五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)研究

佟琨 金輝 李樹鵬 田恬

摘 要：五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)，包括油液輸送裝置、主軸箱、油液回收裝置及液位電氣控制程序單元，其特征在于油液輸送裝置設(shè)置液位報(bào)警及流量監(jiān)測(cè)電氣部件并與液位電氣控制單元連通；主軸箱下部為連通的四腔結(jié)構(gòu)，兩處出油口分別位于主軸箱前端對(duì)角位置；油液回收裝置采用雙聯(lián)齒輪泵，泵抽油口與主軸箱對(duì)角位置的出油口通過油管連接，油箱容積的控制量是主軸箱內(nèi)腔最大動(dòng)態(tài)油液容積與管路容積之和，輸入液位電氣控制程序單元，由液位開關(guān)執(zhí)行自動(dòng)控制，保持?jǐn)[動(dòng)中主軸箱內(nèi)油液高度低于主軸連接處高度，防止油液進(jìn)入主軸。油液回收好，機(jī)械主軸轉(zhuǎn)速提高至4 000 rpm，顯著提高了機(jī)床效率。

關(guān)鍵詞：五軸加工中心；主軸箱；液位控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TG502 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 五軸加工中心介紹

五軸加工中心可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，完成各種復(fù)雜平面、曲面零件的加工。主軸箱采用主軸齒輪變速。主軸箱中的傳動(dòng)齒輪均為斜齒輪。齒輪精度為5級(jí)。承載力大、噪聲低、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。使主軸能達(dá)到4 000 rpm轉(zhuǎn)速，為了高效冷卻、潤(rùn)滑主軸箱內(nèi)齒輪，并對(duì)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)采用恒溫油冷機(jī)控制。保證其可靠潤(rùn)滑及箱體恒溫，確保主軸傳動(dòng)系統(tǒng)恒溫，精度穩(wěn)定。加工過程中，AB軸不斷變化，擺動(dòng)范圍大，主軸箱內(nèi)液位隨AB軸擺動(dòng)不斷變化。所述液位是指潤(rùn)滑冷卻油進(jìn)入主軸箱內(nèi)，在動(dòng)態(tài)下因回油口角度不能完全流出而積累出液位高度。理想狀態(tài)是主軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油貼壁流動(dòng)，不存在積存。如果不能有效控制主軸箱內(nèi)的液位高度，造成主軸箱內(nèi)油液積蓄過多，會(huì)影響主軸箱內(nèi)冷卻效果，提高主軸箱內(nèi)溫度，影響機(jī)床轉(zhuǎn)速；如果回油不暢引起主軸箱內(nèi)液位高度高于主軸連接處，導(dǎo)致油液進(jìn)入主軸內(nèi)部，破壞主軸軸承潤(rùn)滑，會(huì)影響主軸軸承性能及壽命，最終導(dǎo)致機(jī)床無法正常工作。為防止主軸連接處進(jìn)油，此處設(shè)置吹氣結(jié)構(gòu)形成氣密封，如圖1所示，當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣流和飛濺的油液會(huì)在主軸箱內(nèi)呈現(xiàn)氣霧狀態(tài)，不能用開觀察窗、液位感應(yīng)計(jì)等監(jiān)視方式。

目前五軸加工中心主軸箱內(nèi)液位控制主要存在2種形式：增設(shè)溢流孔結(jié)構(gòu)和采用不帶油箱油冷機(jī)形式。盡管采用不帶油箱油冷機(jī)形式的液位控制系統(tǒng)可以控制主軸箱內(nèi)油液高度，但是影響主軸箱內(nèi)冷卻效果、限制主軸轉(zhuǎn)速。因?yàn)闄C(jī)床加工過程中主軸箱隨AB軸大范圍擺動(dòng)，機(jī)床AB軸擺角的行程限制了溢流口高度。另外，機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，箱內(nèi)油液混合霧由溢流孔溢出造成環(huán)境污染及對(duì)加工零件的破壞。因此，主軸箱開溢流孔不可取。

2 五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)介紹

五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)，主要是解決五軸加工中心由于AB軸擺動(dòng)導(dǎo)致液位不穩(wěn)定導(dǎo)致主軸被淹的問題。其特點(diǎn)為：

（1）采用帶有液位報(bào)警和流量監(jiān)測(cè)的油冷機(jī)作為油液輸送裝置，控制主軸箱內(nèi)液壓油量，監(jiān)測(cè)油冷機(jī)與回收泵的工作狀態(tài)；

（2）主軸箱前端內(nèi)腔采用各腔室相通的結(jié)構(gòu)，油液回收孔分別位于主軸箱對(duì)角位置，主軸箱隨AB軸擺動(dòng)過程中，箱內(nèi)油液多點(diǎn)回收；

