國產(chǎn)主軸單元在加工中心上的應(yīng)用

羅海軍

（寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721013）

0 引言

我國的機(jī)床行業(yè)最近幾年有了長足的進(jìn)步，但是核心功能部件與歐美等品牌有一定的差距。主軸系統(tǒng)性能與機(jī)床的加工精度精密相關(guān)，是機(jī)床最重要的功能部件，主軸單元的動靜態(tài)性能的優(yōu)劣對加工精度和運(yùn)行可靠性影響非常大[1]。本文詳細(xì)地闡述了國產(chǎn)主軸在立式加工中心上的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方案，機(jī)床樣機(jī)試制完成后做了大量熱補(bǔ)償和可靠性試驗(yàn)，并且匯總了一些問題反饋給主軸部件配套單位（北京北一機(jī)床廠），為其后續(xù)的改進(jìn)、批量生產(chǎn)提供理論依據(jù)。打造質(zhì)量過硬、結(jié)構(gòu)先進(jìn)的機(jī)床功能部件是提高我國機(jī)床行業(yè)整體水平的重要組成部分，是保障制造業(yè)核心競爭力、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的必經(jīng)之路。

1 VMC850L立式加工中心典型工況及主軸選型分析

1.1 低速大轉(zhuǎn)矩銑平面

加工工件材料為45鋼，刀具選用硬質(zhì)合金端銑刀YG6直徑d0=80 mm[2]，主軸轉(zhuǎn)速n=400 r/min，進(jìn)給量fz=0.1 mm/z，背吃刀量ap=3 mm，側(cè)吃刀量ae=60 mm，刀具齒數(shù)z=6,結(jié)合公式vf=nfzz計(jì)算出主軸系統(tǒng)所需功率[3]：

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min；fz為每齒進(jìn)給量，mm/z；ap為背吃刀量，mm；ae為側(cè)吃刀量，mm；Pc為有效功率，kW；T為額定轉(zhuǎn)矩，N·m；Kc為單位切削力，MPa。

1.2 大切削力及功率銑槽

加工工件材料為45鋼，刀具選用硬質(zhì)合金立銑刀直徑d0=28 mm，主軸轉(zhuǎn)n=1550 r/min，進(jìn)給量fz=0.1 mm/z，背吃刀量ap=10 mm，側(cè)吃刀量ae=28 mm，刀具齒數(shù)z=4,計(jì)算出主軸系統(tǒng)所需功率：

1.3 主軸功能部件選型結(jié)果分析

根據(jù)專項(xiàng)要求使用北一機(jī)床廠提供的TZ041A20001型直聯(lián)主軸，該主軸最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為96.5 N，最大輸出功率12 kW。這些數(shù)據(jù)都大于機(jī)床的典型工況加工計(jì)算值，并且大于本次機(jī)床的設(shè)計(jì)最大功率11 kW和最大轉(zhuǎn)矩值75 N·m，主軸電動機(jī)選用FAUNC βiI 8/12000來滿足使用要求。

1.4 對主軸箱體進(jìn)行有限元分析及靜態(tài)剛度計(jì)算

立銑刀在銑槽時，主軸系統(tǒng)所受軸向抗力是造成主軸箱變型的重要因素，如圖1所示。根據(jù)1.2節(jié)大切削力銑槽工況中所計(jì)算出的切削力Fz=4185 N，根據(jù)公式F0≈（0.50～0.55）·Fz，可計(jì)算出銑削時的軸向抗力F0≈2300 N。

圖1 主軸系統(tǒng)抗力分析

在F0載荷作用下進(jìn)行主軸部件剛度K0計(jì)算[4]，變形是由主軸箱自身和導(dǎo)軌接觸變形兩部分組成的。箱體自身負(fù)載處變形量（如圖2）為10.7 μm，根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡、變幾何關(guān)系與Z軸導(dǎo)軌副剛度參數(shù)，計(jì)算出Z軸滑動導(dǎo)軌副接觸變形所引起切削點(diǎn)位移為5.17 μm。主軸部件剛度K0=2300÷（10.72+5.17）=145 N/μm。

Simulation是SolidWorks 附帶的有限元分析插件，該插件在實(shí)踐應(yīng)用中較為成功，能滿足單個零部件靜態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變和位移等的有限元分析。利用該軟件為此次課題設(shè)計(jì)主軸箱體提供很好的仿真依據(jù)，對箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。

