為了使國產(chǎn)主軸單元更好地應(yīng)用于加工中心，通過對機床典型工況的分析，確定主軸部件所能承受的最大切削力。利用有限元分析軟件對加工中心箱體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，安裝熱傳感器并進行系統(tǒng)熱補償，有效提高了整機的剛度和精度。結(jié)合易貝機床整體主軸獨特的氣幕保護和錐孔吹掃功能，設(shè)計了主軸干氣和錐孔保護氣動系統(tǒng)，最大限度地保證了主軸的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:國產(chǎn)主軸單元；最大切削力；有限元分析；系統(tǒng)熱補償；空氣幕保護

0簡介

我國機床行業(yè)近年來取得了長足進步，但核心功能部件與歐美品牌存在一定差距。主軸系統(tǒng)性能與機床的加工精度密切相關(guān)，是機床最重要的功能部件。主軸單元的動靜態(tài)性能對加工精度和運行可靠性有很大影響。

本文詳細闡述了國產(chǎn)立式加工中心主軸的設(shè)計和應(yīng)用方案。機床樣機試制完成后，進行了大量的熱補償和可靠性試驗，總結(jié)了一些問題并反饋給主軸部件配套單位(北京易貝機床廠)，為其后續(xù)改進和批量生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。建設(shè)質(zhì)量優(yōu)良、結(jié)構(gòu)先進的機床功能部件，是提高我國機床工業(yè)整體水平的重要組成部分，是確保制造業(yè)核心競爭力和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的必由之路。

2.機床主軸功能部件的設(shè)計

2.1主軸功能部件氣動系統(tǒng)的設(shè)計

氣動設(shè)計是這個主軸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直聯(lián)主軸的氣路復(fù)雜，對氣流的壓力和干燥度都有要求。如圖4所示，主氣源通過氣動三聯(lián)件4分成三路:一路接壓力檢測開關(guān)5，監(jiān)測整個系統(tǒng)的壓力，過低機器會報警；第一路連接到盤式刀庫，刀庫上設(shè)有控制刀套轉(zhuǎn)動的電磁換向閥；最后一條路徑在進入聚合物干燥器6之前分成三條路徑。第一路通過電磁閥7控制主軸箱上竹筒的加工和吹風(fēng)，起到清洗和冷卻工件的作用。第二路連接氣液轉(zhuǎn)換刀缸9，將氣壓轉(zhuǎn)換成油壓控制松刀，同時控制主軸拉刀和主軸錐孔吹氣；第三路經(jīng)聚合物干燥器6過濾后，再由調(diào)壓閥3和電磁閥2依次控制錠子上的空氣幕保護功能。

2.2主軸功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

主軸系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響到整個機床的性能。不同于以往傳統(tǒng)的分體式結(jié)構(gòu)，從圖5中可以看出，伺服電機1直接與主軸箱2相連，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了主軸系統(tǒng)的整體精度和剛度。主軸箱采用高強度鑄鐵，經(jīng)過多次時效處理，有效抑制了加工過程中切削力引起的變形和應(yīng)力。外冷卻管3集成在主軸箱右側(cè)，結(jié)構(gòu)緊湊，為加工提供大流量冷卻液。Z軸導(dǎo)軌防護罩4由不銹鋼制成，運行穩(wěn)定可靠，保護立柱導(dǎo)軌的硬化表面不受極端工作條件的損壞。壓板和鑲塊5配合塑料貼刮技術(shù)，摩擦阻力小，承載能力高，精度保持時間長。

高強度螺母座6配合大扭矩交流伺服電機和滾珠絲杠直接傳動，保持零件加工的高精度；導(dǎo)軌和滾珠絲杠副采用中央集中自動稀油潤滑，每個節(jié)點配有定量分油器7臺。定時定量向各潤滑部位注油，保證各滾動面均勻潤滑，有效降低摩擦阻力，提高運動精度，保證滾珠絲杠副和導(dǎo)軌的使用壽命。高剛性聯(lián)軸器8連接主軸和電機，確保主軸在高速運轉(zhuǎn)過程中能夠穩(wěn)定可靠地傳遞扭矩。

