藺 用 王富紅

(①西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123；②國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830023)

近年來(lái)，隨著我國(guó)制造業(yè)不斷崛起，越來(lái)越多機(jī)械制造工程師、機(jī)械加工技師等專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍加入到這支大軍中，使我國(guó)機(jī)械制造水平實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍[1]。但要實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”宏偉目標(biāo)，使我國(guó)制造行業(yè)由“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”目標(biāo)轉(zhuǎn)變，就離不開(kāi)先進(jìn)、可靠、安全的機(jī)械加工設(shè)備[2]。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)不同于以往，一個(gè)企業(yè)生產(chǎn)能力高低往往由生產(chǎn)車(chē)間工人技術(shù)水平和企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模來(lái)決定[3]，而車(chē)間工人技術(shù)水平高低與所操作加工設(shè)備有直接關(guān)系，設(shè)備穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。在機(jī)械制造中不管是數(shù)控車(chē)床還是普通車(chē)床或者是更先進(jìn)的車(chē)銑復(fù)合加工中心，都離不開(kāi)卡盤(pán)[4]。它作為一種最常見(jiàn)通用夾具，也是每一臺(tái)車(chē)床標(biāo)配夾具[5]。常見(jiàn)卡盤(pán)按卡爪數(shù)量分為兩種：一種是三爪卡盤(pán)，一般為自定心聯(lián)動(dòng)式；一種是四爪卡盤(pán)，以非自定心單動(dòng)式居多。

筆者學(xué)校在2020年初采購(gòu)了一批山東滕州某機(jī)床廠(chǎng)CA6140型普通車(chē)床，發(fā)現(xiàn)其三爪卡盤(pán)與法蘭盤(pán)連接部位定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定缺陷。用內(nèi)六角螺栓連接主軸、三爪卡盤(pán)和法蘭盤(pán)，另一端雙肩螺母(如圖1)在機(jī)床高速運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)松動(dòng)(如圖2)甚至脫落，會(huì)造成嚴(yán)重安全隱患。機(jī)床在高速運(yùn)行中發(fā)生這種情況，后果不堪設(shè)想。

后期維修人員對(duì)法蘭左側(cè)雙肩螺母進(jìn)行緊固，但跟本無(wú)法鎖緊。只能把整個(gè)機(jī)構(gòu)全部拆下再逐個(gè)維修，不但花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，而且維修過(guò)程至少需要兩個(gè)人同時(shí)協(xié)作。維修后繼續(xù)使用沒(méi)有多久又出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)會(huì)反復(fù)出現(xiàn)的持久性難題，要徹底解決就需要對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1 CA系列臥式車(chē)床主軸結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)

1.1 主軸結(jié)構(gòu)

CA系列臥式車(chē)床主軸結(jié)構(gòu)按功能分為：主軸、雙肩螺母、緊固螺帽、法蘭盤(pán)、主軸連接盤(pán)、內(nèi)六角螺栓、卡盤(pán)連接螺栓、三爪卡盤(pán)和卡爪。其安裝布局如圖3所示。

1.2 車(chē)床主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的特點(diǎn)

(1)線(xiàn)速度高，離心力大。由于采用了高電壓、大功率、高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，所以高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出扭力強(qiáng)。早期普通車(chē)床和數(shù)控車(chē)床主軸傳動(dòng)全部采用三相異步電動(dòng)機(jī)加上多級(jí)變速箱結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，機(jī)床結(jié)構(gòu)有了很大改進(jìn)，從而對(duì)主軸系統(tǒng)提出新要求，而且因用途而異[6]。數(shù)控車(chē)床主軸電機(jī)有變頻電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速、伺服主軸電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速等。

(2)旋轉(zhuǎn)速度高，慣性大。三爪卡盤(pán)自身質(zhì)量重，高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中慣性很大。它高速旋轉(zhuǎn)跟周?chē)諝猱a(chǎn)生較大摩擦力，主軸連接處螺栓要承受很大扭力，卡盤(pán)本身也會(huì)承受較大離心力。

(3)主軸采用空心軸設(shè)計(jì)，要求有足夠剛性、耐磨性、抗震性及尺寸穩(wěn)定性[7]。設(shè)計(jì)為空心軸設(shè)計(jì)一方面加工細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件時(shí)可以穿過(guò)主軸進(jìn)行卡盤(pán)裝夾，另一方面能起到易散熱效果。車(chē)床主軸穿插在主軸箱里面部分承受多個(gè)齒輪扭力、摩擦力和封閉環(huán)境內(nèi)部熱膨脹壓力等影響，外部零件加工時(shí)受刀具切削阻力影響。因此，主軸設(shè)計(jì)還要求有足夠抗疲勞強(qiáng)度。

