王少輝

軋輥軸承是軋機(jī)工作機(jī)座中的重要部件，在各種軋機(jī)中，軸承座因隨軋輥頻繁更換而需要大量備件。由于軸承座結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要頻繁將軸承座轉(zhuǎn)位裝夾以完成工作面或孔的加工，例如，部分鏜床工序在加工軸承孔后需多次臥放以加工兩個(gè)滑板面及垂直面[1]。對(duì)于自帶回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的機(jī)床，可在電控指令下自動(dòng)完成轉(zhuǎn)位，但對(duì)于無(wú)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或軸承座尺寸相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)較小難以實(shí)現(xiàn)加工時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)位的機(jī)床而言，常常需借助人力及天車進(jìn)行轉(zhuǎn)活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人工轉(zhuǎn)位裝夾一次約需要30 min，整個(gè)軸承座的加工過(guò)程中因人工轉(zhuǎn)位裝夾消耗的時(shí)間達(dá)4～5 h，浪費(fèi)了大量的時(shí)間及人力。

對(duì)此，有必要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單實(shí)用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來(lái)提高中小型軸承座的加工效果及質(zhì)量。

1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)初衷，該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)定位于中小型軸承座的加工，且能夠活動(dòng)安裝，因此設(shè)計(jì)高度應(yīng)盡量小，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊，以便于軸承座的裝夾。同時(shí)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)應(yīng)具有自鎖功能，以防止加工時(shí)工作臺(tái)發(fā)生顫動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，以便于回轉(zhuǎn)角度的調(diào)整及提高使用安全性[2～3]。

據(jù)此，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要由減速電機(jī)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)與基座、中間軸及鎖緊機(jī)構(gòu)等組成。減速電機(jī)負(fù)責(zé)提供驅(qū)動(dòng)力，保證輸出轉(zhuǎn)速滿足工藝需要；蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、速比大且具有一定自鎖性，在保證回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)可在一定程度上防止加工時(shí)工作臺(tái)發(fā)生顫動(dòng)。減速電機(jī)與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的動(dòng)力傳動(dòng)部分，旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間設(shè)定為30 s，可以實(shí)現(xiàn)任意角度回轉(zhuǎn)。為方便回轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，工作臺(tái)和基座之間裝有刻度盤。工作臺(tái)上開(kāi)有T形槽，用以裝夾工件。工作臺(tái)與中間軸聯(lián)接，并通過(guò)推力球軸承固定在基座上，以承載工作臺(tái)和被加工軸承座的重量。當(dāng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)到位后，通過(guò)手動(dòng)鎖緊裝置將工作臺(tái)鎖緊，防止在加工過(guò)程中工作臺(tái)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)（見(jiàn)圖1、表1）。

2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要由工作臺(tái)與基座部分、中間軸部分及鎖緊機(jī)構(gòu)組成。

圖1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要參數(shù)大小

2.1 工作臺(tái)與基座

工作臺(tái)和基座均由鑄鐵鑄造而成，根據(jù)所加工軸承座的尺寸，將工作臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)為1.8 m×1.8 m。為了保證工作臺(tái)回轉(zhuǎn)平穩(wěn)準(zhǔn)確，將基座和工作臺(tái)之間設(shè)計(jì)成斜面接觸，其加工精度要求較高。在基座上鑄有吊耳，用于起吊。

2.2 中間軸

中間軸上端通過(guò)螺栓與工作臺(tái)聯(lián)接，中間與蝸輪聯(lián)接，下端裝有推力球軸承。工作時(shí)，蝸輪在電機(jī)及蝸桿的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)中間軸及工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩通過(guò)16個(gè)聯(lián)接螺栓傳遞。選用51326型推力球軸承，內(nèi)徑?130 mm，外徑?225 mm，高度75 mm，額定靜載荷107 t，額定動(dòng)載荷35 t，足以保證中小型軸承座的承載及加工需要。

2.3 鎖緊機(jī)構(gòu)

鎖緊機(jī)構(gòu)的作用是保證加工過(guò)程中工作臺(tái)不會(huì)發(fā)生顫動(dòng)，主要由夾套、鎖緊絲杠、滑動(dòng)楔塊、鎖緊杠桿、支座和摩擦片等構(gòu)成，摩擦片安裝在中間軸上。

夾套通過(guò)螺栓固定于基座上，起限制鎖緊絲杠與基座相對(duì)位置的作用。絲杠與滑動(dòng)楔塊由螺紋聯(lián)接，楔塊在支座內(nèi)可自由滑動(dòng)，鎖緊杠桿在滑動(dòng)楔塊的帶動(dòng)下，向下壓緊摩擦片，從而達(dá)到鎖緊的目的?；瑒?dòng)楔塊與鎖緊杠桿均安裝于支座上，考慮機(jī)構(gòu)的裝配要求，在基座上開(kāi)有滑道。安裝時(shí)，先置支座于滑道左側(cè)，待中間軸安裝好后，再將支座推至工作位置固定。

