臥式銑床的高速主傳動(dòng)系統(tǒng)研制

周 萌

(沈陽機(jī)床集團(tuán)中捷機(jī)床有限公司，遼寧 沈陽110142)

數(shù)控臥式銑床因可滿足銑面、鉆孔、攻絲、插補(bǔ)等多種功能而廣泛應(yīng)用，市場上的數(shù)控臥式銑床多數(shù)配有可伸縮的鏜軸，也正因如此，現(xiàn)有數(shù)控臥式銑床的主軸轉(zhuǎn)速普遍不高。隨著航空航天行業(yè)的快速發(fā)展，無需鏜軸伸縮的數(shù)控臥式銑床需求越來越多，且因航空航天零件類型特殊，對主軸轉(zhuǎn)速普遍需求較高，針對這種情況，我們對機(jī)床整體重新進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，在原有數(shù)控臥式銑鏜床基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)主軸箱及主傳動(dòng)系統(tǒng)[1]，重新組合機(jī)床以滿足市場需求。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)方案

高速臥式數(shù)控銑床的主軸箱體及主傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，總體由主軸箱1、主軸2、聯(lián)軸器4、傳動(dòng)軸5、減速機(jī)7、主電機(jī)8、連接盤9等部分組成。主軸箱體通過壓板與立柱導(dǎo)軌相連并沿立柱方向上下移動(dòng)，構(gòu)成機(jī)床的Y向行程。為了避免傳統(tǒng)主軸箱結(jié)構(gòu)的多組傳動(dòng)軸和齒輪組合結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速不高，這里采用了主電機(jī)、減速機(jī)與主軸直聯(lián)的形式。為避免沒有鏜軸的伸縮而引起的行程不足，在該主軸箱前段鑄造有“長鼻端”用于支撐主軸，從而減少主軸端面到工作臺(tái)中心距離，也因此導(dǎo)致主軸箱前端重量較大，主軸箱安裝在立柱之后會(huì)引起立柱前后導(dǎo)軌受力不均，產(chǎn)生主軸前端“低頭”、主軸箱移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)爬行、卡頓等現(xiàn)象。為避免主軸前端重量過大，主軸前端出現(xiàn)“低頭”的現(xiàn)象，只有將電機(jī)和減速機(jī)向遠(yuǎn)離主軸的方向布置，在減速機(jī)與主軸尾端之間采用長傳動(dòng)軸進(jìn)行傳遞動(dòng)力，這樣可以使主軸箱重量均布于立柱導(dǎo)軌前后兩側(cè)，避免主軸箱前端過重引起的一系列問題。

如圖1所示，主電機(jī)8通過減速機(jī)7降速后將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸5，傳動(dòng)軸5一端通過聯(lián)軸器4與減速機(jī)7連接，另一端通過聯(lián)軸器6與主軸2連接，最終將動(dòng)力傳遞給主軸2。選用的減速機(jī)7為雙速電子變檔，可以實(shí)現(xiàn)主軸高低檔位的轉(zhuǎn)換[2]。

方案中使用的主軸轉(zhuǎn)速較高，需要采用油循環(huán)冷卻方式保持熱平衡，因此在主軸箱長鼻端開有油孔，并安裝進(jìn)油管接頭3和出油管接頭10以引入導(dǎo)出冷卻油。減速機(jī)和主軸箱之間通過連接盤徑向定位，此處也可使減速機(jī)直接和主軸箱定位安裝，但考慮到傳動(dòng)軸的拆裝頻繁，且減速機(jī)為外購件，止口尺寸和精度都已確定無法更改，如果不使用連接盤，將減速機(jī)和主軸箱直接連接，主軸箱體的定位尺寸在反復(fù)拆裝的過程中一旦被破壞，則無法繼續(xù)使用。如采用連接盤的方式，即使連接盤定位尺寸破壞，重新制作連接盤即可，有效避免了主軸箱體的作廢。

該傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸部分采用筆者公司龍門系列機(jī)床成型產(chǎn)品的機(jī)械主軸結(jié)構(gòu)，主軸最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，最大扭矩為1 500 N·m，具體參數(shù)如表1所示。