2 問(wèn)題原因分析

經(jīng)過(guò)多次拆裝和維修發(fā)現(xiàn)無(wú)法鎖緊原因是定位用的雙肩螺母和內(nèi)六角螺栓出現(xiàn)問(wèn)題，左側(cè)雙肩螺母和右側(cè)內(nèi)六角螺栓在緊固時(shí)會(huì)出現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)(如圖4)，內(nèi)六角螺栓在圓柱孔里根本找不到受力點(diǎn)或支撐點(diǎn)。以其現(xiàn)有結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用，緊固以后保持不了多久還會(huì)繼續(xù)松動(dòng)，而且下次再維修很難拆卸，沒(méi)有從源頭解決問(wèn)題。經(jīng)過(guò)不斷思考認(rèn)為只有對(duì)其連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)，才能徹底消除隱患。

3 制定改進(jìn)方案

經(jīng)研究CA系列臥式車(chē)床卡盤(pán)與法蘭連接定位機(jī)構(gòu)改進(jìn)，解決主要問(wèn)題是怎樣限制連接部位內(nèi)六角螺栓旋轉(zhuǎn)自由度，使其在左側(cè)雙肩螺母端緊固時(shí)，螺栓受到扭力作用仍有支撐點(diǎn)，自身不會(huì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。擬定以下3種改進(jìn)方案：

方案一 適當(dāng)加長(zhǎng)內(nèi)六角螺栓頭部尺寸。使其頭部能直接頂在右端卡盤(pán)邊緣上且不影響卡盤(pán)與主軸連接盤(pán)之間配合，在螺栓頭部找到支撐點(diǎn)進(jìn)行限制螺栓旋轉(zhuǎn)。此時(shí)只能采用異型內(nèi)六角螺栓。

方案二 加入彈性墊圈給內(nèi)六角螺栓增加旋轉(zhuǎn)阻力。由于內(nèi)六角螺栓頭部沒(méi)入沉孔內(nèi)，所以只能在雙肩螺母端加入彈性墊圈，起到增大旋轉(zhuǎn)阻力作用。這種方法通過(guò)增強(qiáng)雙肩螺母和螺栓之間拉力來(lái)改變兩者之間旋轉(zhuǎn)阻力，以此來(lái)限制內(nèi)六角螺栓旋轉(zhuǎn)自由度。但需要注意機(jī)床廠(chǎng)家考慮到主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)法蘭盤(pán)安裝位置離主軸箱只有20 mm左右距離(如圖5)。可操作空間很小，很難容納較長(zhǎng)螺栓和螺母，太長(zhǎng)將無(wú)法拆卸及維修，所以不宜選擇彈力太大和伸展長(zhǎng)度太長(zhǎng)的彈性墊圈。

方案三 更換內(nèi)六角螺栓為外六角螺栓(如圖6)，改變主軸連接盤(pán)沉孔形狀。外六角螺栓利用頭部六邊形可以對(duì)自身旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行限制。方法是讓外六角螺栓頭部六角面與孔壁面貼合，給螺栓找到支撐點(diǎn)，以達(dá)到限制旋轉(zhuǎn)自由度目的。外六角螺栓是一種比較常用螺栓[8]，頭部六角面限制旋轉(zhuǎn)自由度效果較好。

同時(shí)還要改變主軸連接盤(pán)沉孔形狀。把圓柱形沉孔變?yōu)闄E圓形沉孔，外六角螺栓六角面剛好可以卡在橢圓形沉孔孔壁上，在孔壁處找到支撐點(diǎn)，這是利用螺栓自身外形來(lái)限制其旋轉(zhuǎn)自由度，配合后效果如圖7。

4 確定最優(yōu)方案實(shí)施

對(duì)以上3種方案進(jìn)行分析研究，若主軸連接盤(pán)對(duì)螺栓的支撐力為F1，沉孔底部對(duì)螺栓的支撐力為F2，螺栓自身重力為F3，雙肩螺母緊固時(shí)的拉力為F4，雙肩螺母緊固時(shí)的扭力為FN1，彈性墊片的彈性阻力為FN2，外六角螺栓在橢圓沉孔中孔壁的支撐力為FN3。下面依次對(duì)這3種實(shí)施方案進(jìn)行分析：

