砂轮主轴轴系模块化设计分析

陈益军

（上海机床厂有限公司 上海200093）

砂轮主轴轴系集合了轴承、主轴、砂轮法兰、体壳、皮带轮等结构零件为一体，同时和主机大类还存在一定的逻辑关系，如双层带U轴的静压轴系，主要应用于轧辊磨床。通过建立一定的轴系和主机的对应关系后，再根据砂轮架刚性、回转精度、效率等方面的要求，确定砂轮轴系结构采用的形式，早期采用如图1的整体式较多，目前根据产品结构的需要向箱体式发展如图2所示。这样就对模块化的设计要求越来越高，从轴系结构、砂轮架防护等方面逐步实现砂轮架整体的模块化设计。

图1 整体式砂轮轴系

图2 箱体式砂轮轴系

1 砂轮轴系数据梳理

砂轮架主轴轴系主要有静压、动静压和滚动轴承三种轴系，目前高精密的砂轮架主轴轴系均采用静压和动静压轴承，依托已积淀的独特设计、加工制造和装配工艺技术方法，对现有产品采用的轴系进行梳理，重新确定轴系的发展方向，改变目前品种繁多的现象，确定高回转精度、高刚性的静压和动静压砂轮架主轴轴系目标。

传统的砂轮架主轴轴系为了适应不同客户大批量生产需求，主要以专机的形式设计而出，常常同一主轴轴径下又各有不同的结构特点，互换性较差。

以直径Φ100 mm砂轮主轴轴系为例，表1统计了19种型号7大类产品关键结构尺寸，以轴承间距400 mm箱体式设计（如图3）为基础，重新调整工艺条件、加工经济性、结构互换性等因素。

表1 轴径100mm静压轴系主要结构参数 (mm)

接上表

图3 轴承间距 400 mm砂轮主轴轴系

2 砂轮轴系结构模块化设计

静压轴承是砂轮轴系的重点和核心，模块化设计时，首先应根据原轴系轴承的结构、磨削零件的工艺要求，提出设计计算指标，进行结构方案整合论证，选出合适的轴承类型，确定合理的轴承形式和主要尺寸计算，参数表如表2所示。

设计要求：油膜刚性 1200 N/μm(120 kg/μm)，磨削力500 N(50 kg)；

径向静压轴承计算（主轴油L-FD15，油压1.6～2.0 Mpa，转速890 r/min间隙2ℎ0=0.065～0.075 mm）。

表2 静压轴承结构参数表

同时静压轴承在进油路上，需要采用节流器作为调节元件。常用的节流器分为固定节流器和可变节流器两大类，其中毛细管节流器和小孔节流器均属于固定节流器，薄膜和滑阀反馈节流器属于可变节流器。无论采用可变节流还是固定节流，直接影响轴承的进油孔通道孔径和数量[2]。

综合以上两点的数据，整合出一款互换性较强的轴承，通过改变加工参数：

(1)油腔深度变化达到静压或动静压效应；

(2)改变进油通道孔径和数量匹配节流器类型。

对于降低系列产品加工制造成本较为明显，推进加工工艺的标准化制定，同时建立了一套完整的轴系系统。

前轴承结构图径向和端面进油方式，示意图如图4、图5所示。

图4 前轴承结构图

图5 径向和端面进油方式

3 模块化设计后主要零件加工工艺分析

3.1 砂轮轴系模块化设计

原加工工序及内容需要做一个合理的调整，这对保证装配零件质量、提高生产率、降低加工成本至关重要。加工工序的调整原则为：

（1）先加工基准面，再加工其他表面 开始安排的加工面应该是选作定位基准的精基准面，然后再以精基准定位加工其他表面。

（2）先加工主要表面，后加工次要表面 次要表面和主要表面之间往往有相互位置要求，因此一般要在主要表面达到一定的精度之后，再以主要表面定位加工次要表面。

（3）先安排粗加工工序，后安排精加工工序对于精度和表面粗糙度要求较高的零件，逐步进行粗、精加工。

3.2 主要零件加工工艺路线

（1）静压轴承的加工路线为：车→内外磨→铣油腔→热处理→内磨→研磨→外磨→配入体壳。在这条加工路线中始终以轴承内孔位作基准，粗加工安排了车，精加工安排磨和研磨，完工后两只轴承配入体壳组合研磨配间隙。

（2）体壳的加工路线：粗镗铣→烘→半精镗铣→磨底面→精镗→研磨→轴承配入再研磨两轴承孔同轴。在这条加工路线中以体壳孔为基准，粗加工安排了镗铣，精加工安排了座标镗和研磨，完工后配入两轴承研磨。

3.3 针对原加工工艺进行调整

砂轮架主轴轴系具有典型性，模块化设计后，相对原砂轮架轴系，更具有灵活性，为便于测量，保证精度，我们增加了特殊基准面，在体壳的侧面，与底面垂直（如图6所示），同时满足镗孔、铣油腔、研磨、装配等工序要求。

图6 体壳加工装配基准面

此外，考虑工序的集中与分散。工序集中使每个工序包含尽可能多的工步内容，可使夹具的数目和工件的安装次数减少；工序分散将工艺路线中的工步内容分散在更多的工序中去完成，因而工艺路线长。工序集中有利于保证各加工面间的相互位置精度要求；工序分散可使每个工序使用的设备和夹具比较简单，工序调整后如图7所示。

图7 模块化设计后加工工序调整图

结合模块化设计的加工需求，同时兼顾原加工工装和加工能力，形成了装配组合后铣削加工工艺路线，为以后系列产品模块化设计奠定了基础，促进模块化产品品质改进，降低模块化产品制造成本。

4 结语

砂轮主轴系统是磨床设计制造中的核心部件。它直接影响着磨床效率、刚性、回转精度及成本。本文基于模块化设计，重点统计了轴径100 mm系列主轴结构形式，通过轴承结构参数计算进行优化，并对加工工艺的调整，实现整个制程工艺的模块化设计，为整个磨床设计制造提供一个思路与方法。