CN103639436A - 可拆分式卧式加工中心主轴箱及制造方法 - Google Patents

Abstract

可拆分式卧式加工中心主轴箱及制造方法，该主轴箱采用分体式结构设计，其特征在于：把主轴箱与立柱连接的立面部分和主轴箱主体部分拆成两个零件；分别将箱体和滑板的接触面进行精加工，在滑板、箱体的相互接触面的长度中心部位有定位销、定位孔，所述滑板、箱体接触面的上下长边有多个螺栓用的通孔，滑板上有与箱体通孔位置对应的螺纹孔；组装时，在滑板的定位孔内安装大尺寸的定位销并用螺钉固定，在螺纹孔内拧入双头螺柱；再将箱体接触面与滑板接触面对接，定位销使滑板、箱体这两个零件调整定位，然后用双头螺柱、螺母对滑板与箱体进行固定。克服现有卧式加工中心主轴箱在零件加工难度大，安装不方便，精度调节不灵活的不足，解决现有结构带来的问题。

Description

可拆分式卧式加工中心主轴箱及制造方法

技术领域

本发明涉及机械制造，尤其体现在其主轴箱和滑板连接的方式上，一种可分拆卧式加工中心主轴箱及制造方法。

背景技术

目前，卧式加工中心主轴箱普遍采用的是一体式结构，这一结构包括有水平轴孔和垂直立面，主轴箱垂直外立面为立柱安装面，直接与机床立柱靠导轨进行连接。主轴箱这一零件的主轴孔的轴心与立柱安装面有严格的垂直度要求，主轴箱加工时两个部分是一体结构，必须一次装夹完成，水平轴孔需要进行镗削加工，转90°后，要铣削加工垂直立面，要求加工设备至少4个轴，因此零件的加工难度比较大，加工成本高。另一方面若加工精度达不到要求，安装时需要对主轴箱与立柱接触的侧面进行刮研以满足机床主轴回转中心与Z轴平行这一精度要求，因此在装配过程中非常繁琐，安装极其不方便，这也使安装工时成本上升。

发明内容

本发明的目的是提供一种可拆分式卧式加工中心主轴箱及制造方法，克服现有卧式加工中心主轴箱在零件加工难度大，安装不方便，精度调节不灵活的不足，解决现有结构带来的问题。

本发明的可拆分式卧式加工中心主轴箱，该主轴箱采用分体式结构设计，其特征在于：把主轴箱与立柱连接的立面部分和主轴箱主体部分拆成两个零件：有水平轴孔的箱体和有垂直立面的滑板，并相互垂直结合；分别将箱体和滑板的接触面进行精加工，在滑板、箱体的相互接触面的长度中心部位均有定位销孔，箱体所述接触面的上下长边有多个螺栓用的通孔，滑板上有与箱体通孔位置对应的螺纹孔；制造方法：设计组装时，在滑板的定位孔内安装大尺寸的定位销并用螺钉固定，在螺纹孔内拧入双头螺柱；再将箱体接触面与滑板接触面对接，定位销使两个零件调整定位，然后用双头螺柱、螺母对滑板与箱体进行固定。

本发明的有益效果是，可以在达到现有产品的性能的同时，降低了零件的加工难度，降低了零件的安装难度，可以方便的进行精度的调整。采用分体式结构设计，将主轴箱与立柱连接的立面分为两个零件，在两零件之间增加较大尺寸的定位销，用于两零件安装定位，同时在特殊情况下也能承受一定的剪切力，保证连接的牢固；拆分后两零件的接触平面采用精加工的方式以保证其具有较高的接触刚度；分别机加两个零件，一方面可以将加工难度相对降低、并对加工设备要求降低，一般用三轴机床即可完成，即无需使用4轴或以上的机床进行加工，降低了加工设备成本，也降低了加工成本；另一方面分体结构的箱体可以相对滑板（与立柱相连的那部分零件）轻微转动，这一特性使得安装时在调整主轴回转中心与Z轴平行这一精度时，增加了一种手段，并且该手段简单有效，使装配难度降低了，也省去了刮研工序，并且整个过程也无需带数控转台的机床。