表1 主軸參數(shù)表

在整機(jī)裝配完成后進(jìn)行跑車測試時(shí)發(fā)現(xiàn)主軸箱體振動(dòng)幅度較大，但該主軸在龍門式機(jī)床使用時(shí)振動(dòng)幅度很小，故可排除主軸原因，經(jīng)分析該振動(dòng)為傳動(dòng)軸的自身不平衡引起的。因鋼制傳動(dòng)軸本身重量較大，不平衡量較多，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的不平衡而引起了主軸箱體的振動(dòng)。

為解決這種現(xiàn)象，筆者思考了多種方案，最常用的方法就是增加配重塊對傳動(dòng)軸進(jìn)行配重減少不平衡。但由于不平衡量過多，配重過程較為繁瑣，需多次反復(fù)檢測才能最終確定配重量和配重位置。此外，不同的傳動(dòng)軸，配重方式相差較大，需要每臺(tái)份產(chǎn)品獨(dú)立做配重檢測， 會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

除配重外，還可采用空心軸、更換鋁合金軸、采用碳纖維等方法解決不平衡的問題。最終，因碳纖維傳動(dòng)軸具有高強(qiáng)度、重量輕、耐腐蝕、振動(dòng)小的特點(diǎn)，且碳纖維在風(fēng)機(jī)行業(yè)已經(jīng)應(yīng)用成熟，選擇了換用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小的碳纖維傳動(dòng)軸。碳纖維材料抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的6～12倍，彈性模量高于鋼材，而其重量僅為普通鋼材的1/5，抗疲勞性是鋼材的10倍，使用壽命可達(dá)20年以上。

更換后的碳纖維傳動(dòng)軸如圖2所示，經(jīng)主軸動(dòng)平衡檢測和切削振動(dòng)檢測發(fā)現(xiàn)改善效果明顯，更換材質(zhì)后，傳動(dòng)軸剛度能否滿足使用工況也需要測試確認(rèn)，下文將對測試過程進(jìn)行詳細(xì)描述[3]。

2 機(jī)床測試

在整機(jī)裝配完成后，分別對使用鋼制傳動(dòng)軸和更換為碳纖維傳動(dòng)軸后的主機(jī)進(jìn)行了檢測，主要項(xiàng)目有主軸動(dòng)平衡檢測、切削試驗(yàn)、主軸切削振動(dòng)測試以及極限工況下的傳動(dòng)軸剛度測試。

2.1 主軸動(dòng)平衡檢測

動(dòng)平衡過程是在工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，測試工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來進(jìn)行調(diào)整。主要測試結(jié)果為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的不平衡量存在的角度、位置以及大小(克數(shù))，然后根據(jù)所得數(shù)據(jù)在相對位置增加或減少重量來實(shí)現(xiàn)平衡。配重過程這里不做介紹，僅將初始的振動(dòng)情況作以對比。

在主軸端面設(shè)置了振動(dòng)測試點(diǎn)，測試在主軸設(shè)定轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)速度，因常用加工轉(zhuǎn)速為4 000～5 000 r/min，所以測試轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 500 r/min。

表2 鋼制傳動(dòng)軸動(dòng)平衡檢測結(jié)果

表3 炭纖維傳動(dòng)軸動(dòng)平衡檢測結(jié)果

檢測結(jié)果如表2和表3所示，結(jié)果表明此機(jī)床使用鋼制傳動(dòng)軸時(shí)振動(dòng)較大，而使用碳纖維傳動(dòng)軸以后振動(dòng)明顯減小。

2.2 切削及振動(dòng)測試

切削測試時(shí)使用1個(gè)三向傳感器采集振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，通過后期數(shù)據(jù)處理得到振動(dòng)速度數(shù)據(jù)，使用振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)表征切削過程中沖擊的大小，單位為m/s2，以有效值計(jì)；使用振動(dòng)速度數(shù)據(jù)表征切削總體振動(dòng)能量大小，單位為mm/s，以有效值計(jì)，傳感器布置在主軸鼻端上。切削時(shí)使用φ200 mm盤銑刀，切深1 mm，進(jìn)給f=300 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速s分別設(shè)置為2 000、3 500、5 000 r/min。切削振動(dòng)數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

