主軸夾刀系統(tǒng)優(yōu)化方案的探討

李俊江

成都領(lǐng)克汽車有限公司 四川成都 610100

1 序言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，汽車行業(yè)逐漸向大規(guī)模、大批量及高精度的方向發(fā)展。加工中心由于能實(shí)現(xiàn)集成加工產(chǎn)品，可以有效地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，以及縮短生產(chǎn)周期，因而得到了廣泛的使用。

主軸是加工中心的主要加工部件，對(duì)產(chǎn)品的加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。通常主軸分為機(jī)械主軸和電主軸兩種，區(qū)別在于電主軸是將主軸與電動(dòng)機(jī)集成在一起，因此具有體積小、精度好及轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，但缺點(diǎn)是不能承受較大的切削力；機(jī)械主軸由于在結(jié)構(gòu)上主軸與電動(dòng)機(jī)分開，增加了一級(jí)動(dòng)力傳輸，所以導(dǎo)致精度與最高轉(zhuǎn)速都不如電主軸，但是卻能夠承載較大的切削力。由于兩種主軸各自的特點(diǎn)，因而它們?cè)谏a(chǎn)活動(dòng)中有著不同的應(yīng)用。

2 設(shè)備介紹

DM500Ⅱ型臥式加工中心是缸體機(jī)加線所用的設(shè)備，合格件的年加工量為11萬件缸體，持續(xù)生產(chǎn)1000 件缸體的工廢廢品率＜0.5%，單機(jī)的設(shè)備開動(dòng)率為96% ，單件零件的加工工時(shí)＜72s，設(shè)備加工能力值為：CAM≥1.33、CPK≥1.1。

DM50S4B 型直聯(lián)式機(jī)械主軸，是DM500Ⅱ型臥式加工中心的配套產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，主軸允許的最大轉(zhuǎn)速為 6000r/min。該主軸由中空伺服電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、夾刀系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。同時(shí)該主軸還配備了主軸軸承冷卻恒溫裝置、主軸軸承油氣潤(rùn)滑裝置、主軸氣密封，換刀吹氣的清潔氣源、刀具內(nèi)冷的高壓切削液，以及外部循環(huán)冷卻水、松拉刀液壓缸所需的液壓系統(tǒng)。

主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該型主軸錐孔內(nèi)的徑向圓跳動(dòng)值為0.003mm，距主軸端面300mm處量棒上的徑向圓跳動(dòng)值為0.01mm，軸端面的軸向圓跳動(dòng)值為0.002mm。

圖1 機(jī)械主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 主軸存在的問題

3.1 主軸在換刀過程中的動(dòng)作

該型主軸在換刀過程中的動(dòng)作如下。

1）主軸定向。

2）電磁換向閥的閥頭YV9得電，主軸松刀液壓缸活塞桿克服拉刀桿碟簧的彈力向前運(yùn)動(dòng)至行程極限，使主軸處于松刀狀態(tài)；同時(shí)換刀臂將刀具插入到主軸當(dāng)中，電磁換向閥頭YV9失電。液壓原理如圖2所示。

3）電磁換向閥的閥頭YV10得電，松刀液壓缸活塞桿退回，主軸利用拉刀桿碟簧的彈力將刀具鎖緊，電磁換向閥頭YV10失電。

4）換刀過程完成，主軸進(jìn)行正常的切削加工。

圖2 原松刀機(jī)構(gòu)液壓原理

3.2 主軸存在的缺陷

由圖3可以看出，主軸并沒有設(shè)計(jì)對(duì)拉刀桿位置的直接檢測(cè)，而是采用接近開關(guān)檢測(cè)固定在松刀液壓缸上發(fā)令桿位置的方式來確定主軸的工作狀態(tài)。在主軸的設(shè)計(jì)理念里，只要檢測(cè)到松刀液壓缸活塞的前后兩個(gè)極限位置，就可以判定主軸究竟是處于松刀狀態(tài)還是夾刀狀態(tài)。

圖3 拉刀檢測(cè)