附图说明

图1是本发明有水平轴孔的箱体和有垂直立面的滑板主视图；

图2为图1的左视图；

图3为图2的K-K剖视图；

图4为图2的C-C剖视图。

图5为图1的左视图，箱体重心与定位销位置关系示意图；

图6为箱体与滑板及定位销3优化案例的K-K剖视图；

图7为图6的C-C剖视图；

图中:1.箱体，2.滑板，3.定位销，定位孔3`，4.螺柱，5.螺钉，6.平垫，7.螺母，8.顶块，9.调整螺钉，10.顶块固定螺钉，11.紧固螺钉

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示的可拆分式卧式加工中心主轴箱，该主轴箱包括箱体1和滑板2两部分，其特征在于结构：把主轴箱与立柱连接的立面部分和主轴箱主体部分拆成两个零件，分别是有水平轴孔的箱体1和有垂直立面的滑板2，箱体1和滑板2的接触面为各自的加工面。对两零件相接触配合的平面进行精加工，两件接触面的精加工可以采用铣削或是磨削的方式，此过程采用三轴机床即可完成。接触面加工完成后，对于箱体1加工可以使用数控镗床，以精加工的接触面为基准，镗削加工出水平轴孔；而对于滑板2也仅需一般的数控机床，以精加工面为基准，铣削加工出垂直立面。

在滑板2、箱体1的相互接触面的长度中心部位均有定位销孔3`，见图3，所述箱体1与滑板2的接触面的上下长边有多个螺栓用的通孔，见图4，滑板2上还有与箱体1通孔相对应的螺纹孔。组装时，在滑板2的定位销孔3`内安装大尺寸的定位销3并用螺钉5固定，在螺纹孔内拧入螺柱4；再将箱体1接触面与滑板2对接，定位销3使滑板2、箱体1两个件调整定位，然后用双头螺柱4、螺母7对滑板2与箱体1进行固定。

组装时滑板2在箱体1长度方向正中部位与之垂直结合，将定位销3对准定位销孔3`进行定位，并由螺柱4、螺母7将滑板2、箱体1两件的接触面紧固成一体。图3中所示，将定位销3与滑板2通过螺钉5固定，箱体1中部的定位销3、定位销孔3`的外径配合关系是H7h6，滑板2的定位销、孔的配合关系也是H7h6，即一种比较紧密的小间隙配合，定位销3中部的螺纹孔是拆卸孔，即由于滑板2和定位销、3、定位销孔3`是小间隙配合，故当将两零件拆开时可能比较困难，此螺纹孔可以拧入螺钉将滑板2和定位销3顶开。以上两处小间隙配合保证了箱体1与滑板2可以绕定位销3进行轻微的转动，以达到调整精度的作用，所谓的调整即是通过测量仪器和工具测量水平轴孔和垂直立面的垂直，绕定位销3相对转动箱体1和滑板2实现的。另外，在特殊的情况下定位销可以承受剪切力，以保证螺柱4不受剪切力，提高了箱体1和滑板2连接的可靠性，图3中两处H7h6的配合保证机床的精度不变。调整定位完成，箱体1和滑板2的精加工面相互接触。

图4中，在把箱体1与滑板2结合之前，在滑板2的多处螺纹孔中扭入螺柱4，箱体1中也有多个与螺纹孔对应的容纳螺柱4的通孔，在箱体1和滑板2结合之后用平垫6、螺母7把箱体1和滑板2进行连接紧固。

制造本发明可拆分式卧式加工中心主轴箱时，以大型机床为例，在设计、铸造、机加各步骤的技术要求，其特征在于：

定位销3的尺寸：如图6，定位销3的直径D一般根据机床主轴箱的重量来决定，（机床按其大小和重量划分为：单机重量小于或等于10吨者为中、小型机床；10至30吨者为大型机床；30至100吨者为重型机床；超过100吨者为超重型机床。）一般大型在直径D80-160毫米即可，而对于中小型、重型的机床可以根据主轴箱的重量适当缩小放大，但前提是定位销3足够抵抗主轴箱重力引起的剪切破坏。定位销的高度h应为≥0.5D，同时兼顾铸件在此处的毛坯厚度，不能因为开定位销孔3`而钻漏。

定位销孔3`的深度：如图6，定位销孔3`在滑板2上的深度h2和在箱体1上的定位销孔3`的深度h1大致相等，应在D≈0.25，考虑到定位销3与箱体1上的定位销孔不接触，故h2可以略微放大一些。

定位销3、定位销孔3`尺寸精度：配合的定位销3和定位销孔3`要达到H7h6的配合精度，在这个配合精度下，定位销3和定位销孔3`的间隙在0.01毫米这个数量级上，以保证箱体1与滑板2的相对位置。与此同时，定位销3的外圆和定位销孔3`的内圆粗糙度要求也比较高，应不大于Ra3.2，其目是使得配合良好。

