研究背景

父親廠里的主要加工設(shè)備是重型數(shù)控機(jī)床，例如立式車床、臥式車床、落地鏜銑床、龍門鏜銑床、滾齒機(jī)、磨床等。從最早的蘇聯(lián)、東歐造老機(jī)床到現(xiàn)在的國(guó)產(chǎn)機(jī)床一應(yīng)俱全。我在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)成為制約加工承載能力和提高機(jī)床加工精度、加工效率的瓶頸。有時(shí)候，如果部件過重或重心不在工作臺(tái)中心，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生漂擺和抖動(dòng)，嚴(yán)重影響加工精度，特別是轉(zhuǎn)速一旦過快，工作臺(tái)導(dǎo)軌還會(huì)劃傷。

于是，我便有了對(duì)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行改造使其在加工重型、不規(guī)則部件時(shí)能夠保持平衡，從而提高加工速度和精度的想法。我的設(shè)計(jì)方案得到了家長(zhǎng)和輔導(dǎo)老師的充分肯定，并得到了他們的大力支持。在近2年的時(shí)間里，在車間操作工人和技術(shù)部工程師的指導(dǎo)下，我的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了多次調(diào)整，通過無數(shù)次實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)創(chuàng)新成果終于完成了。

研究目標(biāo)

國(guó)產(chǎn)重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的心軸結(jié)構(gòu)有2種——鏜床用工作臺(tái)心軸結(jié)構(gòu)和立車用工作臺(tái)心軸結(jié)構(gòu)。2種結(jié)構(gòu)都是采用2套軸承組合的方式承載。鏜床用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的心軸結(jié)構(gòu)采用2套圓錐滾子軸承組合；立車用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的心軸結(jié)構(gòu)則采用1套雙列圓柱滾子軸承和1套推力球軸承組合。

2種重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)心軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)都非常明顯。如果能調(diào)整現(xiàn)有軸承的結(jié)構(gòu)形式，取長(zhǎng)補(bǔ)短，重新設(shè)計(jì)1種新的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，就能提升回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的性能。

因此，研究的目標(biāo)是：針對(duì)目前重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)存在的問題，設(shè)計(jì)新的心軸結(jié)構(gòu)，重新選擇靜壓導(dǎo)軌耐磨層材料，實(shí)現(xiàn)在最小能耗情況下，提高重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的承載能力、運(yùn)行平穩(wěn)性、回轉(zhuǎn)精度及抗偏載能力等性能。

研究過程

新型心軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想

通過分析比較2種重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)心軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，我首先想到，把2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)組合到一起，既能增加數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的承載能力，又能解決工作臺(tái)漂擺問題。

新的立車回轉(zhuǎn)工作臺(tái)徑向定心可采用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，這種軸承定心精度高，徑向承載能力大，能有效地控制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的徑向跳動(dòng)。工作臺(tái)軸向承載可采用推力軸承，這種軸承軸向承載能力大，能有效提高工作臺(tái)的承載能力，這樣徑向定位和軸向定位都得到了可靠保證。

現(xiàn)有立車回轉(zhuǎn)工作臺(tái)心軸結(jié)構(gòu)存在浮起量不受控制的問題。我想，能不能通過控制推力軸承的上軸承座與心軸上的壓蓋之間的間隙保證工作臺(tái)的浮起量呢？如果需要浮起0.04mm，就把兩者之間的間隙配制為0.04mm，這樣在工作臺(tái)浮起量超過0.04mm時(shí)，就被心軸上的壓蓋限制住了。

這個(gè)設(shè)想及方案交給輔導(dǎo)老師后，老師對(duì)我的想法很支持。但他也指出我設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不合理之處。因?yàn)楣ぷ髋_(tái)浮起后，推力軸承的上軸承座和心軸上的壓蓋之間完全接觸，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩者之間會(huì)發(fā)生摩擦，容易咬合在一起。我與工廠的技術(shù)人員進(jìn)行了探討，提出解決方案：在推力軸承的上軸承座和心軸上的壓蓋之間增加1套推力軸承，使滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，巧妙地解決了問題（見圖1）。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)通過心軸上各個(gè)部件在軸向上做到了無間隙安裝，可以在軸向?qū)⒐ぷ髋_(tái)完全控制，使其不能上下浮動(dòng)。這個(gè)方案的最終結(jié)果是工作臺(tái)與底座之間只有0.04mm的液壓浮起量，不會(huì)再向上浮動(dòng)，有效地控制了工作臺(tái)浮起不受控的現(xiàn)象。

針對(duì)立車工作臺(tái)心軸僅靠雙列圓柱滾子軸承1點(diǎn)支承、旋轉(zhuǎn)過程中易發(fā)生漂擺的問題，參考鏜床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的心軸結(jié)構(gòu)，我將1點(diǎn)支承改為2點(diǎn)支承，把心軸加粗加長(zhǎng)，在心軸上部增加1套軸承。我的最初設(shè)想是增加1套深溝球軸承，以此提高工作臺(tái)抵抗漂擺的能力但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)深溝球軸承的徑向承載能力不如主軸專用向心圓柱滾子軸承，因此最后改用圓柱滾子軸承。

