【文章內(nèi)容簡介】 在兩個中間支撐板處，優(yōu)化時考慮增加支撐板厚度，以降低振幅。其次的振幅出現(xiàn)在第12階模態(tài)里，也出現(xiàn)在第一個支撐板和箱體側(cè)面上。綜上，通過對15階固有頻率、固有振型以及各階總變形我們得到：箱體的內(nèi)支撐板的變形量最大，需要引起重視；其次是箱體的側(cè)壁在5階以后發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中需要考慮。 C6150主軸箱模態(tài)分析小結(jié)通過ANSYS軟件采用有限元分析方法，對主軸箱箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，獲得了主軸箱箱體結(jié)構(gòu)的前15階固有頻率和振型，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計作了準(zhǔn)備。通過對振型的分析，找到了箱體的薄弱環(huán)節(jié)和應(yīng)該改進(jìn)的地方，以此來改進(jìn)箱體結(jié)構(gòu)減小加工過程中箱體的振動，提高機床的加工精度和零件的加工質(zhì)量。 車床主軸箱體優(yōu)化 改進(jìn)方案通過箱體的各階陣型的分析可知，前3階陣型為平面內(nèi)的整體轉(zhuǎn)動；4階、11階及14階、15階振型主要表現(xiàn)為支撐板的左右擺動，在加工過程中，箱體內(nèi)支撐板的明顯擺動會影響主軸的直線度和齒輪嚙合時傳動的穩(wěn)定性，導(dǎo)致加工零件半徑等尺寸精度降低，因此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計； 5階后箱體出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，需要引起足夠的注意，因為箱體的扭轉(zhuǎn)則會引起箱體的變形，進(jìn)而引起主軸等箱體內(nèi)其它軸的變形，同時由箱體引起的振動會導(dǎo)致加工表面的振動，使表面粗糙度增大；箱體的扭轉(zhuǎn)會影響箱內(nèi)齒輪的嚙合，影響傳動的穩(wěn)定性高，也會嚴(yán)重影響箱體主軸相對箱體的位置精度，會導(dǎo)致零件的加工半徑不一致，這些進(jìn)而都會影響加工精度；而且箱體的變形還會使工件和刀具之間產(chǎn)生相對位移，影響正常的運動軌跡，這樣就影響了零件的加工表面質(zhì)量。8到15階表現(xiàn)出箱體底面、側(cè)面和側(cè)面都有劇烈的振動，可以通過增加箱體側(cè)面等的厚度來提高，或者在箱體內(nèi)加內(nèi)筋，以提高箱體的剛度。綜上可得：對于前幾階出現(xiàn)的箱體的平動和轉(zhuǎn)動，可通過在右側(cè)箱體底面增加螺栓以加強主軸箱與床身的穩(wěn)定，保證主軸箱在車床上的位置。對于第6階出現(xiàn)的箱體內(nèi)支撐板的擺動在設(shè)計時應(yīng)考慮增加支撐板的厚度。對于第7階以后出現(xiàn)的明顯的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可通過增加內(nèi)筋和箱體側(cè)壁的厚度來提高振動特性。 