重型卧式车床尾轴回转精度的可靠性研究

2022-08-24马晓军王振宇李革志卢传杰

现代制造技术与装备 2022年7期

马晓军王振宇李革志卢传杰

（德州普利森机床有限公司，德州 253000）

对于卧式车床，顶尖间最大工件质量大于或等于10 t称为重型卧式车床[1-2]。设计制造重型卧式车床的难点之一是工作精度的保持性，尤其是承受载荷后依旧能够保持精度。国标中，重型卧式车床的精度检验项目大多是在机床空载状态下检测的[1]。当机床承受工件质量、切削力以及旋转载荷后，它的工作精度往往会发生变化，尤其是长时间使用后，无法确保精度。

以德州普利森机床有限公司承重20 t的重型卧式车床尾轴回转精度为例，机床出厂前检验，尾轴轴线精度、顶尖跳动均符合出厂标准。按照标准顶紧力[3]，用户在使用一段时间后，尾轴顶尖跳动会增大，导致机床加工精度降低。针对此问题优化改进尾轴支撑结构，并进行受力分析。

1 结构改进优化

1.1 原结构

尾轴回转精度及其保持性与尾轴承受的顶紧力有关[4-5]。对于机床自身结构而言，它主要取决于尾轴前端的支撑结构及其精度。图1为原尾轴前支撑结构图。

图1中，尾轴8是可旋转的，前端由圆柱滚子轴承4支撑，锁紧螺母3与锁紧螺母6将轴承4内环固定在尾轴8上。顶尖1与尾轴8的连接采用长锥结构。拆卸螺母2用于拆卸顶尖1。

机床出厂前检验，尾轴轴线精度、顶尖跳动均符合出厂标准。用户使用一段时间后，尾轴顶尖跳动增大，加工精度降低。使用拆卸螺母2将顶尖1拆卸后发现，顶尖1后端长锥与尾轴8的锥孔接触面积减小，锥面大端接触面积很小，与出厂前的状态不一致。将顶尖1与尾轴8返厂配磨，按照顶尖1的锥面重新配磨尾轴8的锥孔，使接触面积达到理想状态，顶尖回转精度恢复出厂标准。用户使用一段时间后，问题重复出现，表明尾轴8变形的可能性最大。用内径表检测尾轴8的锥孔精度，变化不明显。使用标准塞规涂色法检测锥孔，发现锥孔大端直径增大，表明该结构在使用过程中尾轴8锥孔大端的变形朝增大的方向发展。

1.2 优化改进后的结构

图2为优化改进后的尾轴前支撑结构图。顶尖1由长锥定位结构改为长锥法兰结构。将轴承3的位置前移，减小尾轴5在轴承3前端的悬伸量。将图1中锁紧螺母6定位轴承内环修改为图2中垫圈4的轴肩定位，以提高接触刚度。

长锥法兰结构属于过定位结构，即锥面与法兰端面同时接触，导致顶尖加工难度大。轴承内环轴肩定位结构和垫圈4厚度的确定也是加工难点。轴承内环与尾轴接触面是1∶12的锥面，轴承在尾轴的轴向位置直接关系轴承游隙的大小与回转精度。游隙增大，回转精度降低；游隙较小，轴承容易发热导致润滑脂失效而烧坏轴承。

用户使用情况证明，改进优化后的结构没有再出现类似问题，精度保持性更好。

2 SolidWorks受力分析

以机床承受20 t工件质量为例计算尾轴变形情况。按照理论计算及行业经验[3]，尾轴顶尖顶紧力Fz=72 000 N，重力Fy=10 000 N。将轴承位及尾轴末端设定为刚性连接。

图3为原结构尾轴变形图，图4为优化改进后的尾轴结构变形图。图3中，尾轴前端两处变形量分别为2.436×10-3mm和1.447×10-3mm。图4中，相同位置的变形量分别为1.310×10-3mm和5.532×10-4mm。可见，优化改进后的尾轴变形量减小约50%，是尾轴精度保持性提升的主要原因。

新结构尾轴变形量减小的主要原因可能是轴承位置前移，也可能是顶尖结构改为过定位结构所致。将顶尖修改为原结构，计算尾轴变形情况，如图5所示。相同位置的变形量分别为9.156×10-4mm和6.542×10-4mm，可见过定位结构使尾轴下端变形量减小，上端变形量增大，变化幅度很小。新结构变形量减小的主要原因是轴承位置前移导致尾轴悬伸量减小。

将优化改进后的尾轴结构更换为原顶尖，计算尾轴前端面16均分点处的变形位移量，如表1所示。表2计算了长锥法兰顶尖结构相同位置的变形位移量。图6是两种结构位移变形量对比图，即圆周展开成直线后的曲线图。从图6可以看出，长锥法兰尾轴结构的变形量比较平稳，曲线呈现正余弦形状。长锥定位尾轴结构的变形量差值大，曲线陡峭，呈现正态分布形状。两种曲线表明，过定位顶尖结构使尾轴截面变形后圆度更好，有利于顶尖锥孔接触面积的保持性和尾轴回转精度的保持性。需要注意，长锥定位结构的尾轴变形趋近于椭圆，不利于接触面积的保持性，精度保持性相对较低。