龍門機(jī)床滑枕部件關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

王元倫，楊樹生，崔崗衛(wèi)，符世忠

(沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司，云南昆明 650203)

0 前言

數(shù)控機(jī)床是裝備制造行業(yè)里的母機(jī)，龍門機(jī)床作為機(jī)床產(chǎn)品中的一大分類，尤其在航天航空、船舶、工程機(jī)械、軍工等行業(yè)中均承擔(dān)著重要的加工角色。針對(duì)零件的加工需求形成不同類型的結(jié)構(gòu)，如定梁動(dòng)柱、動(dòng)梁動(dòng)柱、定梁定柱等。隨著用戶加工對(duì)機(jī)床加工自動(dòng)化性能的要求不斷提高和數(shù)控機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足市場(chǎng)需求，需提升龍門機(jī)床的應(yīng)用功能。常見可在機(jī)床上配置A擺頭、AC擺頭以實(shí)現(xiàn)機(jī)床四軸、五軸聯(lián)動(dòng)加工；部分設(shè)備可在龍門機(jī)床工作頭上配置材料噴涂設(shè)備，結(jié)合機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)不同材料的增材加工等。然而實(shí)現(xiàn)龍門機(jī)床核心功能的滑枕部件，應(yīng)用需求對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)如：最大扭矩輸出時(shí)的剛性，最高轉(zhuǎn)速輸出時(shí)的穩(wěn)定性(溫升、振動(dòng))以及長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性及精度和精度保持性的要求也變得越來越高。針對(duì)目前市場(chǎng)需求，結(jié)合公司技術(shù)現(xiàn)狀和前期生產(chǎn)過程中存在問題，本文作者介紹一款應(yīng)用于公司主流機(jī)床產(chǎn)品上的滑枕部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)使用要求，確定滑枕主軸最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最大扭矩1 920 N·m，最大功率為31 kW。并在使用過程中對(duì)機(jī)床的熱穩(wěn)定性與動(dòng)平衡問題進(jìn)行跟蹤分析，優(yōu)化處理后得到一款能滿足公司龍門產(chǎn)品需求的高性能主要部件。

1 滑枕部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑枕部件主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 滑枕部件主體結(jié)構(gòu)

為了確?；砭哂休^大的剛性和傳動(dòng)精度，選用滑動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝在滑枕座內(nèi)，通過滑枕四周包圍接觸的壓緊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)向。滑枕與滑枕座接口處設(shè)置有刮屑防塵的刮屑板，包裹住滑枕；滑枕座結(jié)合面刻有潤(rùn)滑油槽，為滑枕移動(dòng)提供良好的潤(rùn)滑?；碜鳛閭鲃?dòng)與移動(dòng)部件，設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在保證滑枕自身的剛性同時(shí)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)?；砬岸伺渲糜羞B接板，連接板主要作用為設(shè)置不同的接口尺寸，通過相關(guān)的連接機(jī)構(gòu)連接不同的附件頭，如垂直頭、萬能頭、立臥頭、A擺頭、AC擺頭等，通過附件頭的使用可以大大提高機(jī)床的加工性能。為提高此機(jī)床自動(dòng)化程度，連接板上設(shè)置有自動(dòng)拉頭機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)不同附件頭的自動(dòng)更換功能?；砗蠖税惭b有主變速箱，主變速箱為自主設(shè)計(jì)制造的齒輪箱，通過合理配置齒輪箱體齒輪，以滿足滑枕內(nèi)部主軸的輸出扭矩、功率和轉(zhuǎn)速需求，主變速箱外部設(shè)計(jì)有防護(hù)性能優(yōu)異、造型美觀的減速機(jī)護(hù)罩。

