1前言

組合機(jī)床對多孔鉆削加工具有較大的優(yōu)勢，它按孔的坐標(biāo)分布位置實行一次加工，保證了孔的坐標(biāo)位置尺寸精度。作為組合機(jī)床專用部件的主軸箱，有成熟固定的設(shè)計模式：標(biāo)準(zhǔn)的主軸箱體、前后側(cè)蓋、主軸、傳動軸、齒軸、軸承等，以及成熟的傳動、布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可供選用。這是組合機(jī)床設(shè)計制造的長處。但是，如何根據(jù)制造工藝技術(shù)及組配件的要求，在設(shè)計上靈活應(yīng)用并有所創(chuàng)新，以更好地適應(yīng)加工工件的需要，是擺在我們組合機(jī)床設(shè)計人員面前的一個課題。最近，我們?yōu)橹貞c合力公司設(shè)計的YU02排氣管接頭組合機(jī)床進(jìn)行了有益的嘗試，并取得了較好的效果。

2工件加工要求分析

YU02排氣管接頭是按引進(jìn)的日本某機(jī)械制作所設(shè)計圖紙進(jìn)行加工，是用于連接發(fā)動機(jī)與排氣管道的重要零件，技術(shù)要求較高。該工件工藝簡圖如圖1所示。

圖1零件工藝簡圖

工件材料為硬度HB200～250的鑄件，重量350g，年生產(chǎn)綱領(lǐng)為20萬件。主要加工需完成：銑削兩接合面(見圖1中接頭的三角形平面及腰圓形平面)，鉆削三角形平面上的3個通孔3—φ6.5mm、腰圓形平面上的兩個通孔2—φ8.5mm。

分析工件的加工精度要求：為了保證工件最后的裝配性能，除了保證在銑削兩平面時其位置尺寸69.4mm，保證兩平面夾角尺寸90°－25°＝65°外，在鉆削加工孔時，要求腰圓形平面上的兩孔對排氣道中心孔22尺寸為46±0.25，要求三角形平面上的三個孔對排氣道中心孔22尺寸分別為41±0.25及45±0.25。

3組合機(jī)床方案布局設(shè)計

根據(jù)工件的加工要求，我們認(rèn)為采用組合機(jī)床來同時完成其銑、鉆削加工較為適宜。為了發(fā)揮組合機(jī)床加工工序集中高效率的特點，我們選擇了銑、鉆臥式三工位組合機(jī)床方案，機(jī)床的總體方案布局如圖2。

圖2機(jī)床總圖

該組合機(jī)床采用了兩銑削頭和兩鉆削頭，分別布置在工作行程為630mm的HY32-Ⅲ液壓動力滑臺的兩側(cè)，其隨行液壓自動夾具安裝在滑臺臺面上，由滑臺帶夾具和工件完成縱向快速進(jìn)給和銑削工作進(jìn)給，并送到鉆削工位完成鉆孔。當(dāng)工作滑臺帶夾具及工件強(qiáng)制通過兩銑削頭完成銑削加工后，動力滑臺將夾具及工件快進(jìn)送到鉆削工位，由布置在兩側(cè)面左、右兩個HY250滑臺上的鉆削頭分別從兩邊對三角形平面和腰圓形平面上的5個孔完成鉆削孔加工。機(jī)床的三個工位呈縱向布置：第Ⅰ工位為裝卸工件工位，第Ⅱ工位為銑削加工工位，第Ⅲ工位為鉆削工位。工件在機(jī)床上一次定位裝夾，同時完成銑、鉆削加工內(nèi)容，有利于保證工件平面夾角及位置尺寸精度和各孔的坐標(biāo)尺寸精度。機(jī)床的生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，其機(jī)床的配置型式相當(dāng)于一條小型組合機(jī)床自動線。

4鉆削多軸主軸箱設(shè)計

由零件工藝分析知，鉆削孔加工關(guān)鍵是要保證三角形平面上的3-φ6.5對中心孔φ22的對中位置精度為±0.25，及腰圓形平面上的2-φ8.5對中心22的對中位置精度為±0.25。這一尺寸精度要求較高。我們分析，如果采用帶鉆模板導(dǎo)向方式一次同時完成鉆削加工，則孔與孔之間的位置精度±0.25容易實現(xiàn)，設(shè)計制造也應(yīng)不成問題。困難在于如何保證各個孔對中心孔φ22的對中精度。經(jīng)與工藝設(shè)計部門研究，為了保證孔的對中精度，同意將孔的鉆削加工與對φ22中心孔的锪削加工同時完成。這樣在鉆削三角形平面上不但要設(shè)計布置三根鉆削主軸，而且中間還需插入一锪削主軸，即有四根主軸，其主軸最小軸間距由圖1知；同樣，在鉆削腰圓形平面上不但要設(shè)計布置兩根鉆削主軸，而且中間也需插入一锪削主軸，共有三根主軸，其主軸最小軸間距為23。按目前我國組合機(jī)床設(shè)計資料推薦，采用錯開的滾針軸承主軸排列其最小軸間距為24mm。而小于24mm軸間距的主軸箱設(shè)計，我們通常視為設(shè)計“禁區(qū)”。