改進(jìn)后結(jié)果 圖10 優(yōu)化后的箱體圖形優(yōu)化后的各階總變形如下圖： 1階總變形 2階總變形 3階總變形 4階總變形 5階總變形 6階總變形 7階總變形 8階總變形 9階總變形 10階總變形 11階總變形 12階總變形 13階總變形 14階總變形15階總變形圖11 優(yōu)化后的各階總變形通過分析優(yōu)化后箱體的振型及各階總變形可得：，所以箱體的整體變形量有所改善且各階振型中的最大變形量均有所減小。對于第4階和第6階出現(xiàn)的箱體內(nèi)支撐板的嚴(yán)重變形，在優(yōu)化后變形量減小了；其次5階后箱體出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)變形也有所改善；對于扭轉(zhuǎn)變形最厲害的7階，在優(yōu)化后，箱體側(cè)壁的變形量明顯減小，且扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象有所減弱。對于優(yōu)化后的箱體更有利于減小箱體振動，提高加工精度和零件質(zhì)量。3 C6150主軸箱體的加工工藝設(shè)計 主軸箱箱體的機構(gòu)特點及技術(shù)條件分析車床主軸箱箱體是車床幾個箱體中精度要求最高的一個，它的加工質(zhì)量，對機床的工作精度和工作性能，對裝配勞動量都有很大的影響；它又是主軸箱部件裝配中的一個基礎(chǔ)件，因此主軸箱箱體的加工質(zhì)量就成為車床制造中很重要的一個環(huán)節(jié)。主軸箱體上有與床身導(dǎo)軌面結(jié)合的平面、裝手柄的平面及其他平面，以及一些孔系和端面。大多數(shù)箱體內(nèi)部還有隔板，而且體積小，在一般情況下它的剛性是比較高的。下圖為C6150箱體的簡圖，主要技術(shù)條件有：（1）軸孔精度 軸孔的尺寸精度和形狀精度對軸承的配合質(zhì)量有很大的關(guān)系，因而也對軸的回轉(zhuǎn)精度、傳動平穩(wěn)性、噪聲、軸承壽命有重大影響。主軸箱體軸孔的公差、粗糙度、形狀精度都要求很高，尤其以主軸孔要求最高。其尺寸精度公差為6級，其余軸孔為標(biāo)準(zhǔn)公差67級。軸孔的形狀精度，凡未作特殊規(guī)定的，一般在其尺寸公差范圍之內(nèi)，對主軸孔常常單獨規(guī)定圓度和素線平行度的公差，一般不超過孔徑尺寸公差之半。如：軸線IVIV上的主軸孔Φ140JΦ160J（2）軸孔的位置精度 同一軸心線上的軸孔的同軸度和端面對軸心線的垂直度誤差，會使軸承歪斜，影響軸的回轉(zhuǎn)精度和軸承的壽命。軸心線間的平行度誤差會影響軸上的齒輪的嚙合質(zhì)量。軸心線之間的距離偏差對漸開線齒輪來講影響較小，但要防止距離過小，使齒輪嚙合時沒有齒側(cè)間隙，甚至咬死。此車床主軸箱箱體通過地面D和導(dǎo)軌面F和床身連接，是主軸箱體零件的裝配基準(zhǔn)，它們決定了主軸軸心線對床身導(dǎo)軌的位置關(guān)系。主軸軸心線對裝配基準(zhǔn)的距離偏差和平行度誤差，與裝配時的刮研勞動量有關(guān)，零件圖中規(guī)定：1）1軸軸孔的軸線對基準(zhǔn)K、。2）D軸軸孔的軸線對基準(zhǔn) ；。3）Ⅲ；。4）Ⅳ；Ⅳ。5）Ⅳ。6）Ⅳ。7）Ⅳ軸軸孔的軸線對基準(zhǔn) 。8）V軸軸孔的軸線對基準(zhǔn)Q、。9）Ⅵ。（3）平面度精度 裝配基面的平面度不但影響主軸箱與車床的接觸質(zhì)量，而且在加工過程中作為定位基面時更直接影響軸孔的加工精度。因此規(guī)定底面D和導(dǎo)向面E必須平直，并采用涂色法檢驗它們和標(biāo)準(zhǔn)平面的接觸面積，另外還規(guī)定了D面和F面的垂直度公差。