機床主軸氣動加載平臺研發(fā)及試驗研究*

張志威，薛瑞娟，蔣 崢，王遠航，彭 翀

(1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191；2.國家機床質量監(jiān)督檢驗中心，北京 100102；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610)

0 引言

數(shù)控機床作為工業(yè)母機，其技術先進性影響著制造業(yè)的發(fā)展水平。機床主軸作為數(shù)控機床的關鍵部件，其重要性更是不言而喻，因此針對機床主軸進行加載測試，開展機床可靠性研究具有重要意義。

目前，國外對該方面的研究較少，Kim K S[1]利用靜壓軸承對電主軸進行徑向力加載。國內主要針對模擬真實工況加載進行研究，有液壓加載[2]、機械加載[3-4]、電磁加載[5-7]、測功機加載[8]、壓電陶瓷加載[9]及氣動加載[10]等加載方式。液壓加載裝置、機械加載裝置及電磁加載裝置(接觸式)、壓電陶瓷加載裝置的結構尺寸較大，難以實現(xiàn)加載力精確地控制。測功機加載具有較高的裝配精度要求，電磁加載(非接觸式)負載盤加工工藝要求較高，加載能力較小。氣動加載不僅結構簡單、能源環(huán)保還可實現(xiàn)動態(tài)加載同時操作容易，綜合考慮總體設備空間、扭矩加載要求及搭建試驗平臺可行性等因素，本文選擇氣動加載進行研究。

1 氣動加載裝置研究

1.1 銑削動力學理論建模研究

本文所涉及某型號主軸電機，其加工方式主要是銑削加工，銑削力的大小和很多因素有關，如切削深度、進給速度、轉速等。在不同的加工條件下，主軸承受力的大小也有所不同，受力示意如圖1所示，其中圖1a中銑刀軸線與工作臺平行，屬于圓周銑，圖1b中銑刀軸線與工作臺垂直，屬于端銑。

(a) 圓周銑 (b) 端銑 圖1 主軸受力分析示意圖

圖1中[10]，F(xiàn)c為主切削力，F(xiàn)cn為垂直銑削力，F(xiàn)p為背向力，F(xiàn)為主軸所受合力，F(xiàn)f為縱向分力，F(xiàn)fn為垂直分力，F(xiàn)e為橫向進給力，F(xiàn)′為工件所受合力。

主軸銑削加工過程中受力主要有主切削力Fc、垂直銑削力Fcn和背向力Fp，其中主切削力Fc是銑刀圓周方向上的分力，消耗功率最多；垂直銑削力Fcn是銑刀半徑方向上的分力，一般不消耗功率，但可以是刀桿彎曲變形；背向力Fp是銑刀軸線方向上的力。

若按工作臺運動方向分解力，從工件的角度來看，主要有縱向分力Ff、垂直分力Ffn和橫向進給力Fe，其中縱向分力Ff即進給力與工作臺縱向運動方向平行，消耗進給電機功率；垂直分力Ffn與工作臺面垂直；橫向進給力Fe作用于橫向進給方向。

就立銑逆銑為例，可根據(jù)《機械加工技術手冊》中的經驗公式計算各分力的大小，經驗公式如下：

Fc=CFkFcapxFafyFawuF/d0qFnWF

(1)

M=Fcd0/2000

(2)

Fe=(0.35～0.40)Fc

(3)

Fv=Ffn=(0.20～0.30)Fc

(4)

Ff=(1.00～1.20)Fc

(5)

CF、xF、yF、uF、qF、wF、kFc等均為經驗系數(shù)，可由《機械加工技術手冊》查得，ap為背吃刀量，af為每齒吃刀量，aw為側吃刀量，d0為刀具直徑，n為主軸轉速。

由上所述，就圖1a而言，電主軸所受的徑向力Fr和軸向力Fa分別為：

(6)

Fa=Fe

(7)

就圖1b而言，更符合本課題中電主軸的受力情況，電主軸所受的徑向力Fr和軸向力Fa分別為：

(8)

Fa=Fv

(9)

主軸銑削時主要受徑向力和扭矩作用，本文主要針對扭矩開展研究。

1.2 氣動加載裝置機械結構設計

氣動加載裝置的機械結構主要有扭矩測量及加載兩部分(如圖2所示)。扭矩測量部分主要由扭矩轉速傳感器及聯(lián)軸器組成。加載部分主要由加載棒、軸承座及葉輪組成。扭矩轉速傳感器采用水平安裝的方式，兩端分別連接聯(lián)軸器，一端連接主軸電機，另一端連接加載部分的加載棒。此連接方式結構簡單，加工安裝容易，維護維修方便，可以微量補償安裝誤差，并可起到輕微地減振的作用。加載方面，葉輪通過單鍵與加載棒直接相連，軸向采用軸肩定位螺母壓緊的連接方式。利用軸承支座對該加載部分進行支撐，軸向同樣采用螺母壓緊。此外，設計防護罩將葉輪及噴嘴保護起來，以避免意外對操作人員造成傷害。

