1前言

組合機床對多孔鉆削加工具有較大的優(yōu)勢，它按孔的坐標分布位置實行一次加工，保證了孔的坐標位置尺寸精度。作為組合機床專用部件的主軸箱，有成熟固定的設計模式：標準的主軸箱體、前后側蓋、主軸、傳動軸、齒軸、軸承等，以及成熟的傳動、布局、結構設計方法可供選用。這是組合機床設計制造的長處。但是，如何根據制造工藝技術及組配件的要求，在設計上靈活應用并有所創(chuàng)新，以更好地適應加工工件的需要，是擺在我們組合機床設計人員面前的一個課題。最近，我們?yōu)橹貞c合力公司設計的YU02排氣管接頭組合機床進行了有益的嘗試，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的日本某機械制作所設計圖紙進行加工，是用于連接發(fā)動機與排氣管道的重要零件，技術要求較高。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，年生產綱領為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組合機床方案布局設計

根據工件的加工要求，我們認為采用組合機床來同時完成其銑、鉆削加工較為適宜。為了發(fā)揮組合機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床方案，機床的總體方案布局如圖2。

圖2機床總圖

該組合機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，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給和銑削工作進給，并送到鉆削工位完成鉆孔。當工作滑臺帶夾具及工件強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送到鉆削工位，由布置在兩側面左、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。工件在機床上一次定位裝夾，同時完成銑、鉆削加工內容，有利于保證工件平面夾角及位置尺寸精度和各孔的坐標尺寸精度。機床的生產效率高，加工質量穩(wěn)定，其機床的配置型式相當于一條小型組合機床自動線。

4鉆削多軸主軸箱設計

由零件工藝分析知，鉆削孔加工關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，設計制造也應不成問題。困難在于如何保證各個孔對中心孔φ22的對中精度。經與工藝設計部門研究，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#p#分頁標題#e#；同樣，在鉆削腰圓形平面上不但要設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。按目前我國組合機床設計資料推薦，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軸間距的主軸箱設計，我們通常視為設計“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，容易產生抱軸和發(fā)熱，工作穩(wěn)定性較差。從主軸箱設計制造角度考慮，將锪鉸中心孔φ22從組合機床加工中撤下，在組合機床后續(xù)加工中專設一道锪鉸工序。但是，撤下組合機床對中心氣道孔口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備，不利于發(fā)揮組合機床工序集中、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床上同時完成鉆、锪孔加工。考慮到使用部門的要求和切削加工效果，我們決定選擇鉆、锪孔同時進行。

為了使主軸箱實孔最小軸間距為23mm，并保證結構可靠、工作穩(wěn)定，我們根據我國組合機床的設計方法，對主軸箱傳動結構進行了必要的改進和創(chuàng)新，該設計方案在實際生產使用中經受了檢驗，其主軸箱傳動結構設計如圖3所示。

圖3主軸箱傳動結構圖

該主軸箱設計具有以下特點：

(1)傳動方案緊湊。為了在較小的空間內實現結構傳動，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，我們認為采用這種傳動方案是可行的。

(2)為了實現較小軸間距，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?我們考慮在組合機床剛性主軸箱設計時推薦L/a＝1．5～2，但是由于結構原因，我們采用非剛性主軸設計，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，這一直為設計部門感到為難。我們研究認為，目前國內外軸承工業(yè)通過近年來的努力發(fā)展，已經開發(fā)研制出高性能的超精系列結構軸承，可以滿足機床的需要。而在鉆孔加工中，機床主軸主要承受軸向切削力，其徑向力不大。我們通過對國內外軸承結構、性能、價格比較，選擇了國產1000902超輕系列徑向滾珠軸承，其外徑D＝28、寬度B＝7，結構緊湊，工作性能好。

(4)在結構空間受限的情況下，為了提高主軸、傳動軸的剛度，在結構上將主軸、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，其余主軸軸徑取標準主軸φ15，傳動軸取標準φ20。

(5)主軸箱與動力箱動力傳遞取聯軸器傳動。按國內資料推薦，一般設一級齒輪聯接傳動，為了改善受力和實現傳動方案，我們借鑒國外的經驗，取聯軸器傳動形式。這樣，不但傳動安裝方便、減振，而且還改善了擔任傳動的锪鉸主軸的受力。因為如果采用傳統齒輪傳動方式，锪鉸軸工作相當于一懸臂梁，不但受扭力M，而且還受徑力P的作用，如圖4a所示。#p#分頁標題#e#

圖4主軸受力模型

而采用聯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)提高齒輪的結構強度。由于受空間結構及標準模數、齒數的限制，齒輪結構空間有限，我們取齒輪模數為1.5或2，齒數取大于17。同時適當加大齒輪寬度，并將傳遞扭力的平鍵移放到齒廓后端，如圖5所示結構，以提高齒輪的結構強度。

圖5主軸用齒輪