機(jī)床主軸動(dòng)平衡方法及計(jì)算

■ 長慶油田分公司機(jī)械制造總廠 （陜西西安 710200） 李哲鑫

隨著機(jī)床不斷地向高轉(zhuǎn)速、高精度和高效率等方向發(fā)展，對(duì)主軸的轉(zhuǎn)速要求越來越高。但機(jī)床主軸組件在設(shè)計(jì)、制造和裝配過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生由結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及裝配等原因引起的重心偏離旋轉(zhuǎn)中心的現(xiàn)象，使機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)、噪音軸承發(fā)熱等，轉(zhuǎn)速越高不平衡引起的振動(dòng)越劇烈。由于受到制造工藝、裝配質(zhì)量、單件質(zhì)量和零件形狀不對(duì)稱等影響，主軸在整體裝配后旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)重心偏離主軸中心旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象即所謂主軸旋轉(zhuǎn)不平衡。主軸旋轉(zhuǎn)不平衡會(huì)使主軸產(chǎn)生振動(dòng)并產(chǎn)生噪聲和發(fā)熱。

通過對(duì)主軸進(jìn)行動(dòng)平衡校核能有效的減小主軸、軸承的振動(dòng)，從而達(dá)到降低主軸溫升、提高主軸軸承使用壽命的目的。TK6920落地銑鏜床主軸在動(dòng)平衡矯正時(shí)采用上海SCHENCK臥式動(dòng)平衡機(jī)，方法為剛性軸動(dòng)平衡法，即在固定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行動(dòng)平衡，該方法能夠保證主軸在一定范圍工作轉(zhuǎn)速下達(dá)到平衡。根據(jù)ISO 1940對(duì)不同類型的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度等級(jí)的規(guī)定，精密主軸組件可采用G2.5、G1和G0.4級(jí)。本文范例機(jī)床TK6920數(shù)控落地銑鏜床主軸動(dòng)平衡精度等級(jí)采用G0.4級(jí)。此機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，根據(jù)ISO1940-1973國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其動(dòng)平衡等級(jí)按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，G是動(dòng)平衡等級(jí)（mm/s）；e是主軸的偏心距（μm）；ω是弧度（rad/s）。

剩余不平衡量U與主軸質(zhì)量m的關(guān)系式為

式中，U是允許不平衡量（g·mm）；m是主軸質(zhì)量（kg）。

根據(jù)公式（3）可得

TK6920數(shù)控落地銑鏜床主軸組件相應(yīng)參數(shù)為：總質(zhì)量為1 600kg、工作最高轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。按照主軸精度標(biāo)準(zhǔn)選用動(dòng)平衡精度等級(jí)G0.4級(jí)，根據(jù)上述公式可以計(jì)算出主軸的允許不平衡量

將188.4（rad/s）代入公式（2），得

e＝0.4×1 000/188.4＝2.12μm

根據(jù)公式（4），可得

U＝2.12/1 000×1 600×1 000＝3 392g·mm

圖1 TK6920數(shù)控落地銑鏜床主軸動(dòng)平衡示意圖

由于主軸動(dòng)平衡需在兩個(gè)校核面校核，所以每個(gè)校核面的允許不平衡量為3 392/2＝1 696 g·mm。

主軸在進(jìn)行動(dòng)平衡矯正時(shí)需要在主軸上去除相應(yīng)質(zhì)量的材料，由于主軸本身結(jié)構(gòu)限制不能去除材料，因此可以選用增加外置動(dòng)平衡套的方式進(jìn)行去料調(diào)整。圖1所示為主軸帶動(dòng)平衡套的主軸結(jié)構(gòu)。其主軸平衡組件由L001墊圈（聯(lián)接盤）、L002調(diào)整墊圈（動(dòng)平衡套）、L003調(diào)整墊圈（動(dòng)平衡套）、主軸、銑軸、隔套、齒輪和夾刀機(jī)構(gòu)等組成。

L001墊圈（聯(lián)接盤）用于主軸與動(dòng)平衡機(jī)的聯(lián)接，L002、L003動(dòng)平衡套用螺栓將其固定在主軸外徑上，在L002、L003上打孔用于去除不平衡量，這種方法動(dòng)平衡套由多個(gè)螺栓固定主軸上，相當(dāng)于與主軸是一個(gè)整體，不存在離心力過大動(dòng)平衡塊脫落現(xiàn)象。由于主軸轉(zhuǎn)速較高，如果采用增加質(zhì)量的方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡，由于離心力的作用增加的平衡塊容易在旋轉(zhuǎn)的過程脫離，造成動(dòng)平衡失效，平衡塊如果掉落在主軸軸承或有相對(duì)位移的部件上還將引起故障，因此將采取去除材料的方式進(jìn)行平衡校正。圖1中主軸的不平衡主要由單件的質(zhì)量分布不均造成，根據(jù)機(jī)床的主軸加工工藝分析，不平衡量主要是主軸長度過長其內(nèi)孔在加工過程中前后孔同軸度、撓度超差引起質(zhì)量分布不均。如果單獨(dú)對(duì)銑軸和主軸自身做動(dòng)平衡校核則在后續(xù)安裝內(nèi)部的夾刀機(jī)構(gòu)后將影響裝配后的動(dòng)平衡效果，因此需要將夾刀機(jī)構(gòu)與主軸各相關(guān)的組件全部裝配完成后，再對(duì)主軸組件整體進(jìn)行動(dòng)平衡校核。

在裝配主軸動(dòng)平衡組件時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際裝配情況進(jìn)行裝配，首先使用螺旋測微器測量軸承的厚度、隔套的厚度，確定銑軸隔套在銑軸軸向位置尺寸，然后用頂絲將隔套固定在銑軸上保證隔套在軸向和徑向的位置固定且不能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，打好字頭做好標(biāo)記避免動(dòng)平衡校核后重新裝配銑軸時(shí)隔套位置錯(cuò)誤導(dǎo)致動(dòng)平衡失效。銑軸上的鎖緊螺母由于自身質(zhì)量分布不均勻，因此在進(jìn)行動(dòng)平衡校核時(shí)必須將鎖緊螺母與銑軸把合位置做好固定標(biāo)記，保證動(dòng)平衡校核后裝配時(shí)的位置與其一致。

總之，主軸動(dòng)平衡的目的是不僅保證主軸在動(dòng)平衡機(jī)上平衡而且要在主軸工作時(shí)同樣保證平衡。因此在設(shè)計(jì)主軸時(shí)，要考慮主軸的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式及支撐形式，又要對(duì)影響動(dòng)平衡的原因進(jìn)行多方面的具體分析找出真正的原因，采取措施分別消除，保證機(jī)床主軸在工作時(shí)的良好平衡性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郎慧勤．機(jī)床主軸動(dòng)平衡及其平衡精度標(biāo)準(zhǔn)選擇[J]．機(jī)床，1984（4）：28-29．

[2] 朱維南，祝致寧．主軸動(dòng)平衡的方法與應(yīng)用［J］．機(jī)械工程師，2004（1）：93-94．