數控落地銑鏜床主軸箱設計

譚廣巍

（齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

數控技術在落地銑鏜床中的有效應用，是促進我國制造業(yè)向著自動化、集成化發(fā)展的主要途徑，其中廣泛應用CAD、FMS、CIMS等數控技術，能夠全面提高零件加工的精度，數控機床的應用是現代化零件加工的主要途徑，想要做好數控落地銑鏜床主軸箱的動態(tài)化平衡，就需要通過合理的控制方式，增加立柱的受力，因此需要做好控制系統(tǒng)的設計，保證機床零部件之間的有效連接。通過液壓控制原理的有效應用，助力數控落地銑鏜床工作的穩(wěn)定運行，同時還需要工作人員做好PLC硬件選擇和主軸箱有限元模型的建立，做好有限元靜力分析。

1 主軸箱有限元模型的建立

我們在進行主軸箱有限元模型建立過程中，可以分為預處理、網格劃分、邊界條件處理和再處理等四方面，結合實際設計經驗保證箱體的導軌處剛度值符合相應的加工標準，通過對箱體和箱蓋連接處的局部應力值計算，了解主軸箱的實際剛度，如果剛度過小，需要采用螺旋連接的方式進行簡化處理，為網格劃分和求解奠定良好的基礎。一般情況下，單元網格劃分過程中，會通過八個節(jié)點進行定義，每個節(jié)點都會沿著固定的方向進行平移，不同單元之間具有一定的彈性和應力，通過蠕變和大應變能力將主軸箱劃分為多個單元和節(jié)點，邊界條件處理主要是在有限元計算過程中的關鍵性因素，是主軸箱結果分析不可替代的重要條件。通過邊界條件處理了解主軸箱的實際工作狀態(tài)，制定出合理的有限元加載條件，保證箱體的前導軌和立柱前道軌之間處于緊密貼合狀態(tài)，要對導軌起到一定的約束，主軸箱在實際工作過程中具有應用情況復雜、處理困難等特點。因此，需要結合實際制定動力學仿真模型，分析主軸箱在剛度最差時所處的工作情況，結合空間力系分析，做好滑枕鏜桿的裝配體和后尾筒裝配，由于主軸箱的箱體較重，因此需要充分了解重力對剛度的影響，通過有限元模型的建立分析主軸箱的受力情況。

2 數控落地銑鏜床主軸箱系統(tǒng)設計

2.1 機床零部件之間的有效連接

在進行數控落地銑鏜床主軸箱的工作設計過程中，需要充分了解主軸箱是通過絲桿轉動沿著靜壓導軌進行上下運動的，滑枕是通過絲桿的傳動做左右水平運動的。因此，在實際工作開展過程中，滑枕的深處，會受到附件安裝的壓力，從而導致主軸箱的前端可能出現向下傾斜的問題，不利于加工精度的提高，甚至會對加工的刀具造成不可挽回的破壞，因此需要采用plc液壓控制技術的有效應用，保障液壓系統(tǒng)流量與壓力在即定的范圍內，提高數控落地銑鏜床主軸箱的平衡性。一般我們會通過液壓單向閥和液壓缸之間的有效連接，保證主軸箱在進行上下運動時，通過傳感器檢測閥芯所處的位置，實現運動信號的隨時傳輸，將位置信息反饋到控制器中，通過指令電壓之間的比較了解實際運行情況，及時的通過導閥線圈電流控制閥心的移動，根據電壓的大小值判斷閥芯的位移情況，從而得到機械工作過程中所需要的流量，控制好活塞桿地移動情況。

2.2 液壓控制的基本原理

當主軸箱出現上升狀態(tài)時，壓力油就會通過閥芯進入到液壓缸的上腔，從而推動活塞桿向下進行運動，恢復主軸箱運動軌跡，當主軸箱出現向下運動的情況時，需要通過有效的連接保證液控單向閥，通過左腔回流油箱恢復主軸箱的運動狀態(tài)。

2.3 超精密滾動軸承定位

主軸軸承一般是由單獨的潤滑管進行潤滑的，將主軸軸承安裝在冷卻套中，通過適當的控制從而有效地將主軸軸承溫度控制在合理的范圍內，通過配合公差的計算方式，保證主軸軸承溫度的穩(wěn)定性，通過對主軸組件之間的平衡性分析，減小主軸組件的不平衡量，從而全面提高主軸和軸承在發(fā)熱狀態(tài)下的產品生產精度，加大主軸軸承的使用壽命。