主軸拉刀桿在實(shí)際生產(chǎn)中的工作狀態(tài)應(yīng)當(dāng)有4種，分別是主軸松刀、主軸有刀夾緊、主軸無刀夾緊及主軸有刀未夾緊。這4種狀態(tài)中，前3種是正常的工作狀態(tài)，第4種為故障狀態(tài)。按照主軸出廠時(shí)的設(shè)計(jì)，松刀液壓缸的活塞桿只有兩個(gè)位置狀態(tài)，由于只能檢測(cè)活塞的前后兩個(gè)極限位置，主軸是否處于后3種狀態(tài)，設(shè)備根本無法識(shí)別。在這種情況下，就可能出現(xiàn)：當(dāng)主軸進(jìn)行換刀時(shí)，如果主軸未能將刀具夾緊，甚至是刀具在加工過程中掉落，設(shè)備將無法得到正確的報(bào)警信號(hào)，使加工的零件報(bào)廢。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)次數(shù)隨著產(chǎn)量的增加而增加，特別是在進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)尤為凸顯。

4 主軸的優(yōu)化方案

4.1 優(yōu)化思路

通過不斷的分析和研究，考慮了以下幾種優(yōu)化思路。

思路一：在主軸軸身上通過鉆孔等方式增加傳感器，通過直接檢測(cè)拉刀桿的位置來確定主軸的夾刀狀態(tài)。

思路二：在主軸前端增加傳感器，通過直接檢測(cè)刀柄的位置來判定夾刀的狀態(tài)。

思路三：將主軸前端用作換刀吹氣的清潔氣源變更為氣檢裝置，通過壓縮氣體的壓力值來判斷夾刀的狀態(tài)。

思路四：優(yōu)化主軸拉刀桿與活塞桿的結(jié)構(gòu)及功能。

以上幾種思路在理論上都有一定的可操作性，并且可以在很大程度上避免出現(xiàn)刀未夾緊卻繼續(xù)加工生產(chǎn)的情況，但是通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了很多問題。

1）主軸的軸身存在較多的內(nèi)置管路，包括冷卻管路、潤(rùn)滑管路及液壓管路，由于主軸的生產(chǎn)加工工藝對(duì)于生產(chǎn)廠家來說屬于商業(yè)機(jī)密，所以生產(chǎn)廠家不同意提供主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖樣。如果采用思路一，就很有可能出現(xiàn)因破壞軸身內(nèi)置管路而導(dǎo)致主軸損壞的情況，并且這種破壞無法修復(fù)。經(jīng)過權(quán)衡，認(rèn)為思路一風(fēng)險(xiǎn)太大，因此放棄該思路。

2）在現(xiàn)場(chǎng)觀察中發(fā)現(xiàn)，主軸前端的工況較為惡劣。設(shè)備采用的加工方式為濕式加工，切削液在噴出的過程中具有較大的壓力及流量，按照以往的經(jīng)驗(yàn)并咨詢傳感器制造商，判定傳感器的工作壽命不足以滿足使用需求。同時(shí)在加工過程中切屑紛飛，極有可能頻繁出現(xiàn)傳感器誤報(bào)警的情況?；谝陨显?，最終放棄了思路二。

3）思路三中主軸的清潔壓縮空氣從主軸內(nèi)冷孔中吹出，該思路只適用于無內(nèi)冷的刀具，而該加工中心存在鉆孔和攻螺紋等加工工序，在加工過程中必須一直噴出內(nèi)冷切削液，因此思路三只能保證主軸在裝夾部分刀具的情況下具備刀具未夾緊的報(bào)警功能，因此也被排除。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及論證，確定以思路四為基礎(chǔ)制定優(yōu)化方案。

4.2 優(yōu)化方案

（1）方案設(shè)計(jì) 主軸原設(shè)計(jì)中只有兩個(gè)傳感器對(duì)松刀液壓缸的極限位置進(jìn)行檢測(cè)，這兩個(gè)極限位置中，一個(gè)是松刀位置，一個(gè)是松刀液壓缸卸油位置。而目前需要監(jiān)測(cè)的點(diǎn)包括：主軸松刀位置、主軸有刀夾緊位置、主軸無刀夾緊位置及松刀液壓缸卸油位置。因此，首先需要增加兩個(gè)傳感器，分別對(duì)主軸有刀夾緊位置、主軸無刀夾緊位置進(jìn)行檢測(cè)。

由于無法對(duì)拉刀桿的位置進(jìn)行監(jiān)控，只能監(jiān)控松刀液壓缸活塞桿的位置，因此必須保證在刀具裝夾的過程中，松刀液壓缸活塞桿與拉刀桿的相對(duì)位置不能發(fā)生變化，只有在這種情況下，活塞桿的位置才能等同于拉刀桿的位置。根據(jù)這一思路，還需要對(duì)液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