表4 鋼制傳動(dòng)軸切削振動(dòng)測試數(shù)據(jù)

通過表中數(shù)據(jù)可知：采用鋼制傳動(dòng)軸時(shí)的切削過程振動(dòng)較為嚴(yán)重，而改為碳纖維傳動(dòng)軸后，切削過程振動(dòng)幅度較小，改善效果明顯。切削表面效果如圖3、圖4所示。

表5 碳纖維傳動(dòng)軸切削振動(dòng)測試數(shù)據(jù)

通過切削表面的直觀對比可發(fā)現(xiàn)鋼制傳動(dòng)軸的加工面振紋明顯，且切削過程中出現(xiàn)了啃刀現(xiàn)象。碳纖維傳動(dòng)軸的加工面無明顯振紋，光潔度較好，效果更為理想。

2.3 傳動(dòng)軸剛度測試

為檢驗(yàn)傳動(dòng)軸更換為碳纖維材質(zhì)后的剛度是否滿足加工參數(shù)，需進(jìn)行剛度測試。通過調(diào)整切深、轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量，使主軸在切削時(shí)達(dá)到最大切削扭矩，檢驗(yàn)這種極限工況下，傳動(dòng)軸的剛度表現(xiàn)。

首先對鋼制傳動(dòng)軸的主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行銑削試驗(yàn)，不斷改變切削數(shù)據(jù)，增大切削扭矩，直到發(fā)生 “悶車”現(xiàn)象，此時(shí)主軸因切削抗力過大，無法切削，導(dǎo)致主軸停轉(zhuǎn)，這時(shí)主傳動(dòng)軸受到的扭矩為極限情況的最大扭矩，記錄此時(shí)的切削參數(shù)如表6所示。按此參數(shù)對碳纖維傳動(dòng)軸進(jìn)行測試，并進(jìn)行至少10次試驗(yàn)，檢驗(yàn)傳動(dòng)軸是否發(fā)生損壞，由此驗(yàn)證傳動(dòng)軸的剛度滿足此機(jī)床加工參數(shù)。

表6 剛度測試切削數(shù)據(jù)

圖5為剛度測試切削圖，在對碳纖維傳動(dòng)軸多次試驗(yàn)后，均達(dá)到表6中參數(shù)時(shí)才出現(xiàn)“悶車”現(xiàn)象，經(jīng)檢查，碳纖維傳動(dòng)軸均未發(fā)生損壞，由此驗(yàn)證碳纖維傳動(dòng)軸的剛度與鋼制傳動(dòng)軸并無差別，滿足此機(jī)床加工參數(shù)。

3 結(jié)語

臥式銑床的高速主傳動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)減速機(jī)與主軸直聯(lián)的形式，解決了主軸箱內(nèi)部多組傳動(dòng)軸和齒輪的組合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速受限的問題。電機(jī)與減速機(jī)遠(yuǎn)離主軸布置，減速機(jī)與主軸間通過傳動(dòng)軸傳遞扭矩的結(jié)構(gòu)使整個(gè)主軸箱重量前后分布均勻，有效防止主軸箱升降時(shí)的爬行和卡頓現(xiàn)象。采用碳纖維傳動(dòng)軸相比鋼制傳動(dòng)軸，動(dòng)平衡檢測結(jié)果較為理想且無需進(jìn)行配重，主軸振動(dòng)幅度明顯改善，且碳纖維材質(zhì)剛度滿足機(jī)床極限工況，切削效果較為理想。 該臥式銑床的高速主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高，可供同類設(shè)備研制時(shí)進(jìn)行參考，同時(shí)碳纖維傳動(dòng)軸各方面的測試結(jié)果，為同類設(shè)備選用碳纖維傳動(dòng)軸時(shí)提供了可靠的技術(shù)支撐。