CK8330數(shù)控輪對滾光車床研究開發(fā)

郭章信

(安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司，河南安陽 455000)

鐵路機(jī)車輪軸軸頸在使用一定時(shí)間后必須進(jìn)行檢修，更換軸承，以延長車軸的使用壽命，國內(nèi)機(jī)車定期檢修的市場很大。不僅如此，鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，也迫使機(jī)車輪軸軸頸的加工及維修技術(shù)不斷發(fā)展。目前國內(nèi)幾家大的鐵路維修企業(yè)正在使用的機(jī)車輪軸軸頸加工設(shè)備是上世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)進(jìn)口的普通機(jī)床，加工適用機(jī)車輪軸軸頸規(guī)格范圍單一，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操縱不便，效率較低。針對以上情況，根據(jù)鐵路行業(yè)對機(jī)車輪軸軸頸的加工要求，以新的設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)，利用新技術(shù)開發(fā)了高自動(dòng)化、高效率、高精度的適用加工范圍寬的數(shù)控專用機(jī)床。該機(jī)床在加工時(shí)不用拆卸車輪、剎車盤等，尤其方便作為維修輪對車軸使用。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)方案

如圖1所示，機(jī)床主要由雙床鞍、雙刀架、雙尾座、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、剎車機(jī)構(gòu)、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工件托起裝置及電氣液壓部分組成。每套刀架在X向、Z向2個(gè)方向上由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給，機(jī)床配置剎車機(jī)構(gòu)，主軸驅(qū)動(dòng)為皮帶傳動(dòng)并由壓帶輪壓緊。

機(jī)床配置左右2個(gè)尾座，采用頂尖頂緊方式把工件支撐于兩尾座之間。機(jī)床配置有工件托起裝置，液壓驅(qū)動(dòng)，點(diǎn)動(dòng)升降，方便工件裝卸。機(jī)床利用變頻電動(dòng)機(jī)配雙速齒輪變速箱實(shí)現(xiàn)調(diào)速，檔內(nèi)變頻調(diào)速，變速箱固定于機(jī)床后部。采用平皮帶傳動(dòng)，皮帶一端掛在車輪上，一端掛在帶輪上，使用液壓驅(qū)動(dòng)壓緊及抬起壓帶輪，靠液壓驅(qū)動(dòng)剎車塊進(jìn)行剎車，減少停車時(shí)間。

機(jī)床采用雙數(shù)控系統(tǒng)，每套系統(tǒng)配X向、Z向雙軸伺服驅(qū)動(dòng)，左右對稱配置。機(jī)床橫向進(jìn)給采用伺服驅(qū)動(dòng)及手動(dòng)2種功能。整機(jī)在左右兩端采用雙床鞍、雙滑板、雙刀架結(jié)構(gòu)，兩端可獨(dú)立進(jìn)行操作進(jìn)行加工;每一個(gè)床鞍上又分為前后雙滑板結(jié)構(gòu)，后滑板固定滾珠絲杠一端，前滑板上固定絲杠螺母，絲杠與電動(dòng)機(jī)可自由軸向移動(dòng);當(dāng)后滑板固定時(shí)，前滑板上的刀架可做車床刀架車削使用，當(dāng)前后滑板都不固定時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對工件的滾光加工，兩個(gè)滾輪由絲杠相聯(lián)實(shí)現(xiàn)同步相向均衡滾壓。三位手柄可控制前、后滑板刀架的移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)車削與滾壓功能轉(zhuǎn)換。

前滑板分為上、下兩層，上滑板緊固時(shí)，刀架可作數(shù)控車床自動(dòng)加工;上滑板松開自由移動(dòng)時(shí)，可手動(dòng)操作加工。由于上滑板采用梯形絲杠傳動(dòng)，帶自鎖功能，因此手動(dòng)操作時(shí)安全可靠。設(shè)置自動(dòng)與手動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕方便操作。自動(dòng)滾壓時(shí)使用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使刀架Z向移動(dòng)，手動(dòng)功能時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)不進(jìn)給并鎖住滾珠絲杠進(jìn)行定位。

在X向上通過液壓調(diào)壓達(dá)到一定的壓力來滾壓工件;手動(dòng)時(shí)搖動(dòng)梯形絲杠進(jìn)給，通過手的感覺來控制滾壓壓力滾壓工件。滾壓壓力可調(diào)整大小，由壓力記錄儀顯示并可貯存數(shù)據(jù)，并可由打印機(jī)打印數(shù)據(jù)。

數(shù)控系統(tǒng)左右對稱分置，在床身上左右配置方便操作的按鈕。在操縱面板上布置不同功能的按鈕，包括手動(dòng)/自動(dòng)功能的選擇按鈕等。

