銑磨機(jī)主軸優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
2018-1-19 來源：暢河南工業(yè)職業(yè) 暢河南中 暢南陽建設(shè) 作者：劉旸 高志華 徐樹青 趙華清
摘要： 以光學(xué)銑磨機(jī)主軸加工、裝配和維修為例， 介紹加工、使用過程中所遇到的主要問題。依據(jù)長期維修跟蹤， 得出更優(yōu)化、更簡單的解決辦法， 使得銑磨機(jī)主軸方便制造、使用和減少維修， 降低成本， 提高效率等方面， 都有很大的提高。
關(guān)鍵詞： 主軸； 加工成本； 精度； 生產(chǎn)周期
自２０ 世紀(jì)８０ 年代以來， 全球光電科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展與進(jìn)步， 我國光學(xué)產(chǎn)品的加工設(shè)備研發(fā)也隨之發(fā)展起來。光學(xué)產(chǎn)品的精度要求越來越高， 加工光學(xué)產(chǎn)品的加工機(jī)床精度也必然要得到提高， 這就涉及到此類機(jī)床設(shè)備的關(guān)鍵零部件的加工和裝配精度的問題。其中， 光學(xué)加工機(jī)床銑磨機(jī)的核心部件———高速旋轉(zhuǎn)主軸， 其加工、裝配、使用壽命、維修在很大程度上對主軸精度都有很大的影響。
在光學(xué)行業(yè)所用的加工機(jī)床中， 高速旋轉(zhuǎn)主軸的精度是該類機(jī)床的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。其中， 光學(xué)銑磨機(jī)主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)９ ０００～１２ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 要保證主軸高速旋轉(zhuǎn)的精度， 首先要保證各個(gè)關(guān)鍵零件的精度； 其次， 也是人們常常容易忽略的， 主軸的裝配。關(guān)鍵點(diǎn)就是要保證主軸、主軸軸承座等零件的形位公差—同軸度、垂直度， 以及軸承安裝部位局部尺寸公差等； 再加上合理的裝配工藝， 才可以保證主軸部件的裝配精度。
現(xiàn)就光學(xué)銑磨機(jī)主軸的加工、裝配、維修過程中所出現(xiàn)的問題， 對如何保證高精度主軸高速旋轉(zhuǎn)的精度和使用壽命等相關(guān)問題， 進(jìn)行探討和研究。具體對現(xiàn)有的加工、裝配工藝方法進(jìn)行介紹和對比， 以期得到更優(yōu)化、更經(jīng)濟(jì)、精度更高的加工裝配工藝和維修方法。
1 、現(xiàn)在的加工工藝和裝配方法
主要部件主軸、主軸軸承座以及主軸裝配圖如圖１—３。以下是零部件部分尺寸設(shè)計(jì)、裝配要點(diǎn)。
圖１ 主軸
圖２ 主軸軸承座
圖３ 主軸部件
主軸和主軸軸承座安裝軸承位置的尺寸公差、形位公差比較高， 目的要保證裝配后主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到９０００、１２ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 并且運(yùn)轉(zhuǎn)要靈活平穩(wěn)， 不應(yīng)有不正常的尖叫聲和不規(guī)則的沖擊聲； 在主軸軸承達(dá)到穩(wěn)定溫度時(shí)， 其溫度和溫升應(yīng)符合機(jī)床規(guī)定的技術(shù)要求； 主軸的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)應(yīng)符合機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和圖紙要求。
為達(dá)到以上要求和裝配的方便， 主軸和主軸軸承座的局部尺寸公差和形位公差標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格， 主軸尺寸公差在ＩＴ３ 級以上， 主軸軸承座的尺寸公差為ＩＴ３級； 同軸度公差在ＩＴ４ 級左右。這使得零件的加工難度增加， 不利于加工， 加工成本增大。
