M1380A头架结构改造

2018-05-31四川中车玉柴发动机股份有限公司资阳641300罗丽梅

金属加工(冷加工) 2018年5期

■ 四川中车玉柴发动机股份有限公司（资阳 641300）罗丽梅

1. M1380A曲轴外圆磨床特点及本次改造的主要任务

M1380A曲轴外圆磨床出厂于20世纪70年代初，是曲轴的主要加工机床之一，主要承担着曲轴外圆精磨的加工任务。但是由于使用年限较久，磨床头架结构设计相对落后，因而导致磨床运行不平稳，精度问题比较明显。在实际生产过程中，发现M1380A磨床加工出来的曲轴外圆出现直波纹的现象。影响曲轴出现直波纹的因素有很多，比如砂轮的选择不合理、砂轮主轴轴承间隙不当等，但在维修过程中逐步排除其他可能之后，分析故障产生的原因发现，这不是单纯的因为零件失效而产生的故障，而是由于磨床精度失准和结构设计不合理造成的，因此，这次的主要任务就是针对M1380A曲轴外圆磨床头架不合理的地方进行相关改进，希望能消除加工出来的曲轴出现直波纹的现象。

对于磨床来说一般出现的是精度问题，精度问题是设备维修上最难找到故障根源和最难排除的问题，因为导致精度问题的因素有很多而且很难断定产生地，故唯一的办法就是从动力输入端出发到动力输出端，对整个结构进行分析、排除，通过反复不断的分析、试验和排除来解决精度问题。

2. M1380A床头箱传动结构分析

M1380A磨床改进前的头架结构如图1所示。

由图1可以看出，M1380A磨床的传动原理：由电动机提供动力，经皮带轮8传至皮带轮5，皮带轮采用的是普通V带传动，此传动特点是当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附好，允许包角小、传动比大和预紧力小。从这台磨床性能和使用要求分析，普通V带传动是比较合理的。皮带轮5带动轴4转动，轴4是由两套单列圆锥滚子轴承支撑的，圆锥滚子轴承的特点是可以同时承受径向载荷及轴向载荷，其内外轮可以分离，组装容易，间隙容易调整，亦可施加预压，在这台磨床中，由于各齿轮都是斜齿轮，斜齿轮在传动过程中要受轴向力的作用，故整个传动结构都使用圆锥滚子轴承，这样就能保证各齿轮同时承受径向和轴向载荷。然后，动力经由齿轮2传至齿轮7，再经由轴13和齿轮14传至齿轮10，最后齿轮10再带动转盘转动，转盘带动工件转动，在这一个过程中轴9是不产生任何动作的。

图1 头架改造前1、3、6、11、12.圆锥滚子轴承 2、7、10、14.齿轮 4、9、13.轴 5、8.皮带轮

3. M1380A磨床问题分析过程及改进措施

头架结构设计可能引起出现直波纹现象的原因无非就是传动过程中传动不平稳和精度问题。因为影响机床精度的因素有很多，比如轴承精度、间隙问题、齿轮啮合不完全、轴的精度或轴承发生点蚀，使轴承与轴之间接触为点接触，使运动不平稳等等，很多小小的细节都能导致传动不平稳，因此需要耐心分析、查找和排除。

首先，从动力输入端来分析。动力输入端是电动机输出的动力通过两个皮带轮将动力输入到轴4，这里采用的是普通V带传动。首先全部重新更换V带来检查传动平稳性，发现直波纹现象无明显改观，因此排除V带本身问题。再来分析带轮与轴之间的配合性，主要包括孔与轴之间的配合以及键与键槽之间的配合，从装配图中可以看出，头架结构中的齿轮和轴联接、带轮与轴联接都是采用普通平键联接，这种联接方式的特点是键在键槽中固定良好，适用于高精度、高速或承受变载、冲击的场合，所以这种联接比较稳固。对于轴与孔的配合，需要测量实际配合的公差是否在允许的范围之内，检查轴与孔是否有磨损，经检查轴与孔的配合都还良好，也在公差范围之内，所以排除此因素。其次，检查皮带轮的径向跳动、振摆以及两皮带轮之间的直线度等问题，经检查发现无明显径向跳动现象、无振摆以及两皮带轮直线度符合要求，故排除以上影响因素。最后，检查皮带的松紧程度是否符合要求，经检查和调整，将皮带调整到了合适的程度。经过以上所有检查步骤后，再来试磨，发现直波纹现象无明显改善，因此排除皮带传动影响因素。

然后，考虑轴4自身的精度、齿轮2与轴4之间配合情况。经检查得知轴4精度达到了使用要求，没有被磨损，轴表面粗糙度基本和原来一致，而且检测其跳动也没发生弯曲和扭曲，故排除。轴4与齿轮2之间同样采用的是普通平键联接，检查其配合性也符合要求，试车检测排除此因素。