如圖2所示，主軸系統(tǒng)在受到2300 N的軸向抗力時，其變形量最大為0.0107 mm，這時主軸中心距導(dǎo)軌安裝面的距離為570 mm。如圖3所示,將此距離變?yōu)?00 mm，主軸系統(tǒng)在承受同樣的軸向抗力時，變形量最大值為0.0104 mm，有了明顯的減少。通過仿真模擬和對主軸部件剛度K0的計(jì)算，在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中適當(dāng)減小了箱體中心孔到導(dǎo)軌面的距離，在保證Z軸行程的前提下導(dǎo)軌支撐盡量下移，可有效地提高主軸系統(tǒng)的剛度。

圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前箱體變形量

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后箱體變形量

2 機(jī)床主軸功能部件的設(shè)計(jì)

2.1 主軸功能部件的氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動設(shè)計(jì)為本次主軸系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，直聯(lián)主軸氣路較為復(fù)雜，對氣流的壓力和干燥度有著相應(yīng)的要求。如圖4所示，主氣源通過氣動三聯(lián)件4分為三路：一路接壓力檢測開關(guān)5監(jiān)控整個系統(tǒng)的壓力，如果過低機(jī)床就會報警；一路接圓盤刀庫，刀庫上自帶電磁換向閥，控制刀套旋轉(zhuǎn)；最后一路在進(jìn)入高分子干燥器6前又分為三路，第一路通過電磁閥7控制主軸箱上竹節(jié)管加工吹氣，起到清理和冷卻工件的作用；第二路連接氣液轉(zhuǎn)化打刀缸9，打刀缸把氣壓轉(zhuǎn)化為油壓控制松刀，并且同時控制主軸拉刀與主軸錐孔吹氣；第三路通過高分子干燥器6過濾后，依次通過調(diào)壓閥3和電磁閥2來控制主軸上的氣幕保護(hù)功能。

圖4 主軸系統(tǒng)氣動原理圖

2.2 主軸功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主軸系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響著整個機(jī)床的性能。區(qū)別于以往傳統(tǒng)分體式結(jié)構(gòu)，由圖5可以看出，伺服電動機(jī)1直接連接在主軸箱體2上，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了主軸系統(tǒng)整體精度和剛度，主軸箱采用高強(qiáng)度鑄鐵，經(jīng)過多次時效處理，有效抑制了加工過程中切削力導(dǎo)致的變形及應(yīng)力。外冷卻管3集成在主軸箱右側(cè)，結(jié)構(gòu)緊湊，為加工提供大流量的冷卻液。Z軸導(dǎo)軌防護(hù)罩4采用不銹鋼材質(zhì)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，保護(hù)立柱導(dǎo)軌淬硬面免受極端工況的破壞。導(dǎo)軌壓板及鑲條5配合貼塑、刮研工藝，使摩擦阻力小，負(fù)荷能力高，精度保持性長久。高強(qiáng)度絲杠螺母座6配合大轉(zhuǎn)矩交流伺服電動機(jī)與滾珠絲杠直接傳動，保持了零件加工高精度；導(dǎo)軌、滾珠絲杠副采用中央集中自動稀油潤滑，各個節(jié)點(diǎn)配有定量式分油器7，定時定量向各潤滑部位注油，保證各滾動面均勻潤滑，有效地減小摩擦阻力，提高了運(yùn)動精度，保證了滾珠絲杠副和導(dǎo)軌的使用壽命。高剛性聯(lián)軸器8連接主軸和電動機(jī)，保證主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中平穩(wěn)、可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩。

圖5 主軸箱體部件結(jié)構(gòu)

3 機(jī)床主軸功能部件的熱補(bǔ)償及可靠性試驗(yàn)

3.1 主軸系統(tǒng)熱誤差形成的原因

由溫升引起的熱誤差占總誤差的40%～60%，是影響加工精度的主要因素[5]。如圖6所示，主軸高速旋轉(zhuǎn)時，主軸軸承內(nèi)外環(huán)高速摩擦產(chǎn)生大量熱量，這些熱量使主軸空間姿態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生熱伸長、熱傾斜和熱漂移等形變，這些形變又引起刀具與工件相對位置發(fā)生變化，導(dǎo)致工件加工精度變差[6]。