箱体1定位销孔3`的位置，重量的计算：如图5所示，在箱体1上的定位销孔3`的位置的确定，应以在箱体1整体结构上定位销孔3`的中心应与箱体1的重心重合，或是定位销孔3`的位置在箱体重心位置稍偏上，如图5所示，d为箱体1重心和定位销孔3`中心的距离,而L为箱体1沿竖直方向的宽度，d的范围应在0至0.2L之间为宜。定位销孔3`设置在此位置可以保证主轴箱调整时重心稳定，易于调节即使没有支撑也不至倾翻。所述箱体1整体结构：在箱体1上还需安装主轴、轴承、镗杆之类的一系列零件，将箱体1和在其上安装的附加零件称之为箱体1整体结构。安装完成后的重心为参考（所谓的重心即重力G的作用中心），而在设计过程中需要经过三维CAD软件建立三维模型后算出箱体的重心，这是一种比较简单有效的方法，具体的实施过程如下：首先对整个箱体和其所包含的各部分零件进行三维建模即确定了个部分零件的形状；然后定义各部分零件的材料以确定材料的密度；最后对箱体的各部分零件在三维软件中进行装配以确定零件在空间的分布坐标。完成以上三步即可通过三维软件自带的功能计算出箱体的重心的空间坐标。

滑板2定位销孔3`位置的确定：对于滑板2定位销孔3`位置的确定首先应考虑到Y轴丝杠（沿立柱方向牵引滑板和箱体的机构）对滑板的作用线，对拖动滑板的力的作用线应在平面上（这个平面可以等效看作箱体1和滑板2接触的精加工平面）通过滑板2的定位销孔3`的中心；其次考虑滑板2的定位销孔3`的中心应尽量位于Y轴滑块（这几个滑块是与Y轴导轨形成运动副的部分）的几何中心。满足以上条件即可获得最佳的受力状态和最稳定的结构形式。

紧固螺钉11，双头螺柱4的选择：如图4，图7，本例中使用的是双头螺柱4作为将箱体1和滑板2紧固的连接件，此种设计只是因为空间的限制，如果空间允许完全可以使用紧固螺钉11作为紧固件，紧固箱体1和滑板2两个零件。

双头螺柱4的大小，数量，布置，等级：双头螺柱4直径大小和数量还有螺钉孔选定的位置应按机床的实际情况选用。首先螺钉应尽量在箱体1、滑板2的边缘布置以达到最大的抗扭转性；另外本设计的螺钉总锁紧力达到了箱体1和滑板2以及附加零件总重量的30倍以上，其它设计可参考此数值，原则是所有双头螺柱4的紧固强度对于箱体1和滑板2的所需紧固力应是强度余量很大，不仅仅要抵御静力，还要抵御震动冲击。应选用10.9级或者12.9级的加强双头螺柱4，以保证箱体1和滑板2连接的可靠性。

排气孔：如图6所示，定位销3的上部和箱体1定位销孔3`底面之间有部分间隙，留出空气压缩空间设计：由于在滑板2和箱体1两件重物结合时，起重工具安装不是很容易将滑板2上固定的定位销3和箱体1的定位销孔3`配合安装完成，并且定位销3与箱体1上的定位销孔3`是H7h6的配合关系，还有可能导致空气被压缩在箱体定位销3和定位销孔3`之间，气体压力对安装产生阻碍作用的力影响安装的顺利完成。如果条件允许的情况下，应当在箱体1的定位销孔3`底面与外界大气之间打出一个排气孔，见图6；如果条件不允许，有可能是结构限制，也有可能是工艺困难等等，在这种情况下应在定位销3与箱体销孔3`之间留有一定间隙以便与容纳被压缩的空气。

拆卸孔：如图6所示的拆卸孔，滑板2和定位销3的配合关系为H7h6（一种间隙极小的配合）所以在安装完成后，如果需要进行拆卸时会比较困难，此处的拆卸孔是一个螺纹孔可以在此处扭入螺钉，将滑板2和定位销3顶分离，以达到拆卸的目的。与此同时此处拆卸孔也可以将滑板2和定位销3压缩在滑板2的定位销孔3`和定位销3之间的空气排出，达到更有利于安装的目的。

定位销3倒角的设计：如图6，定位销3上的滑板2侧的倒角的目的有两个：一，起导向作用使得定位销3顺利安装进滑板2的定位销孔3`；二，为了使定位销3与滑板2的底面完全接触，而不会使得定位销3与滑板定位销孔3`的边缘干涉（此种干涉是由于加工零件时刀具的限制产生的）。而定位销3上的箱体侧的倒角只是起到了导向安装的目的。