（2）方案實(shí)施 過程如下。

1）在液壓缸活塞上，在原有發(fā)令桿的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°的位置新增加一根發(fā)令桿，新增加的發(fā)令桿的作用是感應(yīng)主軸有刀夾緊位置、主軸無刀夾緊位置。這樣可以避免活塞桿位置檢測(cè)傳感器因布置得過于密集而產(chǎn)生的信號(hào)不穩(wěn)定。

2）更改液壓系統(tǒng)，將主軸松刀油路上的電磁換向閥由以前的O形閥（見圖2）替換為同類型的Y形閥，并且在松刀油路的回油管路上增加一個(gè)可調(diào)式溢流閥。液壓系統(tǒng)改造完畢后的液壓原理如圖4所示。

圖4 松刀機(jī)構(gòu)改造后的液壓原理

3）更改控制程序，將電磁換向閥的閥頭得電順序做出調(diào)整。刀具被插入主軸之前的得電順序不變，在換刀臂將刀具插入到主軸當(dāng)中且電磁換向閥頭YV9失電之后，不允許閥頭YV10得電，這時(shí)電磁換向閥處于中位狀態(tài)。由于該閥更換為Y形閥，松刀液壓缸此時(shí)處于自由狀態(tài)。這時(shí)，拉刀桿依靠自身的碟簧彈力推動(dòng)松刀液壓缸的活塞向后移動(dòng)，在此期間，拉刀桿與液壓缸活塞緊密貼合，直到拉刀桿處于拉刀狀態(tài)；同時(shí)，在回油管路上增加的溢流閥起背壓作用，可以在最大程度上避免活塞在拉刀桿停止運(yùn)動(dòng)后因?yàn)閼T性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。通過計(jì)算和在加工中心上的實(shí)際驗(yàn)證，得出：當(dāng)拉刀桿的拉刀力為48kN時(shí)，回油管路上的溢流閥的溢流壓力調(diào)整為1.8MPa較為合適，此時(shí)既能避免活塞的慣性運(yùn)動(dòng)，又不影響液壓系統(tǒng)的正常工作。當(dāng)機(jī)床得到主軸有刀夾緊位置或者無刀夾緊位置的信號(hào)后，電磁換向閥的閥頭YV10得電，松刀液壓缸退回原位，此時(shí)一個(gè)換刀過程完成。

4）液壓系統(tǒng)改造完成后，當(dāng)拉刀桿處于拉刀狀態(tài)時(shí)，松刀液壓缸活塞桿的位置即為主軸的夾緊位置，對(duì)主軸在有刀和無刀狀態(tài)下的位置不斷地進(jìn)行試驗(yàn)，通過檢測(cè)新增加的發(fā)令桿的位置，得到主軸的有刀夾緊位置和無刀夾緊位置。

5）在主軸后端的鐘形罩上增加兩個(gè)傳感器，分別用來感應(yīng)兩個(gè)夾刀位置的信號(hào)。加工過程中，在有刀存在的情況下，如果有刀夾緊位置及無刀夾緊位置均未檢測(cè)到信號(hào)，則說明刀具未正確裝夾；如果無刀夾緊位置檢測(cè)到信號(hào)，則說明刀具掉落，未能裝夾。當(dāng)出現(xiàn)以上情況時(shí)，設(shè)備會(huì)得到報(bào)警信息，機(jī)床立即停止加工。在無刀存在的狀態(tài)下，如果機(jī)床在無刀夾緊位置未檢測(cè)到信號(hào)，那么說明拉刀桿本身可能出現(xiàn)了故障，為避免故障的擴(kuò)大以及出現(xiàn)更大的損失，應(yīng)當(dāng)盡快安排檢修。

5 結(jié)束語

主軸優(yōu)化改造完成后，通過近8個(gè)月的生產(chǎn)及觀察，再未出現(xiàn)過因刀具未夾緊而不報(bào)警的情況，使改造優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期效果。由于新增加了在無刀時(shí)對(duì)拉刀桿的檢測(cè)，成功地提前判斷出一次拉刀桿生銹發(fā)卡的故障，因而為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)節(jié)約了寶貴的時(shí)間，該項(xiàng)功能超出了預(yù)期目標(biāo)。

對(duì)一些無法進(jìn)行直接性改造的設(shè)備或部件，如果避開困難點(diǎn)，采用迂回的思路，對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合的思考和判斷，也可達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。