1.1 主變速箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主變速箱體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主變速箱體后部通過電機(jī)連接座連接主電機(jī)。主電機(jī)選用Siemens公司生產(chǎn)的1PH8型，功率為31 kW。同時(shí)，通過修改電機(jī)連接座的接口尺寸，以匹配FANUC系統(tǒng)類似功率扭矩的主電機(jī)。電機(jī)連接座內(nèi)腔中安裝有聯(lián)軸器，將主電機(jī)與內(nèi)部齒輪系統(tǒng)連接在一起。主變速箱體兩側(cè)安裝有平衡油缸聯(lián)接座，平衡油缸安裝于滑枕座上，采用蓄能器+平衡油缸方式，通過液壓能平衡滑枕機(jī)構(gòu)的重力。主變速箱體有旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、主軸位置及準(zhǔn)停進(jìn)行檢測(cè)控制。減速后的轉(zhuǎn)速和功率、扭矩通過箱體傳動(dòng)軸傳遞至滑枕內(nèi)部主軸系統(tǒng)，為主軸提供旋轉(zhuǎn)和切削工作所需的功率和扭矩。后端的松拉刀機(jī)構(gòu)則通過碟簧夾緊、液壓松刀油缸內(nèi)的油壓推動(dòng)活塞進(jìn)一步壓縮碟簧，從而實(shí)現(xiàn)刀具的夾緊及松開狀態(tài)。傳動(dòng)軸和活塞均為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝有空心拉刀桿機(jī)構(gòu)，拉刀桿內(nèi)部則通過后端的旋轉(zhuǎn)接頭為主軸刀具提供內(nèi)冷及吹氣清潔功能。

圖2 主變速箱體結(jié)構(gòu)

1.2 主變速箱體內(nèi)部齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

主變速箱體內(nèi)部設(shè)置3個(gè)傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸上布置有液壓式滑移齒輪換擋機(jī)構(gòu)。齒輪設(shè)計(jì)時(shí)遵循一般有級(jí)變速箱體設(shè)計(jì)原則，選用合適的公比。取變速箱的公比等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即=。機(jī)床主軸的恒功率變速范圍為：=-1=，變速箱的變速級(jí)數(shù)：=lg/lg。通過反復(fù)試算，合理配置齒輪。各齒輪軸及齒輪安裝軸通過支撐軸承固定在主變速箱體上，結(jié)構(gòu)如圖3所示。換擋機(jī)構(gòu)由活塞、撥叉、滑移齒輪、油缸組成。油缸固定于變速箱體上，油缸活塞前后分別設(shè)置兩個(gè)油口。活塞通過撥叉與換擋齒輪連接，換擋通過油缸活塞前后油口進(jìn)油回油、拖動(dòng)滑移齒輪前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

圖3 主變速箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑枕內(nèi)部安裝有主軸系統(tǒng)，主軸系統(tǒng)配置有冷卻套，冷卻套安裝于滑枕內(nèi)孔，冷卻套上設(shè)置有環(huán)形循環(huán)油槽，通過油溫冷卻機(jī)提供恒溫冷卻油對(duì)主軸軸承進(jìn)行冷卻。選擇參考雷博樣本推薦機(jī)床冷卻設(shè)備方法進(jìn)行油溫冷選型計(jì)算。油溫冷卻機(jī)冷卻能力根據(jù)機(jī)床主軸及齒輪箱選型方法計(jì)算：