装配完成后精度调整，测量：精度的调整是在机床安装完成后，可以通过调整箱体1相对滑板2的转动而使得达到调整主轴回转中心与Z轴平行这一精度，可以使用其他工具使得箱体1相对滑板2轻微旋转；如图1和图2所示：使用顶块固定螺钉10将顶块8固定在滑板2前后两处位置，通过拧调整螺钉9使得箱体1与滑板2产生相对运动，即绕着定位销3轻微转动，从而调整到需要的位置。而伴随着调整可以通过大理石方规以及百分表之类的测量工具测得主轴回转中心与Z轴平行的位置，在这个位置将箱体1与滑板2锁紧。可拆分式卧式加工中心主轴箱即安装、调整完毕。

Claims (9)

1.一种可拆分式卧式加工中心主轴箱，该主轴箱采用分体式结构设计，其特征在于：把主轴箱与立柱连接的立面部分和主轴箱主体部分拆成两个零件：有水平轴孔的箱体(1)和有垂直立面的滑板(2)，并相互垂直结合；分别将滑板(2)、箱体(1)的接触面进行精加工，在滑板(2)、箱体(1)的相互接触面的长度中心部位有定位销(3)、定位销孔(3`)，所述滑板(2)、箱体(1)接触面的上下长边有多个螺栓用的通孔，滑板(2)上有与箱体(1)通孔位置对应的螺纹孔；组装时，在滑板(2)的定位销孔(3`)内安装大尺寸的定位销(3)并用螺钉(5)固定，再将箱体(1)接触面与滑板(2)接触面对接，调整定位，然后用双头螺柱(4)、螺母(7)对滑板(2)与箱体(1)进行固定。

2.制造权利要求1所述的可拆分式卧式加工中心主轴箱的方法，其特征在于主轴箱结构组装：滑板(2)接触面在箱体(1)接触面长度方向正中部位与之垂直结合，把箱体(1)与滑板(2)结合之前，在滑板(2)的多处螺纹孔扭入双头螺柱(4)；将定位销（3）对准箱体(1)与滑板(2)的定位销孔(3`)，将滑板(2)与箱体(1)对接，定位销(3)使滑板(2)、箱体(10)调整定位，之后用平垫(6)；再将定位销(3)与滑板(2)通过螺钉(5)固定，定位销(3)的外径与箱体(1)中部的定位销孔(3`)和滑板(2)的定位销孔(3`)的配合关系紧密的小间隙配合，故当将两零件拆开时比较困难，定位销(3)中部的螺纹孔是拆卸孔,可以拧入螺钉将滑板(2)和定位销(3)顶开。

3.根据权利要求2所述的制造可拆分式卧式加工中心主轴箱的方法，其特征在于设计、铸造、机加各步骤的技术要求：

a.定位销(3)的尺寸的计算：定位销(3)的直径D一般根据机床主轴箱的重量来决定，前提是定位销(3)足够抵抗主轴箱重力引起的剪切破坏；10～30吨重的大型机床主轴箱定位销(3)的直径D在直径80-160mm，而对于单机重量≤10吨中、小型，30～100吨重型的机床，则根据主轴箱的重量按所述大型的重量适当缩小或放大定位销(3)的直径；定位销的高度h应为≥0.5D，同时兼顾铸件在此处的毛坯厚度，不能因为开定位销孔(3`)而钻漏；

b.定位销孔(3`)在滑板(2)上的深度h2和在箱体(1)上的定位销孔(3`)的深度h1应在≈0.25D，考虑到定位销(3)与箱体(1)上的定位销孔不接触，故h2可以略微放大；

c.定位销(3)、定位销孔(3`)尺寸精度：配合的定位销(3)和定位销孔(3`)的配合精度要达到H7h6，在此配合精度下，定位销(3)和定位销孔(3`)的间隙在0.01毫米这个数量级上，以保证箱体(1)与滑板(2)的相对位置；

d.定位销(3)的外圆和定位销孔在箱体(1)上定位销孔(3`)的位置，重量的计算：在箱体(1)上的定位销孔(3`)的位置的确定，应以在箱体(1)整体结构安装完成后的重心的重力作用中心G为参考，在箱体(1)上定位销孔(3`)的中心应与箱体(1)的重心重合，或是定位销孔(3`)的位置在箱体重心位置稍偏上，箱体(1)重心和定位销孔(3`)中心的距离d,箱体(1)沿竖直方向的宽度L，d=0～0.2L；

e.箱体(1)重心和定位销孔(3`)中心的距离的确定：设计过程中需要经过三维CAD软件建立三维模型后算出箱体的重心：首先对箱体(1)整体结构进行三维建模即确定了各部分零件的形状；然后定义各部分零件的材料以确定材料的密度；最后对对箱体的各部分零件在三维软件中进行装配以确定零件在空间的分布坐标，完成以上三步即可通过三维软件自带的功能计算出箱体的重心,重力作用中心G的空间坐标。

