关于一种卧式铣镗加工中心高刚性主轴的探讨

2019-10-21 10:26乔宇
科学与信息化 2019年2期
关键词:主轴

乔宇

摘 要 针对现有卧式铣镗加工中心的铣轴与镗轴配合间隙大,主轴刚性不足的情况,设计了一种新的主轴结构并提供了其制造方法,采用灌胶技术解决了铣轴和镗轴的配合精度只靠机加,间隙较大的问题,可同时满足高转速、高精度、高刚性的要求。

关键词 高刚性;主轴;灌胶技术

数控卧式铣镗加工中心作为一种通用型机床,广泛应用于多个行业。随着机械制造水平的不断提高和新兴市场的需求,对于机床主轴的刚性、精度和转速有了更高的要求[1]。卧式铣镗加工中心的铣轴与镗轴配合,在国外多采用由精密磨削加工控制配合间隙,实现精密配合,但由于国内的机械加工水平有限,虽然可以实现精密磨削,但配合间隙范围较大,如果间隙较大,影响配合精度和主轴转速;间隙过小,装配困难,影响镗轴的进给运动[2-3]。由于传统工艺中的诸多不足,本文提出了一种新的高刚性主轴方案。

1 高刚性主轴结构

本文这种数控卧式铣镗加工中心的主轴结构,主要由铣轴,镗轴,铜套,前、后轴承,轴承座,内外隔套,浇铸树脂组成。镗轴套装在铣轴内,通过键连接,镗轴可在丝杠带动下在铣轴内沿轴向自由滑动。铣轴前端镶有铜套,铜套的内孔、主轴后端的内孔与镗轴小间隙配合,铣轴内孔的中间部位有浇铸树脂,进一步消除间隙。

该卧式铣镗加工中心的高刚性主轴结构如图1所示,镗轴1套装在铣轴8内,键15通过螺钉固定在空心主轴8上,在镗轴1上开有长键槽,键15的两侧与镗轴1上的长键槽小间隙配合,配合间隙0~0.01mm。空心主轴8内的镗轴1在丝杠带动下沿轴向自由滑动,并通过键15连接可以在空心主轴8和镗轴1间传递扭矩,一起旋转。铣轴8的前端镶有铜套2,材质为CuSn12-C,铜套2的内孔与镗轴1的外表面精密磨削,铜套2的内孔与镗轴1的外表面的配合间隙为0.008~0.012mm,铣轴8后端与镗轴1的配合间隙同样为0.008~0.012mm。铣轴8和镗轴1的间隙灌入浇铸树脂9从而减小配合间隙。铣轴8前、后端均有前轴承4、后轴承11,前轴承4为一对25°接触角的精密角接触球轴承,背靠背布置,轴承4之间有等高的内外隔套5和6,在外隔套6上沿周向开有八个润滑孔,每个轴承对应四个润滑孔,混合后的油气从润滑孔喷出给轴承润滑。前轴承4由压盖3通过螺钉固定在前轴承套7内。后轴承11为一对25°接触角的精密角接触球轴承,背靠背布置,轴承之间有等高的内外隔套13和12,在外隔套12上沿周向开有八个润滑孔,每个轴承对应四个润滑孔,混合后的油气从润滑孔喷出给轴承润滑。后轴承11由锁紧螺母14通过空心主轴8上的螺纹固定在后轴承套10内。

2 高刚性主轴的制造及装配方法

镗轴与铣轴的制造方法:机加铣轴内孔中间部位扩径,并且加工成粗糙表面,粗糙度12.5,与镗轴之间预留2~3mm的间隙;机加镗轴外表面,粗糙度要求高于1.6;机加铣轴内孔粗糙度12.5,两种粗糙度要求是相差悬殊是为了能与浇铸树脂牢固的粘接在一起,而對镗轴1外表面的粗糙度要求只是高于1.6,是为了在隔离剂帮助下不粘连、且能与铜套精密配合。

装配前预先在镗轴外表面涂抹隔离剂,隔离剂与浇铸树脂互不相溶,防止浇铸树脂与镗轴粘连。将镗轴装入铣轴内孔,在装配位置的配合间隙中用浇铸树脂填充预留的间隙:由于浇铸树脂初始状态为液态,可完全消除镗轴和空心主轴的配合间隙。浇铸树脂主要成分为环氧树脂与固化剂,按质量比100:11混合,在20℃左右,灌入铣轴,填充过程应该在25分钟内完成,以确保浇铸树脂为液态,具备良好的流动性,保证与镗轴和铣轴充分接触;铣轴和镗轴垂直放置,以利于排除空气;浇铸树脂将在空气作用下逐渐固化,继续保持20℃左右恒温14至15小时,完全固化,与铣轴牢固结合在一起,然后除去镗轴表面的隔离剂。尽管隔离剂的层厚度极薄,却要利用去除这极薄的厚度而形成小间隙,镗轴才能在铣轴内轴向滑动。固化后浇铸树脂层达到稳定的物理性能:抗压强度可达到125N/mm2,肖氏硬度可达到85(HRC59),弹性模量4000N/mm2,膨胀系数45×10-6m/℃,最大工作温度可以达到50℃,以上物理特性接近金属材料的性能,有足够的强度和刚性满足主轴工作的需要。

3 结束语

本文所设计的高刚性主轴的主要特点是在铣轴的前端镶有铜套,铣轴内的镗轴可沿轴向自由滑动、镗轴与铣轴通过键连接传递扭矩,一起旋转。通过精密角接触球轴承的布置和油气润滑方式,保证了主轴有足够的刚性、转速和旋转精度,浇铸树脂的使用保证了主轴和镗轴间的小配合间隙,提高了配合精度,降低了镗轴伸出后的悬垂误差。经过样机试验验证,这种高刚性主轴能满足机床高速、高刚性、高精度的性能要求。

参考文献

[1] 郭琳娜,郑天池,曹冠,等.高速切削机床关键技术研究与分析[J].机械设计与制造,2018,(02):210-212.

[2] 王海涛,李初晔.提高主轴整体质量的设计方法研究及应用[J].制造技术与机床,2013,(4):137-140.

[3] 李晓华.加工中心、高速精密数控铣床的主轴设计[J].机械制造,2003,41(1):20-21.

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