臥式加工中心主軸箱平衡系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李志丹 劉 博

(沈陽機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽 110141)

HMC-e系列臥式加工中心，適合于工件多面的銑、鉆、鏜、鉸、攻絲、兩維、三維曲面等多工序加工。具有在一次裝夾中完成箱體孔系和平面加工的良好性能，還特別適合于箱體孔的調(diào)頭鏜孔加工。為保證機(jī)床能夠高精、高速及高質(zhì)量地完成切削任務(wù)，需要對主軸箱垂直方向運(yùn)動(dòng)增加平衡裝置，以消除主軸箱本身及其承載的各部件產(chǎn)生的重量對其在垂直方向運(yùn)動(dòng)的速度、加速度和控制精度產(chǎn)生的不良影響。

1 原有氣缸平衡系統(tǒng)

考慮到臥式加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工工藝，主軸箱在垂直方向運(yùn)動(dòng)加工時(shí)，不僅要受到刀具切削力和絲杠驅(qū)動(dòng)力的作用，還會受到自身重量及裝載的主軸、電動(dòng)機(jī)、結(jié)構(gòu)件和管路等零部件重量的作用，總計(jì)大概700 kg，而且這些力的作用方向與主軸箱的運(yùn)動(dòng)方向平行，又不能效仿水平移動(dòng)部件那樣被支撐起來，如果這些力不能被平衡，會對主軸箱運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性帶來非常惡劣的影響。

因此，過往設(shè)計(jì)了氣缸平衡系統(tǒng)，如圖1所示，氣缸固定于立柱之上，氣缸桿下伸拉住主軸箱以平衡掉主軸箱80%的重量。整套氣缸平衡系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，壓力為0.6 MPa的壓縮空氣經(jīng)過空氣潔凈器干燥過濾后進(jìn)入增壓器，壓力增加至0.85～0.9 MPa，由于經(jīng)增壓器排出的空氣壓力不穩(wěn)定，需經(jīng)減壓閥穩(wěn)定在0.8 MPa后進(jìn)入儲氣罐，在進(jìn)儲氣罐前需安裝單向閥防止氣體回流導(dǎo)致氣缸失效。儲氣罐總?cè)莘e70 L，內(nèi)部的空氣供給氣缸工作，氣缸缸徑100 mm，活塞桿直徑30 mm，經(jīng)過計(jì)算可平衡約572 kg的重量。

經(jīng)過一年多的實(shí)踐應(yīng)用，從用戶體驗(yàn)及裝配車間反饋來看，這套氣缸平衡系統(tǒng)可以基本實(shí)現(xiàn)主軸箱重量平衡目標(biāo)，綜合成本和性能等多方面考慮，性價(jià)比已優(yōu)于傳統(tǒng)的重錘平衡和液壓平衡等平衡系統(tǒng)。但HMC-e系列臥式加工中心的垂直軸行程均在1 000 mm左右，這樣超過1 000 mm行程的氣缸嚴(yán)重影響整機(jī)高度，對整機(jī)運(yùn)輸和客戶現(xiàn)場裝配使用都造成不良的影響，而且氣動(dòng)零件和管路接口繁多復(fù)雜，故障率高，壓力不穩(wěn)定，此類氣缸能承受的最大移動(dòng)速度是40 m/min，限制了產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)展。

2 氮?dú)馄胶馄?/h2>

針對HMC-e系列臥式加工中心，考慮到原有氣缸平衡系統(tǒng)的諸多缺陷，通過不斷的技術(shù)引進(jìn)和研究創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了新型的氮?dú)馄胶馄?，如圖3所示，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高產(chǎn)品性能指標(biāo)。

氮?dú)馄胶馄髋c傳統(tǒng)式平衡器相比具有更優(yōu)異的特性：(如圖4所示)具有高應(yīng)答性，可配合高速切削；無需動(dòng)力源及配管；結(jié)構(gòu)緊湊占空間小；壓力變化小，具有穩(wěn)定的平衡力，如圖5所示，初始負(fù)荷5.6 kN，最大負(fù)荷6.7 kN。

氮?dú)馄胶馄鞯耐鈴?05 mm，活塞桿直徑32 mm，行程200～1 300 mm，氣缸缸筒長395～1 495 mm，全長740～2 940 mm，總重量16.9～45.5 kg，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 氮?dú)馄胶馄鲄?shù)表

填充氣壓/MPa3.5～10.5保證耐壓/MPa15.8壓縮比約1.2升降速度/(m/min)Max.60允許加速度/(m/s2)Max.9.8使用環(huán)境溫度/℃0～40

利用氮?dú)馄胶馄髌胶獾糁鬏S箱部分重量，可減小垂直軸伺服電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，減輕絲杠和絲母之間的傳動(dòng)負(fù)荷，降低電力消耗和發(fā)熱，規(guī)避絲杠變長現(xiàn)象，提高位置精度及超微細(xì)加工精度，提高高速切削的進(jìn)給速度與加工精度。

3 結(jié)語

通過對主軸箱垂直運(yùn)動(dòng)平衡系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，解決了原有設(shè)計(jì)氣缸平衡系統(tǒng)存在的問題，降低整機(jī)高度，簡化平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局，降低后續(xù)保養(yǎng)和維修的難度，提高進(jìn)給速度和加速度，對機(jī)床整體性能的提高提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

[1]宋錦春，蘇東海，張志偉.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]潘賢兵，郭旭紅，華小龍，等.數(shù)控落地鏜銑床主軸箱平衡補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014(3):164-166.

[3] 徐艷梅，蘇強(qiáng)，江晨.臥式銑鏜床的主軸箱重心補(bǔ)償系統(tǒng)[J].金屬加工：冷加工，2012(7):59-60.

[4] 寸花英，余光懷.主軸箱液壓平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)床與液壓，2014(6):21-24.

[5]鄭玉龍.淺析數(shù)控銑床液壓平衡系統(tǒng)的優(yōu)化[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(6):103.

[6]張占鋒，余芳，李太林.自動(dòng)補(bǔ)償平衡系統(tǒng)在機(jī)床主軸垂直運(yùn)動(dòng)上的應(yīng)用[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2015(10):48-49.

[7]萇曉兵，湯家榮，賴立迅.高速五軸加工中心垂直軸閉環(huán)平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2016(9)：63-66.

[8]陳輝.HN系列臥式加工中心Y軸液壓平衡系統(tǒng)的改進(jìn)[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014(12):44-45.

[9] 郭福軍.立式機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件重力平衡創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2015(21):76.