國產(chǎn)主軸單元在加工中心上的應(yīng)用
2022-7-18 來源： 寶雞機床集團有限公司 作者：羅海軍
摘要：為了使國產(chǎn)主軸單元更好地應(yīng)用于加工中心上，通過對機床典型工況的分析，確定出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的箱體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，加裝熱傳感器并進行了系統(tǒng)熱補償，有效提高了整機剛度與精度。結(jié)合北一機整體式主軸特有的氣幕保護、錐孔吹氣等功能，設(shè)計出具有干燥氣體、保護主軸錐孔的氣動系統(tǒng)，為最大限度地發(fā)揮主軸可靠性、穩(wěn)定性提供保證。
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；氣幕保護
0 引言
我國的機床行業(yè)最近幾年有了長足的進步，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)性能與機床的加工精度精密相關(guān)，是機床最重要的功能部件，主軸單元的動靜態(tài)性能的優(yōu)劣對加工精度和運行可靠性影響非常大。
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)計和應(yīng)用方案，機床樣機試制完成后做了大量熱補償和可靠性試驗，并且匯總了一些問題反饋給主軸部件配套單位（北京北一機床廠），為其后續(xù)的改進、批量生產(chǎn)提供理論依據(jù)。打造質(zhì)量過硬、結(jié)構(gòu)先進的機床功能部件是提高我國機床行業(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
1.2 大切削力及功率銑槽
1.3 主軸功能部件選型結(jié)果分析
根據(jù)專項要求使用北一機床廠提供的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 k W。這些數(shù)據(jù)都大于機床的典型工況加工計算值，并且大于本次機床的設(shè)計最大功率11 k W和最大轉(zhuǎn)矩值75 N·m，主軸電動機選用FAUNC βi I8/12000來滿足使用要求。
1.4 對主軸箱體進行有限元分析及靜態(tài)剛度計算
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算出的切削力Fz＝4185 N，根據(jù)公式F0≈（0.50～0.55）·Fz，可計算出銑削時的軸向抗力F0≈2300 N。
在F0載荷作用下進行主軸部件剛度K0計算[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)，計算出Z軸滑動導(dǎo)軌副接觸變形所引起切削點位移為5.17 μm。主軸部件剛度K0＝2300÷（10.72+5.17）＝145 N/μm。
Simulation是Solid Works 附帶的有限元分析插件，該插件在實踐應(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
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的計算，在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中適當(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。
2、機床主軸功能部件的設(shè)計
2.1 主軸功能部件的氣動系統(tǒng)設(shè)計
氣動設(shè)計為本次主軸系統(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功能。
2.2 主軸功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
主軸系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響著整個機床的性能。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)軌防護罩4采用不銹鋼材質(zhì)，運行穩(wěn)定可靠，保護立柱導(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。
高強度絲杠螺母座6配合大轉(zhuǎn)矩交流伺服電動機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，保證主軸在高速運轉(zhuǎn)的過程中平穩(wěn)、可靠地傳遞轉(zhuǎn)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。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。
3.2 溫度測量
在VMC850L立式加工中心的3個進給軸各布置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)離絲杠電動機端；在主軸和機床底座（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償系統(tǒng)，以實現(xiàn)對全閉環(huán)熱態(tài)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)的補償功能分析
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)節(jié)機床坐標(biāo)系原點或進給軸參數(shù)，來抵消或減少熱誤差。智能補償模塊采集機床熱敏感點的實時溫度，并根據(jù)補償模型計算補償參數(shù)，將補償參數(shù)傳送給PLC，再由PLC通過通信接口將補償參數(shù)寫入NC系統(tǒng)，改變CNC中熱誤差補償參數(shù)，實現(xiàn)熱誤差補償。
圖8所示為五點法測量機床主軸熱漂移，主軸空運轉(zhuǎn)加熱誤差補償功能和不加補償各5 min，記錄X向主軸熱變形數(shù)據(jù)。補償后熱漂移明顯減小，補償效果良好。
3.4 主軸的最大轉(zhuǎn)矩及功率試驗
在機床恒轉(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)合金鋼端銑刀進行銑削試驗，通過改變進給速度或切削深度，使機床達(dá)到設(shè)計最大轉(zhuǎn)矩T＝70 N·m，此次試驗過程中主軸及過載保護裝置工作正常、可靠。
在機床恒功率區(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)合金鋼端銑刀進行銑削試驗，通過改變進給速度或切削深度，使機床達(dá)到設(shè)計最大功率11 k W，此次試驗過程中主軸同樣工作正常、可靠。
按照GB/T 18400.2-2010《加工中心 檢驗條件 第2部分：立式或帶垂直主回轉(zhuǎn)軸的萬能主軸頭機床幾何精度檢驗（垂直Z軸）》中G10和G11項復(fù)查負(fù)荷試驗后主軸單元的精度，實測精度均優(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，可以充分地了解和挖掘國產(chǎn)功能部件的性能和特點，為以后的改進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。機床推向市場面對終端用戶，主軸等功能部件對機床的精度保持性、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，機床行業(yè)也會煥發(fā)出新的活力，國產(chǎn)機床的整體性價比將會大大提高。
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