4.根据权利要求2所述的制造可拆分式卧式加工中心主轴箱的方法，其特征在于滑板(2)中定位销孔(3`)位置的确定：首先应考虑到Y轴丝杠对滑板的作用线，对拖动滑板的力的作用线应在平面上，通过滑板(2)的定位销孔(3`)的中心，所述平面可以等效看作箱体(1)和滑板(2)接触的精加工平面；其次考虑滑板(2)的定位销孔(3`)的中心应尽量位于Y轴滑块的几何中心，所述Y轴滑块是几个与Y轴导轨形成运动副的组成部分；满足以上条件即可获得最佳的受力状态和最稳定的结构形式。

5.根据权利要求2所述的制造可拆分式卧式加工中心主轴箱的方法，其特征在于定位销(3)倒角的设计：在定位销(3)上、下外缘加工出倒角，定位销(3)在滑板(2)侧的倒角，一是起导向作用使得顺利安装进滑板(2)的定位销孔(3`)、二是为了使定位销(3)与滑板(2)的底面完全接触，而不会使得定位销(3)与滑板定位销孔(3`)的边缘干涉；而定位销(3)上的箱体侧的倒角起到了导向安装的作用。

6.根据权利要求2所述的制造可拆分式卧式加工中心主轴箱的方法，其特征在于排气孔：定位销(3)的上部和箱体(1)定位销孔(3`)底面之间有部分间隙，留出空气压缩空间；a.在条件允许的情况下，应当在箱体(1)的定位销孔(3`)底面与外界大气之间打出一个排气孔；b.如果结构限制、工艺困难诸条件不允许，应在定位销与箱体销孔之间留有一定间隙以便与容纳被压缩的空气。

7.根据权利要求2所述的制造可拆分式卧式加工中心主轴箱的方法，其特征在于拆卸孔：所述滑板(2)和定位销(3)的配合关系为H7h6，为解决在安装完成后再拆卸的困难，在定位销(3)中心加工一个螺纹孔作为拆卸孔，扭入螺钉，将滑板(2)和定位销(3)顶开分离，以达到拆卸的目的；同时此拆卸孔也可以将滑板(2)和定位销(3)压缩在滑板（2）的定位销孔(3`)和定位销(3)之间的空气排出，达到更有利于安装的目的。

8.根据权利要求2所述的制造可拆分式卧式加工中心主轴箱的方法，其特征在于:a.双头螺柱(4)的布置，等级的要求：双头螺柱(4)直径大小和数量还有螺钉孔选定的位置应按机床的重量级选用，首先螺钉应尽量在箱体(1)、滑板(2)的边缘布置以达到最大的抗扭转性；其次是计算螺钉总锁紧力：本设计的大型机床主轴箱用螺钉总锁紧力达到了箱体(1)和滑板(2)以及附件零件总重量的30倍以上，其它设计可参考此数值，原则是所有双头螺柱(4)的紧固强度对于箱体(1)和滑板(2)所需紧固力度，双头螺柱(4)的紧固强度应当余量很大，不仅仅要抵御静力，还要抵御震动冲击；应选用10.9或者12.9级的加强双头螺柱(4)以保证箱体(1)和滑板(2)连接的可靠性。

b.紧固螺钉(11)的强度等级的选择：也应选用紧固力度达10.9或者12.9级，在安装空间允许时，完全可以使用螺钉紧固(11)、螺母(7)作为紧固件，将箱体(1)和滑板(2)紧固成一体。

9.根据权利要求2所述的制造可拆分式卧式加工中心主轴箱的方法，其特征在于装配完成后的精度调整，测量：精度的调整是在机床安装完成后，通过调整箱体(1)相对滑板(2)的转动而使得达到调整主轴回转中心与Z轴平行这一精度；使用顶块固定螺钉(10)将顶块(8)固定在滑板(2)前后两处位置，通过拧调整螺钉(9)使得箱体(1)与滑板(2)产生相对运动，即绕着定位销(3)轻微转动，从而调整到需要的位置；而伴随着调整时通过测量工具大理石方规或百分表测得主轴回转中心与Z轴平行的位置，在这个位置将箱体(1)与滑板(2)锁紧；所述可拆分式卧式加工中心主轴箱即安装、调整完毕。

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