内装式滑枕的设计及其在机床中的应用.pdf

2 0 1 0年 8 月 第 3 8卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ．2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 6 ． 0 1 0 ’ 内装式滑枕的设计及其在机床中的应用 张春艳，张述江，刘兴卓，喻鹏 沈阳机床股份有限责任公司，辽宁沈阳 l 1 0 0 4 1 摘要滑枕在机床中有多种应用形式。电机和减速器 内装式滑枕在机床中的应用使机床的加工精度及性能有很大提 高。介绍内装式滑枕设计的特点，材料选择及其加工方法。采用特殊机械加工手段和浇铸成型技术是使滑枕的精度达到设 计要求的重要保障。 关键词内装式滑枕；材料选择 ；机械加工；浇铸成型 中图分类号 T H1 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 60 2 5 4 De s i g n o f t he I n ne r - a s s e mbl y M o t o r Ra m a n d I t s Ap pl i c a t i o n i n M a c hi ne To o l s Z HANG C h u n y a n，Z HAN G S h u i i a n g ，L I U Xi n g z h u o ，YU P e n g S h e n y a n g Ma c h i n e T o o l s C o ． ， L t d ． ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 0 4 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e r e a r e v a r i o u s a p p l i c a t i o n f o r ms o f r a i n i n ma c h i n e t o o 1 ．T h e a c c u r a c y a n d c a p a b i l i t y o f ma c h i n e t o o l wa s i mp r o v e d u s i n g i n n e r ass e mb l y r a m．T h e d e s i g n c h a r a c t e r i s t i c s ， c h o i c e o f ma t e r i a l s a n d p r o c e s s i n g me t h o d s o f t h e i n n e r - ass e mb l y r a m w e r e i n t r o d u c e d ．Me a n s o f s p e c i a l me c h a n i c a l ma c h i n i n g a s w e l l a s t h e p o u r mo l d i n g t e c h n o l o g y we r e t h e i mp o r t a n t g u a r a n t e e for t h e a c c u r a c y me e t i n g t h e d e s i gn r e q u i r e me n t． Ke y wo r dsI n ne r a s s e mbl y mo t o r r a l n ． ；Ch o i ce o f ma t e r i a l s；Me c h a n i c a l ma c h i n i n g；P o ur mo l di n g 动力 滑枕 也 称 机 床 二 主 轴 是 立 式 车 铣 中 心 等龙 门机 床 的 重 要 部 件 ，它 的结 构 与 性 能 将 直 接 影 响机 床 的 整 体 性 能 。 