2 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3 工藝過程

用天車把工件吊運(yùn)到機(jī)床前，放置在支撐架上。支撐架設(shè)計(jì)為2個(gè)，并能夠調(diào)整兩支撐架之間間距，以適應(yīng)對不同工件的支撐安裝;對于規(guī)格不同的工件，支撐架可手動(dòng)調(diào)整高低不同位置并最終靠液壓支撐托起到安裝位置高度。根據(jù)工件長度，手動(dòng)調(diào)整兩尾座位置，調(diào)整好與工件車輪對應(yīng)的皮帶輪位置，然后固定尾座。啟動(dòng)液壓油缸，升起工件，手動(dòng)搖動(dòng)尾座頂尖，頂緊工件。在安裝工件時(shí)把皮帶套入工件車輪上，頂緊工件后啟動(dòng)按鈕降下支撐架。掛好皮帶，按下壓帶按鈕，通過液壓驅(qū)動(dòng)壓帶輪壓緊皮帶。

表1 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

通過車削、滾壓轉(zhuǎn)換手柄選擇加工方式，通過工件的軸端或利用對刀輔具通過軸肩精確對刀，進(jìn)行坐標(biāo)定位，記入系統(tǒng)內(nèi)。滾輪上有明確的對刀點(diǎn)與工件對刀面對應(yīng)，使得易于對刀，不易出錯(cuò)。車削時(shí)可手動(dòng)利用成形刀加工帶R軸肩及直軸，或者程序控制用外圓車刀一次性加工帶R的軸肩及直軸。滾壓時(shí)也分為手動(dòng)及程控自動(dòng)2種方式。自動(dòng)方式下調(diào)整好合適壓力，利用合適的滾輪沿軸肩向外端進(jìn)行滾壓，壓力可通過記錄儀示出并可貯存數(shù)據(jù)以供打印。手動(dòng)方式下，滾壓壓力可通過液壓站供壓或手動(dòng)調(diào)整供壓，然后手搖動(dòng)手輪進(jìn)給滾壓。

加工完畢后，移開刀架或滾輪，通過按鈕或程序控制，使工件停轉(zhuǎn)剎車，支撐架升起。手動(dòng)搖開頂尖，卸下皮帶，支撐架支撐著工件降下，起吊工件放在合適場地。機(jī)床左右配置2套數(shù)控系統(tǒng)，其中一套控制工件轉(zhuǎn)速。2套系統(tǒng)可獨(dú)立操縱實(shí)現(xiàn)進(jìn)給加工。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 一體化的無級調(diào)速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于所加工工件結(jié)構(gòu)的特殊性以及要滿足對工件一次裝夾進(jìn)行車削與滾壓兩端軸頸的要求，工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)無法像正常的車床那樣靠卡盤裝卡由主軸帶動(dòng)而實(shí)現(xiàn)，因此對主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的難度。本機(jī)床根據(jù)加工工件特點(diǎn)，經(jīng)分析摩擦輪傳動(dòng)與皮帶傳動(dòng)的優(yōu)劣，最終選擇了皮帶傳動(dòng)，并仔細(xì)分析了工件車輪的圓柱面與錐面復(fù)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對皮帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)了良好的壓帶裝置及擋帶裝置，實(shí)現(xiàn)了在較高轉(zhuǎn)速下工件運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。主傳動(dòng)系統(tǒng)只能放置于機(jī)床后部，為使主傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)床主體聯(lián)接在一起成一體化結(jié)構(gòu)，采用變頻電動(dòng)機(jī)與雙速減速器組合使用，結(jié)構(gòu)緊湊，無級調(diào)速，完全程控，勿需手動(dòng)變檔，大大提高了機(jī)床自動(dòng)化程度，提高了加工效率。

4.2 符合加工工藝特點(diǎn)的高精度特殊床身導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

圖2所示為用戶提供的一種典型工件軸頸結(jié)構(gòu)，對安裝軸承直徑為130 mm的軸頸，要求不允許出現(xiàn)倒錐，最好出現(xiàn)如圖示向里的正錐。為方便手動(dòng)滾壓及車削加工，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)刀時(shí)能夠避免出現(xiàn)倒錐。另外加工工件各種各樣，長短不一，軌距及輪子直徑也不同，機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這些情況，以便能夠適應(yīng)各種規(guī)格、各種類型工件的加工。

本機(jī)床根據(jù)目前市場上出現(xiàn)的各種工件結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)了符合加工工藝特點(diǎn)的高精度特殊床身導(dǎo)軌。床身設(shè)計(jì)為整體床身，山形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。床身前后側(cè)面在必要部位安裝齒條，使尾座、工件支撐架可通過手搖在床身上移動(dòng)。床身導(dǎo)軌分為小山形及大山形2個(gè)，小山形導(dǎo)軌通長，大山形導(dǎo)軌分布于床身兩端，中間不連續(xù);且自床身兩端向中間方向，大小山形導(dǎo)軌在水平面內(nèi)間距逐漸增大，即尾座導(dǎo)軌與床鞍導(dǎo)軌保持一微小角度，在加工時(shí)可以方便可靠地保證機(jī)車輪軸軸頸所需達(dá)到的微小錐度要求，避免倒錐的出現(xiàn)。

