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机床主轴拉刀机构的优化解决方案
 
更新时间:2010.12.03 浏览次数:
 

在不断增长的竞争压力下,现代化机床的生产效率和加工精度的要求被不断提高,主轴的转动越来越快,主轴的高速化是目前精密机械的发展趋势,同时机床的稳定性和使用寿命也相应的变得越来越重要,这些变化直接导致了对机床组件要求的提高。作为主轴关键部件的碟形弹簧组,它的合理选型及装配可以提高机床的使用效率,减少主轴的维修频率.碟形弹簧具有小变形大承载力的特点,主轴拉刀机构采用碟形弹簧提供拉刀力,有效地解决了刀具转动过程中夹具系统夹持力不足的缺点。从国内主轴维修的现状来看,碟形弹簧失效主要表现为断裂和破碎,也就是说,在碟形弹簧未达到其设计的疲劳寿命时,弹簧已出现开裂或断裂现象。究其原因,主要有下述几个方面:

1. 原材料选取

    按照新版碟形弹簧国家标准 GB1972 – 2005,碟簧材料可以选择 60Si2Mn 或 50CrV4。从原材料特性来看,硅锰钢系列材料中的硅能固溶于铁素体和奥氏体中,可提高钢的硬度、强度、弹性极限、屈强比和疲劳强度,还能提高材料的回火稳定性和抗氧化性;锰能提高材料的淬透性。但硅含量容易产生石墨化现象和增加表面脱碳倾向,并在钢种易生成硅酸盐夹杂物,该夹杂物在晶界析出,易导致淬火开裂现象。即便淬火过程中没有出现开裂,其开裂倾向也会在弹簧加载过程中逐渐放大,导致弹簧寿命降低,最终失效原因为开裂或碎裂。50CrV4中铬和钒能提高钢的韧性、强度和弹性极限,降低钢的过热敏感性和脱碳倾向,从而改善了碟簧表面质量,提高材料的疲劳强度。其淬透性也比硅锰钢要好。此外铬钒钢回火稳定性较高,500℃ - 550℃回火后仍有较高的强度和弹性极限,工作环境允许达200℃。因此,铬锰钢是碟形弹簧材料的首选钢种,也是 DIN2093标准规定的标准原材料。作为大型碟形弹簧生产厂德国Mubea公司原材料的冷轧和热处理是在公司内进行的,这样最大可能的保证了原材料质量.

2. 加工精度

    随着转数的提高碟形弹簧的加工精度直接影响主轴的稳定性和使用寿命.过大的弹簧内径造成主轴高速转动时弹簧过多的向外滑动(如图),由此形成的离心力 (F=mω2r) 相应变大,轴承和主轴的负担加重.较小的平面度和平行度保证弹簧组内单片弹簧受力均匀,弹簧横向位移变小,弹簧组的垂直性更好.对于碟形弹簧在主轴拉刀机构的应用Mubea公司专门开发了高精度碟形弹簧.通过它的特殊边缘结构导向杆和弹簧之间的摩擦被降低, 弹簧疲劳寿命也相应增加.

3. 喷丸处理

    碟形弹簧为中空的锥形环片,由于其特殊的形状,加工过程中弹簧上下表面具有不同的应力状态。通常来讲,上表面为压应力状态,下表面为拉应力状态。按照 DIN 2093 标准和中国国家标准要求,承受动态载荷的碟形弹簧必须进行喷丸处理以改变弹簧表面的应力状态,使弹簧下表面残余应力为压应力状态,以提高碟形弹簧的疲劳寿命。因此,成品碟形弹簧不允许进行任何的后续机械加工。目前,国内主轴维修时经常遇到购买的标准型号碟形弹簧尺寸不能满足主轴安装空间的要求,因而维修商甚至是制造商会对弹簧进行后续的车削或磨削加工。这种额外的机械加工严重改变了碟形弹簧表面或者是内外径边缘处的应力状态,从而导致应力集中,造成弹簧开裂。几乎所有的慕贝尔碟形弹簧都在工厂内经过喷丸处理,从而使产品具有高出DIN2093规定的疲劳寿命.

4. 装配

   作为一种相对较新的弹簧形式,碟形弹簧的特性和装配要求还不太为国内机床行业的客户所熟知。我们在帮助客户做选型工作的时候,通常会提醒客户在装配过程中注意以下问题:

A- 碟形弹簧组装配时,弹簧组两端要保证弹簧外径(而不是内径)与安装空间附件相接触,

如受设计要求所限,至少要保证受力端是弹簧外径与安装空间附件相接触。

B- 导向杆或导向套与弹簧组间保留一定间隙,具体要求请参照Mubea碟形弹簧手册第50页图

3.20和表3.2,也可查询DIN2093标准或中国国家标准GB1972–2005。

C- 导向件导向表面以及与碟形弹簧组两端相接触的安装空间附件表面须做硬化和抛光处理,

表面硬度不小于55HRC,表面粗糙度Ra<3.2。

D- 安装于主轴内的碟形弹簧组随主轴高速旋转,越靠近弹簧组中间部位的单片弹簧,由于受

离心力的作用,就越容易偏离弹簧组轴线位置。主轴长度越大,弹簧组总高度也越大,这种现象也越为明显,这也是导致主轴产生振动的关键原因之一。我们建议按照下面的公式来选择弹簧组的高度:L0 ≤ 3De

其中:L0 – 弹簧组高度

      De – 碟形弹簧外径

   如受主轴行程和推拉刀载荷的限制,弹簧组高度无法满足上式要求的话,建议在弹簧组中间增加垫片,使垫片间的弹簧组高度满足上式要求,垫片表面处理与导向件相同。

   虽然影响主轴精度和寿命的因素有很多,但从其维修工作的现状来看,碟形弹簧的更换工作仍占有相当大的比重,这也从另外一个侧面反映了主轴制造过程中和国外厂家相比关于碟形弹簧组的设计选型和装配工作仍亟待进一步的完善和提高.

    德国Mubea公司1960年在Daaden建立工厂,到目前为止已有近五十年的碟形弹簧研发和生产经验。从原材料冷轧开始,全部产品的生产都是严格按照DIN2093标准的要求自主进行。此外,所有模具的开发、制造和维护也均是在工厂内部完成。Mubea装备精良的实验室可以按照客户的要求进行各种性能测试。我们高素质的工程师团队始终致力于利用新技术、创新方法和创造力来为每个弹簧的应用领域,也包括为您找到最优的解决方案。

 
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