對于主軸箱的頂面 B也有平面度的要求。這里有兩種情況：一種情況是頂面的平行度只是為了保證頂面和主軸箱蓋的密封性，以防止在工作時潤滑油漏出；另一種情況是在加工過程中以頂面作為統(tǒng)一基準(zhǔn)，這時對頂面的平行度的要求就更高一些。 （4）表面粗糙度 主軸孔的粗糙度Ra≤，其余軸孔的粗糙度Ra≤，裝配基面和定位表面的粗糙度Ra≤（刮研加工），其他平面的粗糙度Ra≤?？梢姡鬏S箱箱體的主要加工表面是平面和孔。由于箱體的尺寸不大、剛性較好，所以平面加工一般沒有困難。只是由于要求盡可能減少裝配時的刮研勞動量，因此對平面加工的精度和粗糙度要求較高。在加工軸孔時，因為刀具和輔助工具的尺寸受到孔徑尺寸的限制，不能過大，因而容易變形，影響加工質(zhì)量。而且箱體內(nèi)的隔板上也有精度要求高的孔。在加工這些孔時，要求刀具懸伸更長，因此刀桿更容易變形，精度更難保證。此外，任何軸孔的加工不但要保證軸孔本身的精度和同軸度，而且還要照顧它和其他軸孔或平面的位置精度。所有這些情況都說明孔系加工比較不容易達(dá)到精度，這就是主軸箱箱體加工中的關(guān)鍵。C6150主軸箱體零件圖如下圖所示：圖12 C6150主軸箱體零件圖圖13 C6150車床主軸箱箱體展開圖 毛坯分析零件材料為HT200鑄件。根據(jù)制造廠現(xiàn)有的毛坯生產(chǎn)條件和主軸箱箱體零件屬中批生產(chǎn)類型的生產(chǎn)綱領(lǐng)，因而采用鑄造的方法生產(chǎn)毛坯。這種方法獲得的毛坯精度較低，尤其是孔的形狀精度和位置精度。選擇粗基準(zhǔn)時，應(yīng)特別注意加工表面上的余量分配以及與不加表面的位置和尺寸要求。并且，還必須注意合理安排消除毛坯內(nèi)應(yīng)力的熱處理工序。對于毛坯的尺寸，根據(jù)各加工工序所留余量來確定。 定位基面的選擇和加工順序的安排主軸箱箱體孔系加工的要求高，需要經(jīng)過多次安裝，所以有可能也有必要采用面積分布較大的平面作為統(tǒng)一基準(zhǔn)，通常有兩種不同的考慮：（1）用底面D及導(dǎo)向面E作為統(tǒng)一基準(zhǔn)。這樣，定位基面與裝配基面（設(shè)計基面）相重合，避免了基準(zhǔn)不重合誤差；箱體的頂面開口向上，也便于在加工過程中測量孔徑，安裝、調(diào)整刀具和觀察加工情況。一般情況下都采用這種方法。但是由于箱體的內(nèi)部隔板上也有精度要求高的軸孔，在加工這些孔時，會因刀桿伸出過長，易于彎曲變形，不能保證軸孔的加工精度，這時就必須在箱體內(nèi)加中間支撐，因此中間支撐只能從箱體頂面的開口處伸入箱體內(nèi)。每加工一個工件，吊模就要裝拆一次。這種活動結(jié)構(gòu)鏜模加工精度，當(dāng)然要比固定結(jié)構(gòu)鏜模的加工精度要低一些，且需要裝卸吊模的輔助時間。（2）在大批量生產(chǎn)時，可采用頂面和兩銷孔作為統(tǒng)一基準(zhǔn)，鏜孔用的中間支撐固定在夾具底板上。這樣，上述加工精度低和輔助時間長的問題就解決了。但這種定位方法在加工過程中無法觀察加工情況、測量孔徑和調(diào)整刀具，因而要求采用定尺寸刀具直接保證孔的尺寸精度；因切屑全部落在鏜模底板上，在裝卸工件時必須注意清除切屑，以避免影響定位精度；還必須提高作為定位面的頂面的加工精度，其中兩個定位銷孔或是額外加工或是把原有的孔的加工精度提高。