4.3 特殊功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)床橫向進(jìn)給采用伺服驅(qū)動(dòng)及手動(dòng)2種功能。整機(jī)在左右兩端采用雙床鞍、雙滑板、雙刀架結(jié)構(gòu)，兩端可獨(dú)立進(jìn)行操作加工;每一個(gè)床鞍上又分為前后雙滑板結(jié)構(gòu)，后滑板固定滾珠絲杠一端，前滑板上固定絲杠螺母，絲杠與電動(dòng)機(jī)可自由軸向移動(dòng);當(dāng)后滑板固定時(shí)，前滑板上的刀架可做車床刀架車削使用，當(dāng)前后滑板都不固定時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對工件的滾光加工，兩個(gè)滾輪由絲杠相聯(lián)實(shí)現(xiàn)同步相向均衡滾壓。三位手柄可控制前、后滑板刀架的移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)車削與滾壓功能轉(zhuǎn)換。

前滑板分為上、下兩層，上滑板緊固時(shí)，刀架可作數(shù)控車床自動(dòng)加工;上滑板松開自由移動(dòng)時(shí)，可手動(dòng)操作加工。由于上滑板采用梯形絲杠傳動(dòng)，帶自鎖功能，因此手動(dòng)操作時(shí)安全可靠。設(shè)置自動(dòng)與手動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕方便操作。

自動(dòng)滾壓時(shí)使用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使刀架Z向移動(dòng)，手動(dòng)功能時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)不進(jìn)給并鎖住滾珠絲杠進(jìn)行定位。

在X向上通過液壓調(diào)壓達(dá)到一定的壓力來滾壓工件;手動(dòng)時(shí)搖動(dòng)梯形絲杠進(jìn)給，通過手的感覺來控制滾壓壓力滾壓工件。

4.4 特殊功能部件設(shè)計(jì)

(1)進(jìn)給機(jī)構(gòu)

采用左、右2套數(shù)控系統(tǒng)各自獨(dú)立進(jìn)行控制，左邊可以控制主軸轉(zhuǎn)速，而右邊不控制主軸轉(zhuǎn)速;每套系統(tǒng)均可控制X向、Z向2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)軸，左右對稱配置，可以針對不同加工參數(shù)的工件分別編程加工。

(2)壓力調(diào)整及顯示系統(tǒng)

在滾壓時(shí)可以針對不同滾壓要求的工件，調(diào)整滾壓壓力大小，滾壓壓力由壓力記錄儀顯示并可貯存數(shù)據(jù)，通過打印機(jī)打印出相關(guān)數(shù)據(jù)。

(3)升降機(jī)構(gòu)

對輔助裝卸直徑不同的工件可采用相應(yīng)型號(hào)的V形鐵支撐，支撐墊與支撐部位軸的錐度結(jié)構(gòu)或圓柱結(jié)構(gòu)相匹配，并通過矩形螺紋絲桿結(jié)構(gòu)調(diào)整裝卸高度，用液壓定行程油缸支承工件升降以輔助裝卸。由于工件中間軸上安裝了一個(gè)或多個(gè)剎車盤或其它結(jié)構(gòu)，因此支撐架設(shè)計(jì)為2個(gè)，支撐架底座可通過手輪搖動(dòng)在床身上移動(dòng)位置，通過壓板螺栓固定，間距縱向可調(diào)，以適應(yīng)對不同結(jié)構(gòu)的工件進(jìn)行裝卸。支撐架還可以全部拆下，以利于帶齒輪箱工件的輪對的加工。

(4)尾座

尾座是用來支撐安裝工件的，由于工件較重，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用了與車床主軸相同的結(jié)構(gòu)，為可旋轉(zhuǎn)尾座，尾座可整體在導(dǎo)軌上進(jìn)行位置調(diào)整，螺栓固定壓緊，并有止退機(jī)構(gòu)頂緊在床身上，使尾座固定牢固可靠。對于不同長度的工件，可以通過調(diào)整套筒伸出長度或者通過整體移動(dòng)尾座在床身上的位置以達(dá)到合適的安裝要求。

5 結(jié)語

該機(jī)床開發(fā)完成后已申報(bào)并獲得了國家專利。通過用戶驗(yàn)收使用表明，針對用戶給出的十幾種產(chǎn)品種類規(guī)格，使用本機(jī)床可完全達(dá)到加工要求。