以往 我 国龙 门机 床 的 滑 枕 大 多采用 电机 、减 速 机安 装 在滑 枕 外 面 的形 式 ， 这种滑枕 占用空间大 ，机械性 能差 ，传递动力效 率不高。 电机内装式 滑枕的设计成 功打破 了龙 门机床 的这 一 技术瓶 颈 ，它 以其精巧 的设计和精湛 的加工 、装配 工艺使龙 门机床 的加工精度得 到了质 的飞跃 。 1 滑枕在机床 中的应用 随着国内军工、航天、电力等行业的快速发展， 对大型零件的高质量、高生产效率加工的需求越来越 来迫切 。采用立 式车铣机床加 工大型零件 ，一次装夹 可实现外 圆、内孔 、端 面的车 削加工 ，同时可实现外 圆、内孔 、平 面 、斜 面 、曲面 、沟槽等的铣削加工及 镗孔 、钻孔 、攻丝等加工功能 ，所 以越来越多的机床 制造厂开始研发车铣机床。立式车铣机床主要由几个 部分组成 见图 1 。 从 图 1中可 以看到 ，滑枕部件固定 于横梁的滑板 上 ，由伺服电机及滚动丝杠副驱动实现机床的 z轴 进 给。通过液压拉钉可将多工位车刀盘 固定在滑枕下 1 一 立柱 件 图 1车铣机床不 意图 端以实现车削功能，也可将各种带旋转刀具的附件头 固定在滑枕下端以实现铣、镗、钻削功能，这时旋转 刀具 的动力 是 由安装在 滑枕 顶部外 侧 的 电机 外 挂 式 或安装在滑 枕体 内部 的电主轴 内装 式 通 过 滑枕中心的传动轴传递的。因此滑枕部件在立式车铣 收稿 日期 2 0 0 9 0 6～ 2 9 作者简介张春艳 1 9 7 6 一 ，女，学士，工程师，从事数控立式车铣中心的研发与设计。电话1 3 6 0 4 0 3 8 0 9 9 ，Em a i l z h c h y ． 3 28 1 63 ．c o n。 2 6 机床与液压 第 3 8卷 机床 中不仅是结构复杂的部件而且是非常关键 的部件 之一。以滑枕截面 2 8 0 m m 2 4 0 m m的滑枕体为例， 其 z轴行程 为 1 4 0 0 m m，外挂式 电机结构 的滑枕体 的长度可达到 2 9 0 0 m m，所 以滑枕 体对材料 的机械 性能及制造工艺水平的要求是很高的。 滑枕作为立式车铣机床中关键的部件 ，它的结构 和使用性能直接关系到机床 的使用 性能。目前 ，国内 的大型立式车铣 中心 和龙 门式 加工 中心 的动 力滑枕 ， 多采用动力电机和减速 机外置 的结构 见 图 2 、3 ， 即将动力电机和减速机安装在滑枕 的顶端 ，再通过细 长传动轴传至滑枕的下部，再传至附件头，这种结构 下动力电机和减速机 占用空间 比较大 ，滑枕 中的传动 轴 同时承 受弯矩 和扭矩 ，所 以通 过这样方 式传 递动 力 ，输 出轴功率 、转速和扭矩不能设计太高。 图 2 外 挂式滑枕 部件示意图 图3 外挂式滑枕 部件示意图 2 内装式滑枕设计 2 ． 1 内装式滑枕设计的特点 内装式滑枕采 用主轴 电机 、变 速 箱 内 置 的结 构 ，即滑枕体 内孑 L 上端安 装电主轴 ，电主轴 的下端 连接 双级齿轮减速箱 ，通 主轴电 机 过连接轴传到附件头 见 图 4 。该 结 构 形式 十 分 紧凑 ，转矩经减速机直接 传给传动轴 ，在 同样 的载 减 速 机 荷作用下 ， 这种 传动轴 所 受弯矩 比普通滑枕中的要 小 ，轴的直径就可 以比普 通滑 枕 中传 动 轴 的 直 径 小。这样一方面节省 了滑 枕的使用空 间，另一方面 由于主轴 电机 、变速箱 等 零部件连接精度较高 ，有 效提高 了滑枕使用的可靠 性和寿命 ，同时传动轴 的 缩短还可 以大大提高动力 轴的输出功率、扭矩和转 图4 速 ，从而提高了滑枕的使 用性能 。 2 ． 2滑枕体材料的选择 内装式滑枕 部件示意图 从图 4中可看出内装式滑枕体相当于一个细长 的 轴套件 ，所 以它 本身应 该具 有很 高 的抗弯 、抗扭 强 度。它又是一个活动部件，需要上下快速精确地滑 动，所以又要求它的表面具有很高的耐磨性和很小的 变形量。 2 ． 2 ． 