圖6 刀具熱漂移示意

3.2 溫度測量

在VMC850L立式加工中心的3個進(jìn)給軸各布置2個溫度傳感器，其中一個靠近X、Y、Z軸絲杠螺母位置，另外一個遠(yuǎn)離絲杠電動機(jī)端；在主軸和機(jī)床底座（環(huán)境溫度）上分別布置了2處溫度傳感器，采集相應(yīng)的溫度場信息并反饋到誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對全閉環(huán)熱態(tài)定位誤差的實(shí)時補(bǔ)償，溫度傳感器在數(shù)控機(jī)床上的安裝如圖7所示。

圖7 溫度傳感器安裝示意圖

3.3 數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能分析

根據(jù)機(jī)床工況和關(guān)鍵點(diǎn)溫度預(yù)測熱誤差，數(shù)控系統(tǒng)反向調(diào)節(jié)機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)或進(jìn)給軸參數(shù)，來抵消或減少熱誤差。智能補(bǔ)償模塊采集機(jī)床熱敏感點(diǎn)的實(shí)時溫度，并根據(jù)補(bǔ)償模型計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)，將補(bǔ)償參數(shù)傳送給PLC，再由PLC通過通信接口將補(bǔ)償參數(shù)寫入NC系統(tǒng)，改變CNC中熱誤差補(bǔ)償參數(shù)，實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償。

圖8所示為五點(diǎn)法測量機(jī)床主軸熱漂移，主軸空運(yùn)轉(zhuǎn)加熱誤差補(bǔ)償功能和不加補(bǔ)償各5 min，記錄X向主軸熱變形數(shù)據(jù)。補(bǔ)償后熱漂移明顯減小，補(bǔ)償效果良好。

圖8 主軸熱漂移示意

3.4 主軸的最大轉(zhuǎn)矩及功率試驗(yàn)

在機(jī)床恒轉(zhuǎn)矩區(qū)范圍內(nèi)選取主軸轉(zhuǎn)速n＝400 r/min，采用直徑d0＝80 mm六齒YG6硬質(zhì)合金鋼端銑刀進(jìn)行銑削試驗(yàn)，通過改變進(jìn)給速度或切削深度，使機(jī)床達(dá)到設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)矩T＝70 N·m，此次試驗(yàn)過程中主軸及過載保護(hù)裝置工作正常、可靠。

在機(jī)床恒功率區(qū)范圍內(nèi)選取主軸轉(zhuǎn)速n＝1550 r/min，采用直徑d0＝28 mm四齒硬質(zhì)合金鋼端銑刀進(jìn)行銑削試驗(yàn)，通過改變進(jìn)給速度或切削深度，使機(jī)床達(dá)到設(shè)計(jì)最大功率11 kW，此次試驗(yàn)過程中主軸同樣工作正常、可靠。

按照GB/T 18400.2-2010《加工中心 檢驗(yàn)條件 第2部分：立式或帶垂直主回轉(zhuǎn)軸的萬能主軸頭機(jī)床幾何精度檢驗(yàn)（垂直Z軸）》中G10和G11項(xiàng)復(fù)查負(fù)荷試驗(yàn)后主軸單元的精度[7]，實(shí)測精度均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

數(shù)控加工中心本身功能需求的擴(kuò)大，需要與之配套的功能部件水平也要大幅度提高, 甚至很多功能的增加和提高需要通過功能部件來完成，通過本次主軸功能部件在加工中心上的應(yīng)用試驗(yàn)，可以充分地了解和挖掘國產(chǎn)功能部件的性能和特點(diǎn)，為以后的改進(jìn)和功能部件品牌提升打下基礎(chǔ)。在面對國外競爭時不被制約，是我國基礎(chǔ)制造業(yè)的重中之重。機(jī)床推向市場面對終端用戶，主軸等功能部件對機(jī)床的精度保持性、可靠性、穩(wěn)定性方面發(fā)揮著巨大的作用，隨著國產(chǎn)部件質(zhì)量和匹配度的增高，機(jī)床行業(yè)也會煥發(fā)出新的活力，國產(chǎn)機(jī)床的整體性價比將會大大提高。