機床主軸拉刀機構(gòu)的優(yōu)化解決方案
2008-05-07 10:31:45
機床的生產(chǎn)效率和加工精度的要求被不斷提高,主軸的轉(zhuǎn)動越來越快,主軸的高速化是目前精密機械的發(fā)展趨勢,同時機床的穩(wěn)定性和使用壽命也相應(yīng)的變得越來越重要,這些變化直接導(dǎo)致了對機床組件要求的提高。作為主軸關(guān)鍵部件的碟形彈簧組，它的合理選型及裝配可以提高機床的使用效率，減少主軸的維修頻率.碟形彈簧具有小變形大承載力的特點,主軸拉刀機構(gòu)采用碟形彈簧提供拉刀力，有效地解決了刀具轉(zhuǎn)動過程中夾具系統(tǒng)夾持力不足的缺點。從國內(nèi)主軸維修的現(xiàn)狀來看，碟形彈簧失效主要表現(xiàn)為斷裂和破碎，也就是說，在碟形彈簧未達到其設(shè)計的疲勞壽命時，彈簧已出現(xiàn)開裂或斷裂現(xiàn)象。究其原因，主要有下述幾個方面：<BR>1. 原材料選取<BR>按照新版碟形彈簧國家標準 GB1972-2005，碟簧材料可以選擇 60Si2Mn 或 50CrV4。從原材料特性來看，硅錳鋼系列材料中的硅能固溶于鐵素體和奧氏體中，可提高鋼的硬度、強度、彈性極限、屈強比和疲勞強度，還能提高材料的回火穩(wěn)定性和抗氧化性；錳能提高材料的淬透性。但硅含量容易產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象和增加表面脫碳傾向，并在鋼種易生成硅酸鹽夾雜物，該夾雜物在晶界析出，易導(dǎo)致淬火開裂現(xiàn)象。即便淬火過程中沒有出現(xiàn)開裂，其開裂傾向也會在彈簧加載過程中逐漸放大，導(dǎo)致彈簧壽命降低，最終失效原因為開裂或碎裂。50CrV4中鉻和釩能提高鋼的韌性、強度和彈性極限，降低鋼的過熱敏感性和脫碳傾向，從而改善了碟簧表面質(zhì)量，提高材料的疲勞強度。其淬透性也比硅錳鋼要好。此外鉻釩鋼回火穩(wěn)定性較高，500℃-550℃回火后仍有較高的強度和彈性極限，工作環(huán)境允許達200℃。因此，鉻錳鋼是碟形彈簧材料的首選鋼種，也是 DIN2093標準規(guī)定的標準原材料。作為大型碟形彈簧生產(chǎn)廠德國Mubea公司原材料的冷軋和熱處理是在公司內(nèi)進行的，這樣最大可能的保證了原材料質(zhì)量.<BR>2. 加工精度<BR>隨著轉(zhuǎn)數(shù)的提高碟形彈簧的加工精度直接影響主軸的穩(wěn)定性和使用壽命.過大的彈簧內(nèi)徑造成主軸高速轉(zhuǎn)動時彈簧過多的向外滑動(如圖),由此形成的離心力 (F=mω2r) 相應(yīng)變大,軸承和主軸的負擔加重.較小的平面度和平行度保證彈簧組內(nèi)單片彈簧受力均勻,彈簧橫向位移變小,彈簧組的垂直性更好.對于碟形彈簧在主軸拉刀機構(gòu)的應(yīng)用Mubea公司專門開發(fā)了高精度碟形彈簧.通過它的特殊邊緣結(jié)構(gòu)導(dǎo)向桿和彈簧之間的摩擦被降低, 彈簧疲勞壽命也相應(yīng)增加.<BR>3. 噴丸處理<BR>碟形彈簧為中空的錐形環(huán)片，由于其特殊的形狀，加工過程中彈簧上下表面具有不同的應(yīng)力狀態(tài)。通常來講，上表面為壓應(yīng)力狀態(tài)，下表面為拉應(yīng)力狀態(tài)。按照 DIN 2093 標準和中國國家標準要求，承受動態(tài)載荷的碟形彈簧必須進行噴丸處理以改變彈簧表面的應(yīng)力狀態(tài)，使彈簧下表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài)，以提高碟形彈簧的疲勞壽命。因此，成品碟形彈簧不允許進行任何的后續(xù)機械加工。目前，國內(nèi)主軸維修時經(jīng)常遇到購買的標準型號碟形彈簧尺寸不能滿足主軸安裝空間的要求，因而維修商甚至是制造商會對彈簧進行后續(xù)的車削或磨削加工。這種額外的機械加工嚴重改變了碟形彈簧表面或者是內(nèi)外徑邊緣處的應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，造成彈簧開裂。幾乎所有的慕貝爾碟形彈簧都在工廠內(nèi)經(jīng)過噴丸處理,從而使產(chǎn)品具有高出DIN2093規(guī)定的疲勞壽命.<BR>4. 裝配<BR>作為一種相對較新的彈簧形式，碟形彈簧的特性和裝配要求還不太為國內(nèi)機床行業(yè)的客戶所熟知。我們在幫助客戶做選型工作的時候，通常會提醒客戶在裝配過程中注意以下問題：<BR>A-碟形彈簧組裝配時，彈簧組兩端要保證彈簧外徑（而不是內(nèi)徑）與安裝空間附件相接觸，如受設(shè)計要求所限，至少要保證受力端是彈簧外徑與安裝空間附件相接觸。<BR>B-導(dǎo)向桿或?qū)蛱着c彈簧組間保留一定間隙，具體要求請參照Mubea碟形彈簧手冊第50頁。<BR>3.20和表3.2，也可查詢DIN2093標準或中國國家標準GB1972-2005。<BR>C-導(dǎo)向件導(dǎo)向表面以及與碟形彈簧組兩端相接觸的安裝空間附件表面須做硬化和拋光處理，表面硬度不小于55HRC，表面粗糙度Ra<3.2。<BR>D-安裝于主軸內(nèi)的碟形彈簧組隨主軸高速旋轉(zhuǎn)，越靠近彈簧組中間部位的單片彈簧，由于受離心力的作用，就越容易偏離彈簧組軸線位置。主軸長度越大，彈簧組總高度也越大，這種現(xiàn)象也越為明顯，這也是導(dǎo)致主軸產(chǎn)生振動的關(guān)鍵原因之一。我們建議按照下面的公式來選擇彈簧組的高度：L0≤ 3De，其中：<BR>L0-彈簧組高度<BR>De-碟形彈簧外徑<BR>如受主軸行程和推拉刀載荷的限制，彈簧組高度無法滿足上式要求的話，建議在彈簧組中間增加墊片，使墊片間的彈簧組高度滿足上式要求，墊片表面處理與導(dǎo)向件相同。<BR>雖然影響主軸精度和壽命的因素有很多，但從其維修工作的現(xiàn)狀來看，碟形彈簧的更換工作仍占有相當大的比重，這也從另外一個側(cè)面反映了主軸制造過程中和國外廠家相比關(guān)于碟形彈簧組的設(shè)計選型和