1 力学性能 表 1 常用材料及其主要力学性能 表 1 中 ， 4 5号钢应 用最广 泛 ； 4 0 C r 用 于载荷 较 大而无大 冲击 的重要轴 ； 3 7 S i Mn 2 M o V用 于高 强 度 、 大尺寸 及 重载 荷 的轴 ，与 3 5 S i M n 、4 2 S i M n 、4 0 M n B 的性能相近；3 8 C r M o A 1 A用于要求高耐磨性、高强度 且变形很小 的轴。 2 ． 2 ． 2 热处理性能 氮化处理 可使钢的表 面形 成一层坚 硬的氮化物 ， 所以钢具有了很高的表面硬度及耐磨性；氮化层具有 较大 的残余压应力 ，它能部分地抵消在疲 劳载荷下产 生的拉应力，延缓疲劳破坏过程 ，显著提高钢的疲劳 强度 ；氮化层 表面 由连续 分布 的 、致 密 的氮化 物组 成，所以钢具有了很高的抗腐蚀能力，并且氮化处理 的温度 低 、变 形 小 。氮 化用 钢 通 常是 含 有 A l 、c r 、 M o 等合金元素的钢。 第 l 6期 张春艳 等内装式滑枕的设计及其在机床中的应用 2 7 4 5正 火 4 0 C r 调质 3 8Cr Mo Al A 5 6 0 ℃ ．4 h 5 2 0～5 4 0 ℃ ． 1 2 h 5 2 05 6 0℃ ．6～1 2 h l 0 501 l 5 0 HV 5 0 0 6 5 0 HV5 9 5 0 ～l l 0 0 HV5 O． 0 6 0． 3～O． 4 0． 40． 4 5 表 2中 ， 4 0 C r 氮 化处 理 后表 面 的硬度 低 ，4 5钢 来 加工这段 内孔 。 氮化处理后氮化层深度 略小 。 综上所述 ，3 8 C r M o A 1 A更适于做滑枕体 的材料 。 2 ． 3 滑枕体在结构设计中应满足的要求 车铣机床具有镗功能 ，所 以在达到设计要求的前 提下 ，滑枕体的截面要尽量小 ，以便 达到镗更 小孔 的 要求。同时在滑枕体内还有通过气、润滑油、液压 油、冷却水、电信号输入大小不等将近二十个通道。 合理布置滑枕的截面是 非常重要 的部 分。 传动轴与滑枕体 的同轴度 和滑枕 的外形精度直接 影 响机床 的加工精度 。所 以在传动轴 的轴承支承处与 滑枕体安装减速机及 电主轴 内孔 的同轴很重要 ，因为 减速机与传动轴是直联 的，并且要根据减速机的外形 3 内装式滑枕在应用中遇到的问题与解决方案 深孔 加工 、内孔和外 形各 项形 位 公差 要求 是 滑 枕 体加 工 的 技 术 难 点 。根 据 滑 枕 体 材 料 的加 工 性 能 、热处理 的 各项 技 术 数 据 及 结 构 和 各 项 精 度 要 求 ，要 合理安排 各工 序之 间 的顺 序 和加 工 留量 。滑 枕体 内孔的加工 全部被 封 闭在 工件 内部 ，加工 过程 中根本无 法上 刀 和 观 测 如 图 5 ，必须 采 用 特 殊 工 具和刀具 精加工 ，在 加工 过程 中，每 个 阶梯孔 在 全 长范 围内都必须 达到精 度 要求 。这种 深孔 的加 工 在 机床行业 中 ，尤其是 设备 规 格小 的情 况下 更是技 术难 点 ，它 的研 究成功 将会 给该 项 目的完 成 奠定技 术基 础 图 5滑枕体 内孔示 意图 3 ． 1 滑枕体内孔采用机械加工方式 用传统机械加工方式 完成 滑枕体 内孔 的精加 工 ， 就要用特殊 的加工工艺方法来保证滑枕体 内孑 L 的精度 要求 。首先确定被加工件位置正确 ，采 用架套 和跟刀 套等工装的特殊 工艺 手段 完成 工艺基 准孔 d ． 如 图 5 ，使其 达到 技术 要求 ，然后采 用 架镗 杆 和特殊 的 刀具加工完成各 阶梯孔 ，用 相 同的方法 找正另 一端 ， 然后 加工 内孑 L 。要想达到滑枕体各 内孔与外形 的各项 形位公差要求 ，最终 四面 的精加工采用 以一基准孔穿 高精度检棒找正磨 削完成 。在 必要 的阶段安 排检 测 ， 包括零件 的检测和机床的检测 ，根据测量的数据调整 滑枕 的装卡并作为加工的依据。 3 ． 2滑枕体 内孔采用浇铸成型方式 对 于机械加工能力薄弱的生产厂家 ，如果外部协 作去加工这个滑枕体无形中增加 了制造成本并 降低 了 生产效率 。浇铸成形技术 已被广 泛应用在 形状 复杂 、 加工精度高的制造技 术 中。