兩個角接觸球軸承組成，浮動端由1個深溝球軸承組成，這種結(jié)構(gòu)設計可消除花鍵軸在高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的熱變形影響。滾珠花鍵上的絲母與帶輪連接，帶輪通過皮帶與主軸帶輪連接，帶輪上裝有角接觸球軸承，軸承支座通過連接板與主軸箱連接，主軸箱帶動花鍵絲母在滾珠花鍵上移動?；ㄦI軸通過前端的帶輪與導套單元帶輪連接實現(xiàn)同步回轉(zhuǎn)，同步帶的松緊程度應該合適，以防止其產(chǎn)生損壞和噪音，并應定期檢查皮帶的松緊程度來確保傳動的一致性。這種結(jié)構(gòu)可以保證滾珠花鍵軸在主軸進給過程中旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。滾珠花鍵結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 結(jié)語

通過生產(chǎn)實踐，該導套單元最高轉(zhuǎn)速可達到8 000 r/min，動平衡等級能夠達到G0.4，運行狀態(tài)平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)精度可達0.003 mm，滿足設計要求。高速、高精度機床是未來高檔數(shù)控機床的發(fā)展方向［2］，縱切機床是高速、高精度、復合型加工機床的典型代表，而導套對縱切機床來講是其保證精度的重要組件，因此對導套的研究有著重要的意義。導套單元是一套復雜的系統(tǒng)，影響其同步轉(zhuǎn)速、加工精度等因素很多，本文僅對縱切機床現(xiàn)有設計中的導套結(jié)構(gòu)進行了比較分析，并對其中的一類“滾珠花鍵型同步回轉(zhuǎn)導套”做了詳細的論述?？v切機床研發(fā)在我國還屬于起步階段，隨著制造技術的不斷發(fā)展和新型功能部件的出現(xiàn)，相信未來縱切機床在功能部件上的發(fā)展會更多樣化、細致化。

［1］丁雪生.金切機床復合化技術的發(fā)展［J］.制造技術與機床，2004(2):26-32.

［2］師鴻飛，鄒翠波，張彩虹.我國數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息，2004(6):83-87.