=×

式中：為主電機(jī)功率，31 kW；為電機(jī)損失，機(jī)械主軸按8%～12%計(jì)算。按較大值計(jì)算，得=31×12=372 kW。

根據(jù)液壓站選型方法，按機(jī)床液壓需求，設(shè)計(jì)液壓站主液壓泵功率為5.5 kW，主軸箱潤(rùn)滑泵功率為0.75 kW，=×，在中低壓力時(shí)按30%～50%計(jì)算，得=(55+075)×50=3.13 kW。油溫冷卻機(jī)的冷卻能力為5 000 W，大于系統(tǒng)的發(fā)熱量。合理選擇油溫冷卻機(jī)型號(hào)及溫度設(shè)置，可以控制機(jī)床在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量。冷卻套孔內(nèi)安裝高精密主軸軸承，軸承選用前三后二的布局形式，前端三列軸承通過自制的鎖緊螺母固定鎖緊在主軸相應(yīng)位置，后端兩列通過進(jìn)口精密鎖緊螺母固定于主軸后端相應(yīng)位置。主軸尾端安裝有輔助支撐軸承，以提高主軸后端的支撐剛性。軸承在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量通過恒溫冷卻油進(jìn)行冷卻。主軸內(nèi)部安裝拉刀機(jī)構(gòu)，通過多次試驗(yàn)后，選擇性能可靠的自制成組拉爪。該拉爪后端有圓弧槽，槽內(nèi)安裝有箍緊彈簧，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在使用過程中拉爪位置不會(huì)發(fā)生變化(這也保證主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的質(zhì)量平衡，從而提高主軸的動(dòng)平衡性能)，拉刀精度高、穩(wěn)定性好、性能優(yōu)良。拉爪機(jī)構(gòu)安裝于拉刀桿前端，通過螺紋連接。拉刀桿上安裝碟形彈簧，通過設(shè)計(jì)選型后，為主軸刀具拉緊及松開提供合理的碟簧變形量?；砬岸酥鬏S布局結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滑枕前端主軸布局結(jié)構(gòu)

由于滑枕長(zhǎng)度較長(zhǎng)，考慮旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)精度的同時(shí)，兼顧滑枕的加工工藝性能，滑枕內(nèi)部傳動(dòng)軸系選用分段式組裝結(jié)構(gòu)，主軸和傳動(dòng)軸連接設(shè)計(jì)為花鍵軸，兩段軸通過花鍵套進(jìn)行連接，安裝到位后配裝錐端緊定螺釘，防止長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后松動(dòng)。整個(gè)軸系較長(zhǎng)，拉刀桿選用分段式結(jié)構(gòu)，為保障拉刀機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量均勻，在拉刀桿上配置有支撐環(huán)，防止支撐環(huán)在拉刀桿上軸向移動(dòng)，在支撐環(huán)兩側(cè)安裝軸用彈性卡箍進(jìn)行定位。連接結(jié)構(gòu)詳見圖5。

圖5 主軸與傳動(dòng)軸連接結(jié)構(gòu)

如圖5所示，主軸尾端支撐軸承及傳動(dòng)軸上的支撐軸承外安裝冷卻套。冷卻套上設(shè)置有螺旋冷卻油槽，各冷卻油槽通過油管連接，串聯(lián)接入冷卻油，通過螺旋槽后由油管引回油溫冷卻機(jī)，組成冷卻回路。

1.4 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸后端與主變速箱連接，前端與主軸連接，安裝于滑枕內(nèi)部。傳動(dòng)軸上設(shè)置有3處軸承支撐，每處軸承均選用兩列角接觸球軸承按照背對(duì)背形式安裝。傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)如圖6所示，其各軸承冷卻結(jié)構(gòu)如圖6下部視圖所示，各冷卻套通油結(jié)構(gòu)如圖6所示。傳動(dòng)軸上軸承外圈通過安裝在軸承座上的端蓋壓緊，精密鎖緊螺母將軸承內(nèi)圈并緊在傳動(dòng)軸上。其安裝方式參照軸承樣本上背對(duì)背安裝方式進(jìn)行調(diào)整，符合軸承在運(yùn)行過程中的工況要求。各組支撐軸承安裝于滑枕內(nèi)相應(yīng)安裝孔中，為了便于安裝，滑枕相應(yīng)的位置應(yīng)設(shè)置安裝窗口，在安裝完成后用蓋板將窗口蓋好。

圖6 滑枕內(nèi)傳動(dòng)軸機(jī)構(gòu)