浇铸成形 ，又称浇塑 法 ， 它是将液态的热固性树脂或热塑性树脂注入模 型 ，在 常压或低压 下加热 固化或冷却凝 固而成形的方法。由 于受 加工能力 的限制 ，滑枕体 内腔在经过粗加工后也 可通过浇注专用环氧树脂与滑枕体形成稳定而坚硬的 连接 ，它 的特点是耐磨及结合强度高 ，它 的硬化既不 需要压力和温度也不需要特殊的设备装置 ，这样降低 了生产成本 ，大大缩短产 品周期 ，而且硬化后完全可 以达到设计的精度要求无需再进行任何切削加工，并 有很 好的耐化学腐蚀 能力 。 2 8 机床与液压 第3 8 卷 表 3 浇注树脂硬 化后 的性能 颜色 密度 g C m一 抗压强度／ M P a拉伸强度／ M P a剪切强度／ M P a弯曲强度／ M P a硬度 S h o r e D 工作温度／ ℃收缩率／ c m c m 钢色 1 ． 8 5 9 5 3 5 2 3 5 6 8 9 6 0 1 8 0 无 浇铸方法 1 表面处理。将待用表 面打磨或加工粗化 ，深 度在 1 1 1 1 ／ 1 1 以上 ，然后用专用清洗剂或丙酮进行清洗。 2 混料。按规定将硬化剂全部注入树脂 中， 按规定重量配比，均匀手动搅拌约 3～ 4 m i n ，若机 械搅拌则搅拌器 的搅拌 速度约 1 0 0 r ／ ra i n ，且要搅拌 均匀 。 3 搅拌后观察是否有气泡，如有气泡应将罐 用力墩实 ，消除气泡 。 4 将 定型芯 模涂上 专用 分离剂后 ，调 整 固定 在所要浇铸的型腔内。 5 将搅拌好的混料从浇铸孔注入，速度要缓 慢均匀 ，直至混料从出胶孔全部挤出。 6 固化 2 4 h 后 ，脱模。 图 6滑枕浇铸不意图 4 结束语 1 9 9 4 ． 内装式滑枕在 国内机床 中应用较 少 ，但随着工业 【 2 】苏翼林． 材料力学[ M] ． 2 版， 北京 高等教育出版社 ， 制造技术及 机械设计能力 的提高 ，它 的推广和应用一 定会给国内机床行业 的发展带来高精度 、高效率 、高 【 3 】张玉庭 热处理技师手册[ M] 北京 机械工业出版社， 利润 2 0 0 7 ⋯呦 ⋯⋯一⋯⋯ ． 盖 加 璇撒 北 础出 【1 】 濮 良 贵 ．机械设计[ M] ． 5版， 北京 高等教育出版社 ， 一 ⋯ 。 上接第 1 0 4页 下移动可以快速换 “ 小轴 ” ，“ 小轴 ” 中心钻有小孔 ， 小孔两侧安装两紧定螺钉 ，两紧定螺钉用于锁 紧钻头 或铰刀等刀具 。用 两个 “ 小轴 ”分 别安装钻 头或 铰 刀 ，以便快速更 换刀具 。 “ 小轴 ” 上有对 称 两小 圆 坑 ，见 图4 ，图中只可以看到正面的小 圆坑 ，反面 的 看不到，“ 钢珠 ”圆坑均为一对 。 “ 大轴” 由 3部分 组成 ，上部分为锥柄 ，配合钻床主轴 ；中部为空心圆 柱体，空心部分用于安装 “ 小轴” ，外面部分用于安 装 “ 钢珠 ”及 “ 上 卡环” 、 “ 下卡 环” 。安装 “ 上卡 环 ” 、“ 下卡 环” 的位置 分别 在圆柱体上下有 “ 卡环 槽”处 。 从图 5可 以看 出安 装 “ 小 轴 ” 及 “ 下 卡 环 ” 后 ，装上 “ 钢 珠 ” ，再 套 上 “ 手 环 ” ，最 后 再 装 上 “ 上卡环” ，装好 状态见 图 1 。 2 “ 飞雕快换钻铰夹”应用效果 由于安 装 了 “ 飞雕 快 换 钻 铰夹 ” ，在 实 际生 产 中，在 同一位置需要频繁钻孔 、铰孔时 ，能 明显降低 操作员工劳动强度和体力。不需要手持楔铁、手锤敲 打钻夹头锥柄头部 ，而且不需要两套钻夹头 ，现在只 需要换两个 “ 小轴” 即可 。“ 小轴” 非常轻便 ，装上 钻头或铰刀，操作方便 ，可明显提高工作效率和降低 劳动强度 。 3结束语 作者制作 的 “ 飞雕快 换钻铰夹 ” 不一定 是用 于 同一位置的钻孔 、铰孔 ，也可以用于孔的同一位置的 “ 二次加工” 或 “ 三次 加工” 。如 同一位 置需要钻 出 3 种不同直径的孔 ，可以作出3个 “ 小轴” ，分别装 上 3 个不 同直径的钻头 ，然后 ，就 可以频繁快速更换 “ 小轴” 。这样，不仅能保证加工精度 ，也能提高工 作效率及 降低劳动强度 ，值得推广 。