较小轴间距的组合机床主轴箱设计

1前言

组合机床对多孔钻削加工具有较大的优势，它按孔的坐标分布位置实行一次加工，保证了孔的坐标位置尺寸精度。作为组合机床专用部件的主轴箱，有成熟固定的设计模式：标准的主轴箱体、前后侧盖、主轴、传动轴、齿轴、轴承等，以及成熟的传动、布局、结构设计方法可供选用。这是组合机床设计制造的长处。但是，如何根据制造工艺技术及组配件的要求，在设计上灵活应用并有所创新，以更好地适应加工工件的需要，是摆在我们组合机床设计人员面前的一个课题。最近，我们为重庆合力公司设计的YU02排气管接头组合机床进行了有益的尝试，并取得了较好的效果。

2工件加工要求分析

YU02排气管接头是按引进的日本某机械制作所设计图纸进行加工，是用于连接发动机与排气管道的重要零件，技术要求较高。该工件工艺简图如图1所示。

图1零件工艺简图

工件材料为硬度HB200～250的铸件，重量350g，年生产纲领为20万件。主要加工需完成：铣削两接合面(见图1中接头的三角形平面及腰圆形平面)，钻削三角形平面上的3个通孔3—φ6.5mm、腰圆形平面上的两个通孔2—φ8.5mm。

分析工件的加工精度要求：为了保证工件最后的装配性能，除了保证在铣削两平面时其位置尺寸69.4mm，保证两平面夹角尺寸90°－25°＝65°外，在钻削加工孔时，要求腰圆形平面上的两孔对排气道中心孔?22尺寸为46±0.25，要求三角形平面上的三个孔对排气道中心孔?22尺寸分别为41±0.25及45±0.25。

3组合机床方案布局设计

根据工件的加工要求，我们认为采用组合机床来同时完成其铣、钻削加工较为适宜。为了发挥组合机床加工工序集中高效率的特点，我们选择了铣、钻卧式三工位组合机床方案，机床的总体方案布局如图2。

图2机床总图

该组合机床采用了两铣削头和两钻削头，分别布置在工作行程为630mm的HY32-Ⅲ液压动力滑台的两侧，其随行液压自动夹具安装在滑台台面上，由滑台带夹具和工件完成纵向快速进给和铣削工作进给，并送到钻削工位完成钻孔。当工作滑台带夹具及工件强制通过两铣削头完成铣削加工后，动力滑台将夹具及工件快进送到钻削工位，由布置在两侧面左、右两个HY250滑台上的钻削头分别从两边对三角形平面和腰圆形平面上的5个孔完成钻削孔加工。机床的三个工位呈纵向布置：第Ⅰ工位为装卸工件工位，第Ⅱ工位为铣削加工工位，第Ⅲ工位为钻削工位。工件在机床上一次定位装夹，同时完成铣、钻削加工内容，有利于保证工件平面夹角及位置尺寸精度和各孔的坐标尺寸精度。机床的生产效率高，加工质量稳定，其机床的配置型式相当于一条小型组合机床自动线。

4钻削多轴主轴箱设计

由零件工艺分析知，钻削孔加工关键是要保证三角形平面上的3-φ6.5对中心孔φ22的对中位置精度为±0.25，及腰圆形平面上的2-φ8.5对中心22的对中位置精度为±0.25。这一尺寸精度要求较高。我们分析，如果采用带钻模板导向方式一次同时完成钻削加工，则孔与孔之间的位置精度±0.25容易实现，设计制造也应不成问题。困难在于如何保证各个孔对中心孔φ22的对中精度。经与工艺设计部门研究，为了保证孔的对中精度，同意将孔的钻削加工与对φ22中心孔的锪削加工同时完成。这样在钻削三角形平面上不但要设计布置三根钻削主轴，而且中间还需插入一锪削主轴，即有四根主轴，其主轴最小轴间距由图1知#p#分页标题#e#；同样，在钻削腰圆形平面上不但要设计布置两根钻削主轴，而且中间也需插入一锪削主轴，共有三根主轴，其主轴最小轴间距为23。按目前我国组合机床设计资料推荐，采用错开的滚针轴承主轴排列其最小轴间距为24mm。而小于24mm轴间距的主轴箱设计，我们通常视为设计“禁区”。