1.5 附件頭拉頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

附件頭作為機(jī)床功能擴(kuò)展的主要實(shí)現(xiàn)裝置，大大擴(kuò)展了機(jī)床的加工性能。尤其是在龍門機(jī)床上，附件頭的使用更加廣泛，但由于附件頭質(zhì)量較大，手動(dòng)更換過程中附件頭定位與固定工作極其繁重。為了提升機(jī)床的自動(dòng)化程度，減少在加工過程中附件頭更換時(shí)間的占比，實(shí)現(xiàn)機(jī)床各種附件頭的自動(dòng)更換更加重要。為了滿足這一要求，該龍門機(jī)床滑枕前端設(shè)有自動(dòng)拉頭機(jī)構(gòu)。當(dāng)有更換需求時(shí)，機(jī)床滑枕運(yùn)行到附件頭自動(dòng)更換位置后(附件頭的連接尺寸要求與連接板尺寸相對(duì)應(yīng))，附件拉頭機(jī)構(gòu)液壓缸進(jìn)油，推動(dòng)活塞與拉頭桿前移，拉爪處于松開狀態(tài)?；磉\(yùn)動(dòng)至更換位置，電氣控制感應(yīng)開關(guān)接收到位置到位信號(hào)后，控制系統(tǒng)給出信號(hào)，液壓換向閥工作，附件拉頭機(jī)構(gòu)液壓缸回油，在碟簧的彈力作用下拉爪和附件頭上的拉釘拉緊，實(shí)現(xiàn)附件頭自動(dòng)拉緊。結(jié)構(gòu)如圖7所示，在滑枕端面連接板上設(shè)置4個(gè)拉緊機(jī)構(gòu)，均布于連接板的4個(gè)90°位置，拉頭性能穩(wěn)定，拉力均勻可靠。

圖7 附件頭拉頭機(jī)構(gòu)

2 滑枕軸系動(dòng)平衡優(yōu)化

振動(dòng)主要源于軸系的動(dòng)不平衡量，尤其是長(zhǎng)軸系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(長(zhǎng)軸拼接構(gòu)成軸系，由于不是整體加工，質(zhì)量平衡更不易通過加工保證)。根據(jù)公司生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及機(jī)械振動(dòng)與沖擊國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)譯文集中所述對(duì)機(jī)床類設(shè)備動(dòng)平衡要求，設(shè)定動(dòng)平衡等級(jí)為G2.5，以質(zhì)量為30 kg的平衡值要求為例：=30 kg×3.15 μm=94.5 g/mm，軸系旋轉(zhuǎn)半徑為200 mm，此處不平衡質(zhì)量為：=94.5/200=0.472 5 g。計(jì)算的結(jié)果不平衡質(zhì)量確定后，依次計(jì)算其余軸系的不平衡質(zhì)量要求并做動(dòng)平衡修正。

在SCHENCK動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)，據(jù)此對(duì)主變速箱體內(nèi)齒輪軸系、滑移齒輪軸系、輸出軸及安裝于軸上的齒輪軸系、傳動(dòng)軸、主軸軸系(內(nèi)裝拉刀桿部件)軸系進(jìn)行動(dòng)平衡修正。動(dòng)平衡檢測(cè)如圖8所示。

圖8 SCHENCK設(shè)備上作動(dòng)平衡

部件動(dòng)平衡修正結(jié)束后，進(jìn)行整套滑枕機(jī)構(gòu)組裝。由于各部件裝配后動(dòng)不平衡質(zhì)量可能存在累積疊加或抵消的情況，很多時(shí)候整個(gè)軸系相比未修正狀態(tài)好些，但仍不能滿足整個(gè)傳動(dòng)軸系(尤其是較長(zhǎng)軸系)的動(dòng)平衡要求，此時(shí)便需要在整機(jī)裝配后，在主軸試車過程中再次進(jìn)行檢測(cè)、修正。整機(jī)動(dòng)平衡使用SKF Microlog MX series便攜式狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，利用其進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估和噪聲、振動(dòng)根源的分析和診斷，分析滑枕部組在運(yùn)行過程中的振動(dòng)源。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)初期便在主軸端面、主軸與傳動(dòng)軸連接套位置、傳動(dòng)軸后端設(shè)置有動(dòng)不平衡量調(diào)整結(jié)構(gòu)，通過在相應(yīng)位置進(jìn)行材料去除或添加，以確保整個(gè)長(zhǎng)軸系的動(dòng)平衡狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求。整個(gè)滑枕內(nèi)主軸軸系動(dòng)平衡檢測(cè)評(píng)估如圖9所示。值得一提的是，為了確保動(dòng)平衡修正結(jié)束后滑枕內(nèi)整套軸系具有穩(wěn)定可靠的裝配穩(wěn)定性和相對(duì)位置的準(zhǔn)確性，在連接零件的連接處設(shè)置有專用的凹槽對(duì)合，可以在槽內(nèi)灌入一定量的高精度定位膠，灌膠可保證配合的零間隙性和可拆卸性。