2.4 主軸箱的傾角補償

在進行主軸箱重力系統(tǒng)設計的過程中，需要結合主軸箱、主軸箱滑座，主軸組件等多種零件之間的重力組成，保證主軸箱的平衡性，一般情況下滑枕伸出時，主軸箱的系統(tǒng)重力會發(fā)生變化，主軸箱的整體重心會向滑枕方向進行移動。為了保障主軸箱的平衡性，需要保證鋼絲繩的位置處于不變，增加滑枕伸出的扭距，在主軸箱上前方和后下方各設置平衡性鋼絲繩座，從而固定立柱頂部和底部的定滑輪組，形成滑枕重心，產生與原平移力矩方向相反的力矩，保證主軸箱力矩達到新的平衡，減少加工誤差。

2.5 自動化刀具控制裝置

一般情況下，在鏜軸芯內部會設置碟簧和液壓進行刀具夾緊、放松的控制，保證鏜軸伸出時，任意刀具位置的夾緊和放松，同時還可以通過無觸點開關對刀具的夾緊和放松情況進行反饋，在活塞中心前錐孔處設置主軸刀具清潔進氣孔，在清潔的過程中，保證刀具隨時松開和夾緊。

3 數控落地銑鏜床主軸箱設計分析

3.1 靜力分析

這一分析模式需要通過有限元軟件設計模型的建立，保障主軸箱體在受載之后的應力計算結果準確性，根據主軸箱應力值推斷出主軸箱與滑枕接觸面運行情況，判斷主軸箱的實際強度，如果沒有滿足相應的強度要求，說明所選擇的材料所具有的破壞能力還有待開發(fā)。當前我國在進行數控銑鏜床主軸箱設計的過程中，設計流程過于保守，相關工作人員還需要結合以往的設計經驗對結構進行優(yōu)化，更好地減輕主軸箱的承載重量，通過對主軸箱設計后的變形等值線圖分析，了解滑枕與主軸箱接觸的端面結構變形情況，希望能夠更好的滿足在當下主軸箱的承載條件，提高銑鏜床主軸箱所具有的加工精度。結構靜力分析的主要作用是計算在固定不變的荷載下，如何實現結構之間的響應，主軸箱的改進需要以增強剛度為主要目的，因此需要改進后箱體結構接近封閉的剛體，了解改進前后主軸箱有限元模型的不同之處，適當的增加螺栓預緊力，對當前有限元模型節(jié)點進行求解。

3.2 模型狀態(tài)分析

通過有限元軟件的有效應用，能夠對主軸箱的模型狀態(tài)進行詳細的分析，計算出整體結構所具有的振動特性，通過震動頻率和震動類型的分析，了解模型的多階模態(tài)，一般情況下，我們會通過數學向量進行遞歸計算，這種計算方式被廣泛應用到模型形狀的實體和單元情況分析的過程中，通過對有限元模型施加約束力?？紤]主軸箱重力的影響情況，通過不同階段頻率和振型結果的分析，了解該設計條件是否滿足低速加工的設計需求，如果得出結論與主軸箱的動態(tài)特性不符，就需要適當的優(yōu)化主軸箱的內部結構，全面提高主軸箱整體的剛性和硬度。

3.3 動態(tài)優(yōu)化設計分析

在進行主軸零部件的動態(tài)優(yōu)化設計過程中，主要指的是設計并修改現有的設計結構，結合預先給出的動態(tài)特性，滿足動態(tài)特性的基本要求，傳統(tǒng)的優(yōu)化設計方案只能簡單的解決設計結構和自由度的系統(tǒng)問題，對一些復雜的系統(tǒng)運行情況得不到改善。因此我們需要結合靈敏度分析以及動力修改的方式，對當前主軸箱設計所蘊含的敏感性參數進行修改和試探，使其符合設計需求，主軸箱零部件動態(tài)化設計需要以有限元動態(tài)學模型的建立為基礎，結合動態(tài)特性進行詳細的設計分析，主軸部件有限元模型的建立，能夠簡化設計步驟，將主軸箱對主軸所具有的彈性，轉化為軸承的剛度進行充分的考量。我們在進行數控銑鏜床主軸箱設計和改進的過程中，不能將主軸箱作為主軸部件，有限元模型的構成要以計算振型作為重點對象，結合計算分析得出設計結果，通過對主軸部件的固有頻率計算，了解動態(tài)模型的動力響應情況，從而仔細的研究系統(tǒng)各界的分布模態(tài)。

4 總結

機床在實際工作開展的過程中，需要保證主軸箱的平衡補償，全面提供零件加工的精度，改善立柱的受力，還需要在控制系統(tǒng)建立的過程中，合理的應用液壓控制對主軸箱進行平衡補償。同時還需要明確PLC控制系統(tǒng)的有效應用，具有穩(wěn)定性強、抗干擾能力強等特點，通過其與上位機之間的有效連接，從而更好地實現遠程生產控制，從根本上滿足工藝發(fā)展要求，通過三維設計軟件的有效建立，讓工作人員通過對主軸箱立體模型的觀察，了解主軸箱的應力和變形環(huán)境，通過適當的改善條件，增強主軸箱剛度，優(yōu)化主軸箱結構。