（3）主軸軸承采用油脂潤(rùn)滑的機(jī)械主軸，轉(zhuǎn)速提高至4 000 rpm，顯著提高了機(jī)床效率。

3 結(jié)合具體實(shí)例分析五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)

液位控制系統(tǒng)采用帶有液位報(bào)警和流量監(jiān)測(cè)的油冷機(jī)作為油液輸送裝置，還包括主軸箱、油液回收裝置及液位電氣控制程序單元，其特征在于在油冷機(jī)上增加液位開關(guān)和流量開關(guān)，液位開關(guān)安裝在油冷機(jī)箱壁上，根據(jù)油冷機(jī)出油管上的流量開關(guān)反饋給液位電氣控制程序單元而執(zhí)行油箱容積控制的啟停指令。油箱容積的控制量是由主軸箱、內(nèi)腔最大動(dòng)態(tài)油液容積和管路容積相加求得。因?yàn)橹鬏S箱隨擺頭不斷擺動(dòng)，一定容積的油液在不同時(shí)刻、不同角度時(shí)距離主軸連接處的相對(duì)高度不斷變化，所以設(shè)定內(nèi)腔最大油液容積處于動(dòng)態(tài)中油液面距離主軸連接處的安全高度時(shí)，為主軸箱擺動(dòng)過程中的最大油液容積。將這油箱最大動(dòng)態(tài)油液容積控制量輸入液位電氣控制程序單元，由液位開關(guān)執(zhí)行自動(dòng)控制，保持?jǐn)[動(dòng)中主軸箱內(nèi)油液高度低于主軸連接處高度，防止油液進(jìn)入主軸。

油冷機(jī)出油口與主軸套進(jìn)油口通過管路連接，主軸箱與主軸套外側(cè)形成封閉通道對(duì)主軸套進(jìn)行冷卻。主軸套出油口與主軸箱頂端分油器通過管路連接，油液經(jīng)分油器對(duì)主軸箱上端各齒輪和軸承進(jìn)行潤(rùn)滑及冷卻。

主軸箱下端采用均布的四腔連通結(jié)構(gòu)，在通孔軸向剖開，主軸箱下端有縱隔分出左、右兩腔，右前腔、左前腔底部打孔成前腔通道使前兩腔連通，再由拱形左支撐筋和右支撐筋分隔出前、后腔。主軸箱下部?jī)商幊鲇涂?，后腔出油口、前腔出油口分別位于主軸箱下部對(duì)角位置；主軸箱各腔內(nèi)油液在任意時(shí)刻處于流通狀態(tài)，保證主軸箱隨AB擺頭擺動(dòng)過程中箱內(nèi)液位處于最低點(diǎn)，油液能及時(shí)回收。主軸套出油口與主軸箱頂端分油器通過管路連接，油液經(jīng)分油器對(duì)主軸箱上端各齒輪和軸承進(jìn)行潤(rùn)滑及冷卻。雙聯(lián)齒輪回收泵固定在主軸箱前端，雙聯(lián)齒輪泵后腔抽油口、前腔抽油口分別與主軸箱后腔出油口、前腔出油口雙管路連接，雙聯(lián)齒輪泵前腔回油口、后腔回油口分別與油冷機(jī)后腔回油口、前腔回油口雙管路連接。液位電氣控制程序單元對(duì)雙聯(lián)齒輪泵、液位開關(guān)和流量開關(guān)以及所有油管路上的流量計(jì)、傳感器實(shí)施作業(yè)編程，并入五軸加工中心控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)中各設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的反饋并執(zhí)行加工中心控制指令，控制主軸箱內(nèi)的液位在機(jī)床運(yùn)行過程中處于安全高度。五軸加工中心啟動(dòng)時(shí)，雙聯(lián)齒輪泵工作，通過雙聯(lián)齒輪泵后腔回油口與前腔回油口、油冷機(jī)后腔回油口與前腔回油口雙管路形成的雙通道回收主軸箱內(nèi)積存的油液，油冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)間調(diào)整在10s～20s后工作；通過液位開關(guān)和流量開關(guān)判斷雙聯(lián)齒輪泵和油冷機(jī)的工作狀態(tài)，如果流量開關(guān)反饋正常，液位開關(guān)報(bào)警可判斷雙聯(lián)齒輪泵故障，如果流量開關(guān)報(bào)警，則油冷機(jī)故障。若液位開關(guān)報(bào)警，液位控制系統(tǒng)通過自控設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)停車，防止主軸被淹。氣密封關(guān)閉和手動(dòng)急停是用于防止油霧進(jìn)入主軸的，手動(dòng)急停是機(jī)床停機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]孟少安.機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[2]王先奎.機(jī)械制造工藝學(xué)（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.