軸承的選用： （１） 選用國產(chǎn)７２０５Ｃ 級（Ｐ４） 軸承， 要求是正規(guī)大廠生產(chǎn)的， 比如洛陽軸承研究所；軸承價(jià)位１１５ 元／套， 若要求配對， 要加價(jià)２０％左右；四套軸承， 或兩兩配對的， 價(jià)格在４６０～５８０ 元。（２）也可選用進(jìn)口軸承７２０５Ｄ 級（Ｐ５） 來替代國產(chǎn)軸承；配對好的， 一對大約４００ 元， 兩對大概８００ 元左右。并配磨軸承內(nèi)、外隔圈。
以上是主軸零部件加工、裝配過程中必須要做到的， 目的是為了保證主軸部件的裝配精度。
在實(shí)際的生產(chǎn)中， 大概有４ ～５ 年， 此類加工、裝配的缺點(diǎn)是：
（１） 加工難度和加工成本成倍增加；
（２） 設(shè)備精度不穩(wěn)定， 用過一段時(shí)間后， 調(diào)節(jié)比較頻繁， 影響設(shè)備的有效使用率； （３） 裝配效果比預(yù)想的要差些， 轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲和溫升偏大， 維修次數(shù)較多。
2、第一次改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)
在現(xiàn)有的零部件設(shè)計(jì)、加工、裝配基礎(chǔ)上， 近７年來， 根據(jù)實(shí)際工作中遇到的各類問題， 通過多次的整改、優(yōu)化設(shè)計(jì)、維修， 得出以下比較系統(tǒng)的、成熟的零部件設(shè)計(jì)方案。
具體的解決方案是：
（１） 改變和軸承內(nèi)、外圈相配套的主軸和主軸軸承座的公差配合， 把其中過度或過盈配合變?yōu)榛瑒?dòng)配合———間隙配合。具體要求： 裝配零件清洗干凈，涂抹潤滑脂后， 軸承內(nèi)、外圈分別可以用手用力推或橡皮錘輕敲， 即可順利完成和主軸、主軸軸承座的裝配。
（２） 此銑磨機(jī)的床身， 質(zhì)量大約３８０ ｋｇ， 材料為ＨＴ２００， 是該設(shè)備最大的零件， 占該設(shè)備總質(zhì)量的３／５ 以上， 還是該設(shè)備所有零部件裝配的基礎(chǔ)件， 在加工前一定要經(jīng)過嚴(yán)格的時(shí)效處理。最好是自然失效， 雖然時(shí)間長， 資金占用偏大， 但加工、裝配后效果好， 裝配使用過程精度穩(wěn)定不變； 若采用人工時(shí)效回火， 時(shí)間雖然比較短， 但在加工過程中， 不能在一個(gè)工廠、一個(gè)車間、一臺機(jī)床上加工完畢， 一定要盡可能拉長床身各個(gè)工序間的加工地點(diǎn)和時(shí)間， 最大限度地消除鑄件的應(yīng)力， 使得最終精加工后的尺寸精度保持穩(wěn)定不變。
（３） 選用７２０５Ｐ５ 級進(jìn)口軸承， 配對好的， 替代國產(chǎn)的７２０５ Ｐ４ 級軸承。根據(jù)配對軸承標(biāo)示的游隙值， 配磨軸承內(nèi)、外隔圈， 以保證配對軸承內(nèi)外圈間隙的一致性， 為調(diào)節(jié)主軸前后軸承的間隙做準(zhǔn)備。
（４） 潤滑脂選用國產(chǎn)的白色特種潤滑脂， ８００ ｇ，價(jià)格４０ 元上下。也可選用進(jìn)口的潤滑脂， 價(jià)格大概是此種潤滑脂的８～９ 倍。沒特殊要求， 不推薦使用。根據(jù)近幾年的具體實(shí)施， 做到以上４ 點(diǎn)， 就可以保證合格的零件裝配后， 達(dá)到設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)， 保證有良好使用效果， 基本避免前面所說的生產(chǎn)裝配后的三大缺點(diǎn)。
3、銑磨機(jī)主軸部件改用外購的電主軸
該設(shè)備零件數(shù)量偏多， 絕大部分零件體積比較小， 部分零件加工精度又比較高， 加工和裝配費(fèi)時(shí)費(fèi)工， 這些都大大增加了設(shè)備的成本， 延長了整機(jī)的生產(chǎn)周期。
一般來講， 現(xiàn)在與客戶簽訂的合同要求的交貨期都比較短， 此時(shí)對于及時(shí)交貨來說， 成本稍高點(diǎn)倒是次要的， 加工周期倒是急需解決的第一難題， 比較長的加工周期不利于在多變的市場中贏得客戶。