圖9 整機(jī)狀態(tài)下的主軸動(dòng)平衡修正

在整機(jī)狀態(tài)下動(dòng)平衡檢測(cè)修正結(jié)束后，滑枕內(nèi)的主軸軸系結(jié)構(gòu)便可穩(wěn)定可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)。但為了確保機(jī)床在后期長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)具有更好的穩(wěn)定性和精度保持性，需對(duì)滑枕機(jī)構(gòu)的熱伸長(zhǎng)特性進(jìn)行檢測(cè)。

3 滑枕熱變形測(cè)試與補(bǔ)償

在主軸運(yùn)行過程中，主軸熱源主要來源于主軸軸承運(yùn)行發(fā)熱、刀具切削過程中產(chǎn)生的切削熱等。熱源問題比較復(fù)雜，雖然在滑枕設(shè)計(jì)過程中考慮了主軸軸承恒溫油冷卻，主軸端面設(shè)置有刀具外冷、中心出水內(nèi)冷等完善的冷卻系統(tǒng)，但機(jī)床在運(yùn)行過程中，由于環(huán)境因素等，還是無法保證機(jī)床始終處于高精度加工狀態(tài)。這樣便需要進(jìn)一步對(duì)滑枕系統(tǒng)的熱特性進(jìn)行檢測(cè)，摸索出相應(yīng)的溫升與伸長(zhǎng)的規(guī)律后，對(duì)熱伸長(zhǎng)量進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，以保證滑枕在發(fā)熱伸長(zhǎng)后機(jī)床刀具空間位置的相對(duì)位置穩(wěn)定。

針對(duì)龍門機(jī)床滑枕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熱穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)，對(duì)機(jī)床滑枕、、三向的熱漂移和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行檢測(cè)?；頍嵘扉L(zhǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集如圖10所示。

圖10 滑枕熱伸長(zhǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集

對(duì)每段溫升對(duì)應(yīng)的滑枕熱伸長(zhǎng)數(shù)值進(jìn)行分析，針對(duì)滑枕容易伸長(zhǎng)方向(向)的伸長(zhǎng)值，通過數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的相應(yīng)移動(dòng)軸進(jìn)行反向補(bǔ)償，最終可得到加工精度滿足用戶使用要求的龍門機(jī)床。

4 結(jié)語(yǔ)

該滑枕機(jī)構(gòu)主要包括滑枕、滑枕端面連接板、主變速箱機(jī)構(gòu)、滑枕內(nèi)部主軸軸系、拉刀機(jī)構(gòu)、附件頭拉頭機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸等，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分析評(píng)估完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在裝配過程中嚴(yán)格認(rèn)真做好轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)平衡，裝配結(jié)束后對(duì)整機(jī)狀態(tài)動(dòng)平衡修正、滑枕熱伸長(zhǎng)量進(jìn)行測(cè)量調(diào)整，成功解決了滑枕機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)剛性、使用壽命和熱穩(wěn)定性的問題。通過上述方法與措施，成功研制出滿足使用要求的優(yōu)質(zhì)滑枕機(jī)構(gòu)。目前該滑枕已成功應(yīng)用于公司生產(chǎn)的XK24系列龍門機(jī)床上，并以其優(yōu)良的加工剛性和穩(wěn)定性受到用戶的認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)，同時(shí)為類似的機(jī)床滑枕設(shè)計(jì)提供了參考。