為了保證主軸箱較小的軸間距布置，一般采用滾針軸承。根據(jù)對用戶走訪的反映，這種無保持架的滾針軸承，在使用過程中可靠性差，容易產(chǎn)生抱軸和發(fā)熱，工作穩(wěn)定性較差。從主軸箱設(shè)計制造角度考慮，將锪鉸中心孔φ22從組合機(jī)床加工中撤下，在組合機(jī)床后續(xù)加工中專設(shè)一道锪鉸工序。但是，撤下組合機(jī)床對中心氣道孔口φ22的锪鉸，則在鉆孔后難于保證各鉆削孔對中心孔φ22對中要求精度±0.25；并且要多增加一道工序和锪孔設(shè)備，不利于發(fā)揮組合機(jī)床工序集中、容易保證孔系加工位置精度的優(yōu)越性。因此，使用部門堅持要求能在組合機(jī)床上同時完成鉆、锪孔加工?？紤]到使用部門的要求和切削加工效果，我們決定選擇鉆、锪孔同時進(jìn)行。

為了使主軸箱實孔最小軸間距為23mm，并保證結(jié)構(gòu)可靠、工作穩(wěn)定，我們根據(jù)我國組合機(jī)床的設(shè)計方法，對主軸箱傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的改進(jìn)和創(chuàng)新，該設(shè)計方案在實際生產(chǎn)使用中經(jīng)受了檢驗，其主軸箱傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3主軸箱傳動結(jié)構(gòu)圖

該主軸箱設(shè)計具有以下特點：

(1)傳動方案緊湊。為了在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)傳動，減小傳動路線，將中間锪鉸主軸1既作主軸又作傳動軸，在后排傳動兩根中間傳動軸5和6。一般在設(shè)計傳動方案時，為了改善主軸受力，不宜采用主軸作傳動軸，但是，由于我們是將傳動放在主軸箱后壁最后排，锪鉸主軸1前端并不受傳動力，并且锪鉸切削力相對較小。因此，我們認(rèn)為采用這種傳動方案是可行的。

(2)為了實現(xiàn)較小軸間距，我們采取了將徑向、軸向軸承都取錯開排列方式。為了避免徑向尺寸干涉，其主軸2、3的徑向軸承安排在主軸箱前、后壁中間。這樣，其主軸的支承距L和主軸的懸伸量a懸伸比L/a減小，會不會影響主軸的變形和加工精度呢?我們考慮在組合機(jī)床剛性主軸箱設(shè)計時推薦L/a＝1．5～2，但是由于結(jié)構(gòu)原因，我們采用非剛性主軸設(shè)計，加工精度靠主軸前端的活動鉆模板定位保證。因此，取較小的懸伸比在本主軸箱設(shè)計是必要的。

(3)用徑向滾珠軸承代替滾針軸承。為了使軸間距減小，傳統(tǒng)上徑向軸承都采取滾針軸承，由于在實際使用中，滾針軸承工作性能不理想，這一直為設(shè)計部門感到為難。我們研究認(rèn)為，目前國內(nèi)外軸承工業(yè)通過近年來的努力發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)研制出高性能的超精系列結(jié)構(gòu)軸承，可以滿足機(jī)床的需要。而在鉆孔加工中，機(jī)床主軸主要承受軸向切削力，其徑向力不大。我們通過對國內(nèi)外軸承結(jié)構(gòu)、性能、價格比較，選擇了國產(chǎn)1000902超輕系列徑向滾珠軸承，其外徑D＝28、寬度B＝7，結(jié)構(gòu)緊湊，工作性能好。

(4)在結(jié)構(gòu)空間受限的情況下，為了提高主軸、傳動軸的剛度，在結(jié)構(gòu)上將主軸、傳動軸盡可能取較大外徑。為了防止齒輪和主軸徑發(fā)生碰撞，我們選擇將切削受力相對較小的锪鉸軸，中部取較小臺階軸徑φ12，以讓過齒輪外廓，其余主軸軸徑取標(biāo)準(zhǔn)主軸φ15，傳動軸取標(biāo)準(zhǔn)φ20。

(5)主軸箱與動力箱動力傳遞取聯(lián)軸器傳動。按國內(nèi)資料推薦，一般設(shè)一級齒輪聯(lián)接傳動，為了改善受力和實現(xiàn)傳動方案，我們借鑒國外的經(jīng)驗，取聯(lián)軸器傳動形式。這樣，不但傳動安裝方便、減振，而且還改善了擔(dān)任傳動的锪鉸主軸的受力。因為如果采用傳統(tǒng)齒輪傳動方式，锪鉸軸工作相當(dāng)于一懸臂梁，不但受扭力M，而且還受徑力P的作用，如圖4a所示。

圖4主軸受力模型

而采用聯(lián)軸器傳動則只受扭力M，不受徑向力P(見圖4b)，為卸荷式傳動軸。從而改善了既作主軸又作傳動軸的锪鉸主軸受力。

(6)提高齒輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于受空間結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)、齒數(shù)的限制，齒輪結(jié)構(gòu)空間有限，我們?nèi)↓X輪模數(shù)為1.5或2，齒數(shù)取大于17。同時適當(dāng)加大齒輪寬度，并將傳遞扭力的平鍵移放到齒廓后端，如圖5所示結(jié)構(gòu)，以提高齒輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖5主軸用齒輪