新型心軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

我設(shè)計(jì)的新型重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)心軸結(jié)構(gòu)采用上、下2套成對(duì)使用的雙列向心圓柱滾子軸承和上、下2套成對(duì)使用的軸向推力球軸承，構(gòu)成4套軸承的組合結(jié)構(gòu)代替老式2套軸承，如圖2所示。其中2套主軸專用高精度雙列向心圓柱滾子軸承負(fù)責(zé)工作臺(tái)徑向定心作用，上下配對(duì)使用，增加軸承跨距，有效解決工作臺(tái)回轉(zhuǎn)漂擺的問題，提高了工作臺(tái)徑向承載能力。

軸向推力球軸承則很好地分擔(dān)了工件重量。上、下2套軸向推力軸承成對(duì)使用，將工作臺(tái)軸向移動(dòng)控制在1點(diǎn)，工作臺(tái)承受的向上及向下的力都受到控制，有效地控制了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的浮起量（0.030.04mm）。在靜壓導(dǎo)軌的作用下，工作臺(tái)無論是否偏載，都不會(huì)發(fā)生漂擺現(xiàn)象。

應(yīng)用我的設(shè)計(jì)后，4套軸承組合代替原來的2套軸承，工作臺(tái)在徑向與軸向都能夠受到嚴(yán)格控制。有效地解決了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)承載能力低、回轉(zhuǎn)精度低、轉(zhuǎn)速難以提高、抗偏載能力差的問題。

新型導(dǎo)軌耐磨層材料的實(shí)驗(yàn)過程

由于工作臺(tái)漂擺易研傷工作臺(tái)及底座導(dǎo)軌，因此導(dǎo)軌耐磨材料對(duì)工作臺(tái)使用壽命有很大影響。另外，重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在旋轉(zhuǎn)過程中，如果液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障或突然斷電，也容易研傷工作臺(tái)底座導(dǎo)軌。因此，提高導(dǎo)軌的耐磨性是提升重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)性能必須解決的另一關(guān)鍵問題。

查詢相關(guān)資料得知，導(dǎo)軌耐磨材料必須質(zhì)地軟且有足夠的耐磨性能。我覺得，航空材料在超高溫、超高壓的特殊環(huán)境下，具備耐摩擦、抗腐蝕、超輕質(zhì)的特性，完全符合導(dǎo)軌耐磨材料的要求，為什么不選用航空材料作為導(dǎo)軌材料呢？

為了比較這些材料的耐磨性能，我設(shè)計(jì)了耐磨實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。準(zhǔn)備了QSn6.5-0.1錫青銅、S214鋁青銅、S213磷青銅、7075航空級(jí)鎂鋁合金、6082航空級(jí)鋁合金5種實(shí)驗(yàn)件，在相同條件下，測(cè)試了這5種材料的耐磨性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，7075航空級(jí)鎂鋁合金是所有被測(cè)材料中最適合的導(dǎo)軌耐磨材料。

試用結(jié)果

以上設(shè)計(jì)在遼寧三三機(jī)床有限公司制造的CK5280數(shù)控重型立式車床重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)最大承載能力測(cè)試，承重216噸（加工部件為中國(guó)一重的核反應(yīng)堆頂蓋）、轉(zhuǎn)速10r/min時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)，無抖動(dòng)現(xiàn)象。

通過實(shí)驗(yàn)及參數(shù)對(duì)比得出結(jié)論，采用本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)與國(guó)內(nèi)其他機(jī)床企業(yè)的同類產(chǎn)品相比，承載能力強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)、精度高，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床大功率、大扭矩車削（目前企業(yè)車間內(nèi)其他廠家CK5280工作臺(tái)承重量?jī)H為50100噸）。

創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)提出了一種新型重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)心軸結(jié)構(gòu)，即采用上、下2套成對(duì)使用的雙列向心圓柱滾子軸承和軸向推力球軸承，構(gòu)成4套軸承組合結(jié)構(gòu)，心軸的軸向采用靜壓導(dǎo)軌與推力軸承相結(jié)合的方式承載，形成穩(wěn)定的靜壓浮起狀態(tài)，將1點(diǎn)支承改為2點(diǎn)支承，使工作臺(tái)受力平衡。實(shí)驗(yàn)證明，使用該結(jié)構(gòu)的重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)具有精度高、抵抗偏載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

為有效地防止工作臺(tái)底座導(dǎo)軌的研傷，有利于提高工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速及使用壽命，設(shè)計(jì)制作了耐磨實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)工作臺(tái)導(dǎo)軌耐磨材料進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)，選用新型耐磨材料——7075航空級(jí)鎂鋁合金，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，新材料具備耐摩擦、抗腐蝕、超輕質(zhì)的特性。

該項(xiàng)目獲得第27屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

根據(jù)目前機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在加工大型重心偏移工件時(shí)存在承載能力低、抗偏載能力差、易漂移等問題，提出采用一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新型耐磨材料制作新型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)心軸，可有效提高重載回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的承載能力、運(yùn)行平衡性和加工精度。心軸設(shè)計(jì)具有較大的創(chuàng)新性、科學(xué)性和實(shí)用性。