1.主軸電機 2.梅花聯(lián)軸器 3.扭矩轉速傳感器4.彈性膜片聯(lián)軸器5.加載棒 6.軸承座7.葉輪 8.噴嘴支架 9.底座試驗臺圖2 氣動加載裝置結構示意圖

機械結構設計考慮了試驗臺的總體設備空間，有效減小了結構尺寸，制造工藝簡單，加載控制方便。

1.3 氣動加載裝置氣動系統(tǒng)設計

氣動系統(tǒng)主要為該裝置提供加載動力，控制加載扭矩的大小以實現(xiàn)變加載扭矩的動態(tài)加載。氣動系統(tǒng)(如圖3所示)主要由空氣壓縮機、空氣軟管、過濾部分、空氣調壓閥及噴嘴組成?？諝鈮嚎s機產生高壓空氣，過濾裝置將高壓空氣中的水汽、油滴及其他雜質過濾。為提高該系統(tǒng)的可靠性，在管路中安裝調壓閥，將過濾后的高壓空氣調至額定氣壓后經噴嘴噴至葉輪表面，施加扭矩載荷。

1.空氣壓縮機 2.分離器 3.氣罐 4.過濾器5.壓力表 6.空氣調壓閥 7.噴嘴圖3 氣動系統(tǒng)工作原理圖

該氣動加載試驗平臺考慮了總體設備空間、扭矩加載要求及試驗運行可行性等，運用銑削動力學模型，克服了傳統(tǒng)主軸加載裝置尺寸大、結構復雜、加工工藝和裝配精度要求高的缺點，具有能源環(huán)保、結構簡單、容易操作等優(yōu)點。

2 主軸氣動加載試驗臺試驗研究

2.1 試驗臺搭建及調試

基于銑削動力學模型，進行氣動加載裝置機械結構及氣動系統(tǒng)設計，研發(fā)了氣動加載試驗臺，實物如圖4所示。該型號主軸的工作轉速范圍為0～24000rpm，額定工作轉速為10000rpm。扭矩轉速傳感器采用水平安裝的方式，一端通過梅花聯(lián)軸器與機床主軸電機連接，另一端通過膜片聯(lián)軸器與加載棒連接并固定于試驗臺。除扭矩轉速傳感器外，在主軸電機上安裝振動傳感器，以判斷機床主軸電機是否正常運轉。此外，機床主軸電機與扭矩傳感器、扭矩傳感器與加載桿的同軸度采用外圓-外圓對中法保證其精度在0.2mm以內。

氣動加載試驗運行步驟如下：

(1)啟動機床主軸電機電源開關，由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電機的轉速；

(2)運行測試軟件，設置相關運行參數(shù)；

(3)調節(jié)空氣調壓閥閥門，觀察氣壓表讀數(shù)直至壓力達到需要設定的數(shù)值；

(4)閥門開啟后，高壓氣體作用在葉輪葉片上，轉化為扭矩；

(5)計算機采集扭矩傳感器輸入的信號，經過處理分析后輸出扭矩、轉速和功率等數(shù)據(jù)。

2.2 試驗及結果分析

機床主軸氣動加載的試驗結果受氣壓、轉速、噴嘴個數(shù)、葉輪葉片個數(shù)等多因素影響，其中氣壓、轉速、噴嘴個數(shù)是影響扭矩加載的最主要因素，因此本試驗將其確定為考察因素。為充分考慮各個因素對加載的影響，并準確評價這三個因素對扭矩加載的影響，本試驗選用全因子試驗設計方法對試驗進行設計。

全因子試驗方法是指所有影響因子的所有水平的所有組合都至少進行一次試驗[11]。相比正交試驗而言，試驗樣本量更大，更能反映試驗的真實性，試驗結果更加有效可靠[12]。該試驗設計方法不僅可以獲得較多的信息量，而且便于對氣動加載試驗平臺進行總體分析評價。