用同样的方法可以检测轴13的精度，齿轮7、14、10与轴13、轴9之间配合情况，同样发现都符合要求，故也排除这些可能。

接下来，需要检查各轴承的精度、轴承之间的间隙以及润滑情况。轴承自身精度是制造商的问题，我们只需要根据要求选择合适的精度即可，这里的轴承一般都是经过合理的选择才使用的，故不需再作选择，只需在合适的地方选用轴承精度等级高一级的轴承即可。对于轴承间隙检查，从结构图中可以看出，整个传动结构中选用的都是圆锥滚子轴承，因为传动齿轮采用的都是斜齿轮，斜齿轮要承受轴向载荷的作用，因此选用圆锥滚子轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，选用合理。对于圆锥滚子轴承间隙的调整，从其特点可以知道：圆锥滚子轴承的外圈可以分离，安装时可以通过调节外圈来调整轴向间隙和径向间隙，根据结构图分析可知：圆锥滚子轴承1、3、6和12的间隙调整都是通过调整轴承外的端盖来调整轴承外圈，从而来调整轴承间隙的，但是两套圆锥滚子轴承11无法进行间隙调整，在检查过程中就发现由于这两套轴承发生了磨损，导致齿轮产生轴向窜动，所以需要更换两套圆锥滚子轴承，但是这样并不能从根本上解决轴承间隙问题，为了更好地调整轴向间隙，考虑在两套轴承11之间添加垫圈1来调整轴承间隙（见图2），这样就要求两套轴承变换为背对背装配，以便很好地调整两套轴承之间的间隙，垫圈1的厚度是通过实际测量来确定的。

此外，从原结构图中可以看出，齿轮10是单靠转盘上的螺钉来固定的，在受轴向力的作用下，齿轮10会产生轴向的窜动，因此我们需要改进此结构。从图2中可以看出，在这里加了一个带有外螺纹的端盖4来固定轴9的轴向移动和带有内螺纹的端盖3来固定轴承2的内圈，然后用销子5将端盖4与箱体联接起来，这样既能方便齿轮的拆装，又能保证齿轮不会轴向窜动。

对于轴承的润滑，机床厂家都有规定使用的润滑产品，我们需要保证润滑良好和润滑的清洁度。

最后，着重考虑齿轮传动本身的问题，即各齿轮之间的啮合情况。

图2 头架改造后1.垫圈 2.圆锥滚子轴承 3.带内螺纹的端盖 4.带外螺纹的端盖 5.销子

检测齿侧间隙。齿侧间隙如果不当的话，会严重影响接触精度，很容易造成轮齿断裂，因此，对齿侧间隙的检测是相当必要的。检测齿侧间隙的方法有很多，比如：通过理论公式计算出公法线长度和跨齿数，再来跟实际测量出的公法线长度进行比较，或者用压铅的方法等。这里采用的是最基本最简单的方法：固定一个齿轮然后转动另一个齿轮，用百分表测出转动齿轮的摆动量，即为两齿轮的啮合侧隙。经检测，测量出图1中的齿轮10、14的侧隙超过了使用极限，磨损较严重，所以应考虑更换措施，但是由于齿轮10制造成本较高而且制造困难，同时，因为变位齿轮能修复已磨损的旧齿轮，改善小齿轮的强度和传动啮合特性，能提高齿轮机构的承载能力，同时还可以避免根切现象，所以这里我们考虑将齿轮10、14成套修改为变位齿轮。

变位齿轮的设计计算过程如下所述。

由机床说明书中齿轮10和齿轮14的零件图得知，齿轮10的参数为：z1＝22、mn＝6、αn＝20°、han*＝1、cn*＝0.25、β＝18°26′；齿轮14的参数为：z2＝66、mn＝6、αn＝20°、han*＝1、cn*＝0.25、β＝18°26′。

选择传动类型：由避免根切的最少齿数计算公式zmin＝17（1－x），得zmin＝17，所以z1＋z2＞2zmin，故可供选用的变位类型有两种，即高度变位传动和角度变位传动中的负传动。又因为齿轮5、6的中心距是不变的，所以考虑采用高度变位传动类型。由高度变位传动的优点可知：小齿轮取正变位，提高了小齿轮齿根强度，减小了小齿轮齿面磨损，所以在这种传动中，小齿轮采用的是正变位，大齿轮采用的是负变位，所以可知xn1＞0，xn2＜0。

接下来选择两个齿轮的变位系数：由高度变位传动的特点可知，xn1＋xn2＝0，xn1＝－xn2≠0，所以xn∑＝0，查阅机械设计手册分配变位系数得到：xn1＝0.3，故xn2＝－0.3。结合两齿轮原零件图已知参数和选择的相关参数，计算两齿轮的几何尺寸，结果如附表所示。

齿轮14、齿轮10几何尺寸计算结果表

根据以上参数绘制出变位齿轮的零件图，如图3、图4所示。

将齿轮改变为变位齿轮之后，应该再来检测变位齿轮的啮合情况，采用着色法来检测齿轮啮合的接触斑点。首先用红丹来涂抹齿轮14，然后在轻微的制动下，使两齿轮转动3～4圈，再来检测齿轮啮合的接触斑点情况，根据一般要求，这里的七级精度齿轮的接触斑点在齿长方向的百分率应该为60%，沿齿高方向的百分率应该为45%，经过反复检测和研磨，最终使两齿轮的接触斑点达到此要求。

经过此次改造，曲轴出现直波纹的现象明显得到了改善，大大地提高了曲轴的加工精度。