HMC160型臥式加工中心主傳動系統(tǒng)的設計

孫崗存 趙旭靖

（沈陽機床股份有限公司，遼寧沈陽 110141）

1 概述

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，大型泵閥業(yè)及減速箱行業(yè)等許多行業(yè)急需高性能的大型正掛箱式臥式加工中心。目前我廠生產(chǎn)的正掛箱產(chǎn)品HMC125系列不能滿足用戶新的需求，因此，我們開發(fā)了主軸直徑為160 mm的正掛箱結構的HMC160型臥式加工中心。該機床立柱為龍門框架式結構，主軸箱采用正掛箱形式，具有良好的剛性，受力均勻，熱平衡性好，精度穩(wěn)定。

本文論述了HMC160型臥式加工中心主傳動系統(tǒng)的設計過程。主傳動系統(tǒng)是機床最核心的部件，直接影響著機床的性能及加工效率。根據(jù)HMC160型臥式加工中心的總體設計方案，制定主傳動系統(tǒng)的主要技術參數(shù)如表1。

表1

2 結構設計

主傳動系統(tǒng)采用齒輪傳動，因為齒輪傳動具有以下特點:傳動效率高，結構緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比穩(wěn)定等。主傳動系統(tǒng)展開圖見圖1。動力由主電動機輸出通過彈性聯(lián)軸器與軸4連接，通過齒輪傳動形式經(jīng)過軸3、軸2和軸1減速后傳送到主軸，由主軸輸出。由于主軸需要的轉速范圍大，采用齒輪三檔變速，通過拔叉撥動花鍵軸上的齒輪進行換檔，撥叉的動力由液壓油缸提供。

本機床的主軸作為獨立的主軸組件安裝在主軸箱內(nèi)，它是由主軸、主軸軸承、主軸套筒等組成。本機床配置主軸錐孔為ISO7:24 No50規(guī)格的主軸，所用主軸軸承是日本NSK公司生產(chǎn)的精密滾動軸承。該軸承的接觸角為15°，它具有轉速高、調整方便等優(yōu)點，既可承受徑向載荷又可承受軸向載荷。為提高主軸剛性，該系列軸承在裝配中通過調整主軸螺母已對主軸軸承施予一定的預加載荷。由于主軸轉速高，主軸采用油氣潤滑系統(tǒng)進行潤滑。該系統(tǒng)軸承內(nèi)外套圈與滾珠之間的摩擦系數(shù)可以小到0.001甚至更小，能夠保證主軸軸承在所要求的溫度范圍內(nèi)正常運轉。

3 理論計算

3．1 計算主軸轉速，畫出主軸功率扭矩圖

根據(jù)主傳動原理圖計算主軸轉速，主傳動原理圖見圖2。

預選主軸電動機:1PH7167－2NF03－0CA0（37 kW/51 kW，1 500 r/min，M=235.5 N·m）

主軸檔數(shù):分高、中、低三檔。

低檔齒輪變速比:

中檔齒輪變速比:

高檔齒輪變速比:

根據(jù)電動機輸出轉速，計算主軸轉速如下:

然后，畫出主軸功率扭矩圖如圖3。

從主軸功率扭矩圖中可以看到主軸各檔轉速:低檔為10～260（r/min），中檔為260～911（r/min），高檔為911～3 000（r/min）。

3．2 主電動機功率的確定

機床主電動機功率是機床的主要動力特性參數(shù)之一，直接關系著機床生產(chǎn)率的高低。動力參數(shù)定得過大會使機床過于笨重，浪費材料和電力;過小又會影響機床的性能。根據(jù)機床最大負荷工作情況，機床最大許用扭矩（銑削）或最大進給抗力（鉆削）情況計算所需之功率。由經(jīng)驗可知，銑削功率大大超過鉆削功率，故以銑削確定主軸電動機功率。

主電動機功率由下式計算:

式中:P主為主傳動電機功率，kW;P切為消耗于切削的功率，kW;P空為消耗于空運轉時的功率損失，kW;η機為主傳動鏈的總機械效率。

（1）計算切削功率P切

由以往的計算可知，銑削加工時消耗功率最大，故以銑削加工求P切。

根據(jù)文獻［3］，計算切向銑削力F切為

式中:F0為單位銑削力，根據(jù)鑄鐵試料（HT200），由手冊查得F0=2 059 N/mm2;ae為銑削寬度，ae=100 mm;ap為銑削深度，ap=10 mm;fz為每齒進給量，fz=0.35 mm;z為銑刀齒數(shù)，z=8;D為銑刀直徑，D=200 mm。

根據(jù)文獻［3］，計算銑削功率為

式中:P切為銑削功率，kW;n為銑刀轉速，n=318 r/min。

（2）計算空運轉時的功率損失P空

本機床主傳動鏈的空運轉功率損失可用下列實驗公式估算:

式中:da為主傳動鏈中除主軸外所有傳動軸的軸徑平均值，da=86.98 mm;d主為主軸前后軸徑的平均值，d主=220 mm;∑ni為當主軸的轉速為n主時，傳動鏈內(nèi)除主軸外各傳動鏈的轉速之和（含不傳遞載荷也隨之空轉之軸的轉速），r/min;n主為主軸計算轉速，r/min;c為系數(shù)，反映主軸支承情況，兩支承軸承時c=0.85;m為潤滑油粘度影響的修正系數(shù)，用20#機油時m=0.9。

實際上當機床發(fā)揮最大功率時，主軸轉速ni，不是最高轉速，所以P空為計算轉速時的P空。

此時n主=318 r/min，∑ni=1 499.87+499.96+

（3）計算η機因此，確定主傳動電動機的功率為

根據(jù)計算結果，主電動機選用合理，能夠滿足設計要求。

4 結語

該機床樣機裝配完成后，對機床主傳動系統(tǒng)進行性能測試，主軸在轉速范圍內(nèi)轉速平穩(wěn)，噪聲低，軸承溫升合理，精度穩(wěn)定;對機床進行最大負荷試驗，主軸輸出扭矩能夠達到設計要求，因此主傳動系統(tǒng)設計合理。

HMC160樣機曾經(jīng)在2008年北京中國國際數(shù)控機床展覽會上展出，獲得一致好評，并榮獲中國機床工具工業(yè)協(xié)會頒發(fā)的“春燕獎”一等獎。目前該機床已經(jīng)通過沈陽市科學技術局組織的科技成果鑒定，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。該機床適應于軍工、造船、航天、紡織、運輸、礦山等多種行業(yè)，更是大型泵閥業(yè)及減速箱行業(yè)急需的高性能數(shù)控機床。

［1］《機床設計手冊》編寫組．機床設計手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1986．

［2］陳宏鈞．簡明機械加工工藝手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2008．

［3］胡家富．實用鉗工計算手冊［M］．上海:上海科學技術出版社，2006．