現(xiàn)若根據(jù)工廠生產(chǎn)經(jīng)驗和對上述兩種方案所需工藝成本的估算，采用第（1）中方案比較經(jīng)濟(jì)合理。選擇主軸箱箱體加工的粗基準(zhǔn)時應(yīng)考慮的問題主要是：1）主軸孔是該箱體中要求最高的孔，粗基準(zhǔn)的選擇應(yīng)保證主軸孔的加工余量均勻，孔壁厚薄均勻。2）保證所有軸孔都有適當(dāng)?shù)募庸び嗔亢瓦m當(dāng)?shù)目妆诤穸?，保證底面和導(dǎo)向面有足夠的加工余量。3）保證箱體內(nèi)壁與裝配時的裝入零件（主要是齒輪）有足夠的間隙。由于該箱體零件又是形狀復(fù)雜、尺寸較大的鑄件，所有成批生產(chǎn)條件下粗加工時利用劃線找正容易解決上述問題，也就是要以主軸孔及其軸心線為粗基準(zhǔn)進(jìn)行劃線。結(jié)合粗、精基準(zhǔn)面的選擇，箱體類零件的加工順序總是先加工平面后加工孔系，先加工主要表面后加工次要表面，并提高作為精基準(zhǔn)的D面和E面的加工精度。 加工方法的選擇箱體上各種表面的加工方法和加工方案，在成批生產(chǎn)條件下通常有：平面加工可用粗刨精刨方案或粗銑精銑方案或粗銑磨（也可分為粗磨和精磨）方案等；主軸孔和其余軸孔的加工可用粗鏜精鏜（還可分為幾個工步完成）方案或粗鏜半精鏜精鏜的方案等。根據(jù)工廠生產(chǎn)經(jīng)驗和車間加工設(shè)備情況，決定加工一般平面用粗銑精銑，定位用的統(tǒng)一基準(zhǔn)（D面和E面）用粗銑半精銑粗磨精磨方案，以達(dá)到高的生產(chǎn)效率和高的定位精度。孔系加工決定采用粗鏜半精鏜精鏜方案，由于主軸孔的加工精度和表面粗糙度的要求比其余軸孔還要高，所以決定用粗鏜半精鏜精鏜浮動鏜方案，即以浮動鏜作為軸孔的終加工工序。如果主軸孔也用鉸刀鉸削，則鉸刀尺寸過大，制造費用和刃磨費用昂貴，勞動強度大，所以目前用的很少。若用通常的單刃鏜刀鏜孔，其加工精度不易達(dá)到主軸孔的技術(shù)要求。浮動鏜刀鏜高精度孔比用鉸刀鉸孔和單刃鏜刀鏜孔都有利于保證高尺寸精度和低表面粗糙度，所以浮動鏜是機床制造廠用的較多的一種方法，即把浮動鏜刀塊安裝在鏜桿的長方形孔中，不作緊固，使它能在長方形孔中浮動，鏜刀塊就在鏜桿的方孔中按孔的加工余量自動定心，并進(jìn)行切削和生產(chǎn)擠壓作用。這種加工方法，刀塊的浮動作用，就只能憑尺寸精度很高的鏜刀塊來提高孔的尺寸精度和降低表面粗糙度，而沒有糾正形狀和位置誤差的能力。為了達(dá)到零件圖對孔系精度的要求，除了選擇底面D和導(dǎo)向面E作為統(tǒng)一基面外；精鏜是保障這種位置精度的關(guān)鍵工序，所以采用專用鏜模，使孔系的位置精度只取決于這種鏜模和鏜桿的制造精度，這樣，就可以利用制造精度一般而生產(chǎn)效率高的組合機床來完成精鏜孔系的工序。 熱處理工序的安排熱處理工序在C6150主軸箱加工工藝設(shè)計過程中占有很重要的地位，因為主軸箱箱體是加工要求較高的基準(zhǔn)件，又是形狀復(fù)雜的鑄件，必須消除內(nèi)應(yīng)力，所以應(yīng)合理安排時效處理工序，一般精度的機床鑄件可以采用自然失效和人工時效兩種方式，此處就容許主軸箱箱體在粗加工前即在毛坯鑄造后進(jìn)行人工時效，消除鑄件內(nèi)應(yīng)力。為了進(jìn)一步消除粗加工后的內(nèi)應(yīng)力，故將粗、精加工分開，并在粗加工以后和精加工以前，把工件存放一段時間，使之產(chǎn)生自然失效的作用，以利于保證精加工的質(zhì)量。 加工工藝過程的擬定經(jīng)過上