为了保证主轴箱较小的轴间距布置，一般采用滚针轴承。根据对用户走访的反映，这种无保持架的滚针轴承，在使用过程中可靠性差，容易产生抱轴和发热，工作稳定性较差。从主轴箱设计制造角度考虑，将锪铰中心孔φ22从组合机床加工中撤下，在组合机床后续加工中专设一道锪铰工序。但是，撤下组合机床对中心气道孔口φ22的锪铰，则在钻孔后难于保证各钻削孔对中心孔φ22对中要求精度±0.25；并且要多增加一道工序和锪孔设备，不利于发挥组合机床工序集中、容易保证孔系加工位置精度的优越性。因此，使用部门坚持要求能在组合机床上同时完成钻、锪孔加工。考虑到使用部门的要求和切削加工效果，我们决定选择钻、锪孔同时进行。

为了使主轴箱实孔最小轴间距为23mm，并保证结构可靠、工作稳定，我们根据我国组合机床的设计方法，对主轴箱传动结构进行了必要的改进和创新，该设计方案在实际生产使用中经受了检验，其主轴箱传动结构设计如图3所示。

图3主轴箱传动结构图

该主轴箱设计具有以下特点：

(1)传动方案紧凑。为了在较小的空间内实现结构传动，减小传动路线，将中间锪铰主轴1既作主轴又作传动轴，在后排传动两根中间传动轴5和6。一般在设计传动方案时，为了改善主轴受力，不宜采用主轴作传动轴，但是，由于我们是将传动放在主轴箱后壁最后排，锪铰主轴1前端并不受传动力，并且锪铰切削力相对较小。因此，我们认为采用这种传动方案是可行的。

(2)为了实现较小轴间距，我们采取了将径向、轴向轴承都取错开排列方式。为了避免径向尺寸干涉，其主轴2、3的径向轴承安排在主轴箱前、后壁中间。这样，其主轴的支承距L和主轴的悬伸量a悬伸比L/a减小，会不会影响主轴的变形和加工精度呢?我们考虑在组合机床刚性主轴箱设计时推荐L/a＝1．5～2，但是由于结构原因，我们采用非刚性主轴设计，加工精度靠主轴前端的活动钻模板定位保证。因此，取较小的悬伸比在本主轴箱设计是必要的。

(3)用径向滚珠轴承代替滚针轴承。为了使轴间距减小，传统上径向轴承都采取滚针轴承，由于在实际使用中，滚针轴承工作性能不理想，这一直为设计部门感到为难。我们研究认为，目前国内外轴承工业通过近年来的努力发展，已经开发研制出高性能的超精系列结构轴承，可以满足机床的需要。而在钻孔加工中，机床主轴主要承受轴向切削力，其径向力不大。我们通过对国内外轴承结构、性能、价格比较，选择了国产1000902超轻系列径向滚珠轴承，其外径D＝28、宽度B＝7，结构紧凑，工作性能好。

(4)在结构空间受限的情况下，为了提高主轴、传动轴的刚度，在结构上将主轴、传动轴尽可能取较大外径。为了防止齿轮和主轴径发生碰撞，我们选择将切削受力相对较小的锪铰轴，中部取较小台阶轴径φ12，以让过齿轮外廓，其余主轴轴径取标准主轴φ15，传动轴取标准φ20。

(5)主轴箱与动力箱动力传递取联轴器传动。按国内资料推荐，一般设一级齿轮联接传动，为了改善受力和实现传动方案，我们借鉴国外的经验，取联轴器传动形式。这样，不但传动安装方便、减振，而且还改善了担任传动的锪铰主轴的受力。因为如果采用传统齿轮传动方式，锪铰轴工作相当于一悬臂梁，不但受扭力M，而且还受径力P的作用，如图4a所示。#p#分页标题#e#

图4主轴受力模型

而采用联轴器传动则只受扭力M，不受径向力P(见图4b)，为卸荷式传动轴。从而改善了既作主轴又作传动轴的锪铰主轴受力。

(6)提高齿轮的结构强度。由于受空间结构及标准模数、齿数的限制，齿轮结构空间有限，我们取齿轮模数为1.5或2，齿数取大于17。同时适当加大齿轮宽度，并将传递扭力的平键移放到齿廓后端，如图5所示结构，以提高齿轮的结构强度。

图5主轴用齿轮