具體針對銑磨機(jī)主軸部件來說， 高精度的零件，加工精度高， 加工周期長， 加工成本高； 另外， 該部件零件數(shù)量比較多， 加工時(shí)間和周期自然就比較長。由圖３ 可以看到： 自制件有１５ 個(gè)品種， 除了軸承內(nèi)、外隔圈， 都為單件， 不利于組織生產(chǎn)， 并且部分零件的精度要求較高； ２ 個(gè)常用件， 主軸軸承（兩對共四套Ｐ５ 級進(jìn)口軸承） 和彈簧需外購。
另外， 帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)的部件和相關(guān)附件， 自制件共有９ 個(gè)品種， 組裝、固定后， 用來固定、調(diào)整和保護(hù)電機(jī)（ＹＳ８０１２）。并由電機(jī)帶輪增速４ 倍左右， 所以電機(jī)帶輪直徑偏大， 須選用鑄鋁材料， 并且要作動(dòng)平衡試驗(yàn)。
以上直接成本合計(jì)２ ３００～２ ４００ 元， 且不包含人工的裝配調(diào)試成本。其中裝配中所用到的各種標(biāo)準(zhǔn)件暫忽略不計(jì)。
近十多年來， 電主軸發(fā)展迅速， 各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)也日趨完善， 這也為選擇電主軸準(zhǔn)備了相應(yīng)可靠的物質(zhì)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上， 通過反復(fù)調(diào)研、對比多個(gè)廠家、多個(gè)品種的產(chǎn)品性能指標(biāo)， 定做和主軸軸承座外部尺寸相符合、技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)?shù)幕蚋叩碾娭鬏S， 價(jià)格每套在２ ７００ 多元（當(dāng)然價(jià)格低的有一千多元多的， 高的有四、五千元的）； 功率選１暢５ ｋＷ， 原設(shè)計(jì)的帶動(dòng)電機(jī)ＹＳ８０１２ 功率０暢７５ ｋＷ， 功率應(yīng)該足夠。現(xiàn)在， 去掉銑磨機(jī)原設(shè)計(jì)主軸， 換上外購的電主軸， 已經(jīng)陸續(xù)在近１０ 臺銑磨機(jī)上試用， 時(shí)間近兩年，使用一切正常， 還沒出現(xiàn)意外的問題， 效果還算滿意。
更換為電主軸后， 直接成本增加３００ ～４００ 元，加工周期基本就變?yōu)橥赓徶芷冢?時(shí)間更短、更省心，省去了主軸加工、裝配（銑磨機(jī)的加工裝配中的重點(diǎn)和難點(diǎn)）， 電機(jī)支架的加工、安裝等； 加工和裝配周期的時(shí)間節(jié)約在９５％ 以上， 能更好地和快速變化的市場對接。隨著時(shí)間的推移、實(shí)踐的檢驗(yàn)， 電主軸的設(shè)計(jì)采用應(yīng)該是一種很好的設(shè)計(jì)思路和方法。
4、 結(jié)論
從以上３ 種方法使用效果來看， 主軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種成熟的加工裝配， 解決了絕大多數(shù)問題， 目前應(yīng)用最廣泛； 電主軸的采用， 省去了大量繁瑣的工作， 加工裝配周期優(yōu)勢特別明顯， 是很值得推廣的一種思路和方法。
在現(xiàn)代工業(yè)化的社會(huì)中， 分工會(huì)更細(xì)化， 做好、做精某一個(gè)或某一項(xiàng)工作才是未來的發(fā)展方向， 協(xié)調(diào)、利用好社會(huì)上的各種優(yōu)勢資源， 為我所用， 應(yīng)該是一種好的思路和發(fā)展方向。不能小而全， 那樣只會(huì)增加時(shí)間和成本， 不利于工作的開展和推進(jìn)， 也不可能在工業(yè)化社會(huì)中長期立足。
推而廣之， 在現(xiàn)代的工業(yè)化生產(chǎn)中， 機(jī)床的生產(chǎn)和維修， 要盡可能地去選用專業(yè)廠家已有的、現(xiàn)成的、成熟的零部件， 利用別人的優(yōu)勢， 其結(jié)果往往是事半功倍。不要每樣?xùn)|西都立足自己加工制造， 費(fèi)時(shí)費(fèi)工， 效果還未必好。
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