鎖緊時(shí)，旋松鎖緊絲杠，由于夾套固定于基座上，因此鎖緊絲杠與基座的相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生變化，滑動(dòng)楔塊在螺紋傳動(dòng)下遠(yuǎn)離夾套，楔塊上的斜面會(huì)帶動(dòng)鎖緊杠桿向下壓緊摩擦片，摩擦片相對(duì)中間軸向下運(yùn)動(dòng)并與中間軸的斜面接觸，當(dāng)摩擦力足夠大時(shí)夾緊中間軸，限制工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 蝸輪蝸桿

因蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、傳送比大，可布置于基座內(nèi)部，減小了工作臺(tái)的外部尺寸，并使基座內(nèi)部空間得到有效利用。

蝸輪蝸桿傳動(dòng)自鎖的條件為當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，機(jī)構(gòu)具有自鎖性。通過(guò)計(jì)算確定傳動(dòng)比為71，蝸輪齒數(shù)為71，模數(shù)6.3，中心距 280 mm，導(dǎo)程角 3°13′10″，蝸桿分度圓直徑112 mm，蝸桿為單頭蝸桿。

3.2 電機(jī)的選擇

工作臺(tái)主要做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算電機(jī)功率需要回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要部位及工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為此需首先確定主要部件的質(zhì)量及回轉(zhuǎn)半徑（見(jiàn)表2）。

表2 主要部件質(zhì)量m及回轉(zhuǎn)半徑r

則各部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2 rpm，加速時(shí)間為1 s，則轉(zhuǎn)動(dòng)加速度

則各部件轉(zhuǎn)動(dòng)的等效轉(zhuǎn)矩為

M=Jβ=3237×0.21=680 N·m

考慮摩擦等其他因素，乘以系數(shù)1.2

M′=1.2M=1.2×680=816 N·m

代入公式電機(jī)功率計(jì)算公式

考慮使用效率及安全，計(jì)算電機(jī)功率為

P=5N=0.85 kW

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用電機(jī)型號(hào)為GH 55-1500-20-S-B，額定功率1.5 kW，減速機(jī)減速比為20。

4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)受力及剛性分析

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的受力及剛性直接影響工件的加工精度和質(zhì)量，本文借助有限元軟件對(duì)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主要受力部件如工作臺(tái)、基座及中間軸在工作狀態(tài)下的受力及變形情況進(jìn)行分析計(jì)算。

4.1 有限元模型的建立

選取工作臺(tái)與基座的材料為鑄鐵，中間軸的材料為45#鋼，將材料的力學(xué)性能賦予各分析部件。依據(jù)常見(jiàn)的中小型軸承座的重量并考慮裝夾時(shí)的螺栓預(yù)緊力，在工作臺(tái)表面施加180000 N的載荷，計(jì)算在此工況下工作臺(tái)、基座及中間軸的應(yīng)力場(chǎng)與變形場(chǎng)分布情況。

4.2 分析結(jié)果

（1）由應(yīng)力場(chǎng)分布情況可知，工作臺(tái)最大應(yīng)力約2.7 MPa，集中于中間部位?；膽?yīng)力主要集中于接觸面處，最大應(yīng)力約1.5 MPa。工作臺(tái)與基座的最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，由于鑄鐵抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，而且軸承座加工時(shí)工作臺(tái)與基座主要受壓，因此二者的受力情況良好。中間軸的應(yīng)力集中于下端與推力球軸承接觸的部位，最大應(yīng)力約7.2 MPa，遠(yuǎn)小于45#鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa，所以中間軸受力情況良好（見(jiàn)圖2）。

（2）工作臺(tái)的最大變形發(fā)生在臺(tái)面邊緣與中心之間的區(qū)域，這一區(qū)域沒(méi)有與其他部件聯(lián)接，工作時(shí)處于懸空狀態(tài)，因此相對(duì)其他位置較易發(fā)生變形，最大變形量約6 μm，工作臺(tái)中間和邊緣分別與中間軸和基座接觸，變形量較??；基座的最大變形發(fā)生在與工作臺(tái)的接觸面上，最大變形量約4 μm，其他部位的變形量很小；中間軸最大變形發(fā)生在上端與工作臺(tái)接觸的部位，最大變形量約2 μm。計(jì)算結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)整體剛性良好（見(jiàn)圖 3）。

圖2 各部件應(yīng)力場(chǎng)分布

圖3 各部件變形情況

5 結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn)，采用該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)能使中小型軸承座的生產(chǎn)工序更加靈活，提高普通鏜床生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少天車占用時(shí)間。

[1]葛良水，齊家鳳，黃瓊玲.軋機(jī)軸承座精密加工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,19（4）：50-53.

[2]趙群.加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)部件的結(jié)構(gòu)分分析 [J].現(xiàn)代制造工程，2002,12 （5）：32－35.

[3]張立瑩.回轉(zhuǎn)工作臺(tái)夾緊機(jī)構(gòu)淺析 [J].制造技術(shù)與機(jī)床，2001,5（3）：8－10.