3.機床主軸功能部件的熱補償及可靠性試驗

3.1主軸系統(tǒng)熱誤差的原因

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。如圖6所示，當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時，主軸軸承內(nèi)外圈高速摩擦產(chǎn)生大量熱量，改變主軸的空間姿態(tài)，產(chǎn)生熱伸長、熱傾斜、熱漂移等變形，進而引起刀具與工件的相對位置發(fā)生變化，導(dǎo)致工件加工精度變差。

3.2溫度測量

VMC850L立式加工中心的三個進給軸上各布置兩個溫度傳感器，一個靠近X、Y、Z軸的絲杠螺母位置，另一個遠離絲杠電機端；在機床主軸和底座上分別安裝兩個溫度傳感器(環(huán)境溫度)，采集相應(yīng)的溫度場信息并反饋給誤差補償系統(tǒng)，實現(xiàn)全閉環(huán)熱定位誤差的實時補償。溫度傳感器在數(shù)控機床上的安裝如圖7所示。

3.3數(shù)控系統(tǒng)補償功能分析

根據(jù)機床工況和關(guān)鍵點溫度預(yù)測熱誤差，數(shù)控系統(tǒng)反向調(diào)整機床坐標系原點或進給軸參數(shù)，抵消或減小熱誤差。智能補償模塊采集機床熱敏感點的實時溫度，根據(jù)補償模型計算補償參數(shù)，并將補償參數(shù)傳輸給PLC，然后PLC通過通信接口將補償參數(shù)寫入數(shù)控系統(tǒng)，改變CNC中的熱誤差補償參數(shù)，實現(xiàn)熱誤差補償。

測量機床主軸熱漂移的五點法，記錄主軸在X方向的熱變形數(shù)據(jù)，具有補償主軸在空轉(zhuǎn)和不補償各5 min熱誤差的功能。補償后的熱漂移明顯減小，補償效果良好。

3.4主軸最大扭矩和功率測試

在機床的恒扭矩區(qū)選擇主軸轉(zhuǎn)速n = 400 r/min，用直徑D0 = 80 mm的六齒YG6硬質(zhì)合金鋼立銑刀進行銑削實驗，通過改變進給速度或切削深度，使機床達到設(shè)計的最大扭矩t = 70n·m，在此實驗過程中，主軸和過載保護裝置工作正?？煽俊?/p>

在機床恒功率區(qū)選取主軸轉(zhuǎn)速n = 1550 r/min，用直徑D0 = 28 mm的四齒硬質(zhì)合金鋼端銑刀進行銑削試驗。通過改變進給速度或切削深度，機床可以達到設(shè)計的最大功率11 K W，在這個測試過程中，主軸也正?？煽康毓ぷ鳌?/p>

根據(jù)GB/T 18400.2-2010《加工中心檢驗條件第2部分:立式或萬能主軸頭機床垂直主軸(垂直Z軸)幾何精度檢驗》中的G10、G11項，對負載試驗后的主軸單元精度進行復(fù)驗，測得精度優(yōu)于國家標準。

4.結(jié)論。

隨著數(shù)控加工中心自身功能需求的擴大，需要與之匹配的功能部件的水平也不得不大大提高，甚至很多功能都需要通過功能部件來增加和完善。通過本次主軸功能部件在加工中心的應(yīng)用試驗，可以充分了解和挖掘國產(chǎn)功能部件的性能和特點，為今后功能部件的改進和品牌提升奠定基礎(chǔ)。在國外競爭面前不受約束，是中國基礎(chǔ)制造業(yè)的重中之重。當(dāng)機床投放市場，面向最終用戶時，主軸等功能部件對機床的精度維護、可靠性和穩(wěn)定性起著很大的作用。隨著國產(chǎn)零部件質(zhì)量和匹配度的提高，機床行業(yè)也將煥發(fā)出新的活力，國產(chǎn)機床整體性價比將大幅提升。