方案一中內(nèi)六角螺栓受力分析如圖8所示，根據(jù)牛頓第三定律：相互作用的兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用力在同一條直線(xiàn)上。以此可以得出：F1=F3，F(xiàn)2=F4，而在緊固左端雙肩螺母時(shí)FN1則會(huì)出現(xiàn)FN1>0，因此，雙肩螺母端緊固時(shí)內(nèi)六角螺栓依然會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位效果。原因是內(nèi)六角螺栓在螺栓頂部找到了支撐點(diǎn)，但是螺栓本身旋轉(zhuǎn)自由度還是無(wú)法限制，故排除方案一。

方案二中內(nèi)六角螺栓受力分析如圖9所示，根據(jù)牛頓第三定律可以得出：F1=F3，F(xiàn)2=F4，而在緊固雙肩螺母時(shí)FN1則會(huì)出現(xiàn)FN1>0且FN2>0，但FN1遠(yuǎn)大于FN2。所以，內(nèi)六角螺栓自由度是有所限制，但是這個(gè)限制力太小，抵消不了雙肩螺母端緊固時(shí)扭力FN1。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試僅靠彈性墊圈的彈力限制螺栓旋轉(zhuǎn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，方案二使用效果很不理想，所以也不宜采用。

方案三中外六角螺栓受力分析如圖10所示，根據(jù)牛頓第三定律可以得出：F1=F3，F(xiàn)2=F4，而在緊固雙肩螺母時(shí)FN1則會(huì)出現(xiàn)FN1>0，而此時(shí)外六角螺栓受到孔壁的阻力FN3>0，依據(jù)動(dòng)量守恒定律：一個(gè)系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零，這個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。所以，可以推導(dǎo)出FN1=FN3，因此外六角螺栓旋轉(zhuǎn)自由度被完全限制，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)這一方案實(shí)施效果最好，也符合改進(jìn)需求。

經(jīng)過(guò)以上方案對(duì)比研究，最終確定用方案三來(lái)解決這一難題。首先進(jìn)行3D設(shè)計(jì)與建模，確定需要改變部件尺寸位置和精度，之后在機(jī)加車(chē)間進(jìn)行橢圓沉孔加工與熱處理，最后在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與安裝，校正主軸跳動(dòng)量和形位公差[9]，最后進(jìn)行試切加工。改進(jìn)后主軸、卡盤(pán)和法蘭盤(pán)連接過(guò)程如圖11所示。

5 改進(jìn)效果測(cè)試

經(jīng)過(guò)這次對(duì)CA系列臥式車(chē)床卡盤(pán)與法蘭連接部位改進(jìn)以后，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)車(chē)床主軸與卡盤(pán)連接更加牢固可靠。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行也不松動(dòng)，后期維修拆裝也很方便，真正從源頭解決了這一頑固性問(wèn)題。改進(jìn)前后主軸部件變化和使用效果對(duì)比見(jiàn)表1。但這個(gè)改進(jìn)方案最好是機(jī)床廠(chǎng)家在機(jī)床制造過(guò)程中從源頭上著手改變加工工藝、工序，在主軸連接盤(pán)制造加工時(shí)就把圓柱沉孔變?yōu)闄E圓沉孔，這是最好的解決辦法，若是后續(xù)使用中讓用戶(hù)再去改變，加工成本高不說(shuō)，還對(duì)加工機(jī)床精度、加工范圍、裝夾精度及工人技術(shù)水平等都有較高要求，實(shí)施還是有一定難度。

表1 改進(jìn)前后主軸部件變化和使用效果對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

任何一款先進(jìn)制造設(shè)備，都是經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次改進(jìn)、優(yōu)化、再改進(jìn)、再優(yōu)化才完善。只有不斷試驗(yàn)，才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；只有不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，才能改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到最佳使用效果，哪怕是一些細(xì)小入微問(wèn)題也不容小覷[10]。CA系列臥式車(chē)床作為機(jī)械制造中最基礎(chǔ)、最常用車(chē)削加工設(shè)備，在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)非常高的比重。各機(jī)床廠(chǎng)家為了實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、精密和智能的發(fā)展目標(biāo)，一直在不斷追求新技術(shù)、探索新思路、開(kāi)辟新空間。經(jīng)過(guò)此次改進(jìn)，CA系列臥式車(chē)床不管是性能方面還是結(jié)構(gòu)合理性方面，都有大幅提升[11]，也延長(zhǎng)了使用壽命，增強(qiáng)了安全可靠性，這種改進(jìn)方法應(yīng)用于目前機(jī)床生產(chǎn)中，將對(duì)機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。