試驗為三因素二水平問題，屬于典型的兩水平全因子試驗。本試驗的三個因素分別是氣壓、轉速、噴嘴個數(shù)，高氣壓、低氣壓是氣壓因素的兩水平，正轉、反轉是轉速的兩水平，單噴嘴、三噴嘴是噴嘴個數(shù)的兩水平。由于加載時，不能準確判定高低氣壓的加載效果的影響，分別在0MPa(低氣壓)、0.3MPa(高氣壓)、0.4MPa(高氣壓)三種氣壓下做試驗以確定高氣壓的具體加載參數(shù)，因此全因子試驗部分共有10組，詳見表1。確定各因素影響大小后，單獨進行4組加載試驗，驗證該氣動加載試驗平臺的在不同轉速、噴嘴數(shù)量和噴嘴氣壓下的動態(tài)加載性能。該試驗涉及正轉和反轉，其定義為主軸電機帶動葉輪旋轉產生氣流方向與噴嘴氣流同向時為正轉，反向時為反轉。該試驗采用主軸(即葉輪)最大轉速為3000rpm，每升高250rpm記錄一次扭矩。

表1 全因子試驗表

2.2.1 全因子反轉試驗

反轉試驗主要包括6組試驗，主軸電機工作狀態(tài)均為反轉。對比單噴嘴與三噴嘴的作用效果及高低氣壓的作用效果，單噴嘴試驗結果如圖5所示，三噴嘴試驗結果如圖6所示。

圖5 單噴嘴反轉扭矩-轉速折線圖

圖6 三噴嘴反轉扭矩-轉速折線圖

對比單噴嘴與三噴嘴的作用效果，在0.3MPa氣壓轉速較低的條件下，單噴嘴產生的扭矩要比三噴嘴扭矩大。出現(xiàn)這一結果的原因是在空壓機氣壓和流量一定的情況下，單噴嘴的損耗小于三噴嘴，故單噴嘴的效率更高。對比氣壓在0.3MPa和0.4MPa的作用效果，0.3MPa時產生更大的扭矩，效果更好?？赡苁怯捎趯嶒炇姨峁┑淖畲髿鈮褐挥?.4MPa且不穩(wěn)定，導致0.4MPa時的效果并不明顯。因此，將0.3MPa作為高氣壓加載的加載標準。

2.2.2 全因子正轉試驗

正轉試驗主要包括4組試驗，主軸電機工作狀態(tài)均為正轉。單噴嘴試驗結果如圖7所示，三噴嘴試驗結果如圖8所示。

圖7 單噴嘴正轉扭矩-轉速折線圖

圖8 三噴嘴正轉扭矩-轉速折線圖

當主軸正向旋轉時，氣動加載系統(tǒng)不能對主軸進行扭矩加載，反而使葉輪自身旋轉產生的扭矩變小了。此外，扭矩比同氣壓同轉速同噴嘴數(shù)下的反向試驗扭矩小，說明該氣動加載試驗不同的轉向會導致不同的加載效果。

2.2.3 加載試驗

加載試驗主要包括4組試驗，主軸電機工作狀態(tài)均為反轉，分別研究轉速(250～3000rpm)、噴嘴數(shù)量(單個和3個)和噴嘴氣壓(0、0.3MPa)對加載扭矩的影響，其中轉速步距為250rpm。單噴嘴試驗結果如圖9所示，三噴嘴試驗結果如圖10所示。

圖9 單噴嘴反轉扭矩-轉速折線圖

圖10 三噴嘴反轉扭矩-轉速折線圖

不論是單噴嘴工作還是三噴嘴工作，在氣壓一定時，主軸扭矩會隨著轉速的升高而增加。在低氣壓時，扭矩不隨氣壓的增大而增大；在高氣壓時，低轉速時扭矩隨氣壓的增大而增大，高轉速時扭矩不隨氣壓的增大而增大。在主軸轉速從1500～3000rpm變化過程中，在高轉速下葉輪旋轉產生的氣流壓強超過了氣動加載系統(tǒng)所施加的壓強，因此導致加載無效。

3 結論

本文以機床主軸為研究對象，結合機床銑削動力學模型設計研發(fā)了新型氣動加載試驗平臺，運用全因子試驗方法開展加載試驗，通過試驗驗證該氣動加載試驗臺的可行性并研究扭矩加載。得到以下結論：

(1)基于銑削動力學模型研發(fā)了一套氣動加載試驗臺，通過氣壓調控實現(xiàn)對主軸不同扭矩的動態(tài)連續(xù)加載。

(2)研究了不同的試驗條件對該氣動加載平臺加載效果的影響。機床主軸的轉向對加載效果有很大影響，主軸電機帶動葉輪旋轉產生氣流方向與噴嘴氣流反向時，該氣動加載裝置可產生阻轉扭矩；同向時，該氣動加載裝置產生助轉扭矩，使扭矩減小。