王海濤 李初曄

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

主軸是數(shù)控機床的核心和關鍵部件，因而主軸軸系結(jié)構的優(yōu)劣，在很大程度上決定了數(shù)控機床整體的加工精度、運行穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。對于精密機床，主軸軸系結(jié)構的合理性顯得更為突出，當今一些重要的生產(chǎn)加工領域，精密加工已成為發(fā)展趨勢和重要內(nèi)容之一。力學是機械設計的基礎，以力學分析作為切入點，對主軸軸系進行優(yōu)化和完善，不失為一種有效的處理方式和手段。

1 問題的來源

本文以現(xiàn)有的ZJT－310型和對其改進中的ZJT－320A型精密鏜床主軸軸系結(jié)構為基礎，根據(jù)主軸運行過程中的受力情況，分別轉(zhuǎn)換成力學簡圖，并介入力學分析和計算，得出相應的關鍵數(shù)據(jù)，進行比較，以對主軸軸系結(jié)構進行優(yōu)化設計。

ZJT系列鏜床屬于精密加工設備，因為該機床主要用來鏜削加工高精度圓柱孔，主軸支承采用液體靜壓軸承，因此，主軸本身的變形、主軸和電動機轉(zhuǎn)子自重等的影響，都會導致主軸偏離回轉(zhuǎn)中心和自身變形的產(chǎn)生。由于所加工孔的圓柱度不大于0.001 5 mm，表面粗糙度為Ra0.4 μm，而且主軸回轉(zhuǎn)精度的設計要求為0.002 mm，機床整體的技術參數(shù)和精度指標較高，所以，上述變形、自重等不可控因素的輕微波動，都會影響機床主軸的回轉(zhuǎn)精度和加工精度。

ZJT－310型精密鏜床已成功應用于生產(chǎn)近6年，中間也進行了多次小的改進，主要圍繞著改善主軸驅(qū)動結(jié)構和降低溫升進行，動力傳動從最初的V帶傳動改為多楔帶傳動，最后改成“準電主軸”型，直接將電動機轉(zhuǎn)子安裝在主軸上，有效地降低了徑向載荷和溫升對軸系精度的影響，使機床的加工精度產(chǎn)生了一次飛躍。

但是，隨著客戶對加工件精度要求的逐步提高，鏜床的加工精度只有隨之跟上，才能抓住競爭日益激烈的市場。通過充分分析論證發(fā)現(xiàn)，結(jié)合力學理論，通過實施結(jié)構優(yōu)化，主軸回轉(zhuǎn)精度還有較大的提升空間。

2 ZJT－310型鏜床軸系結(jié)構分析

2.1 軸系結(jié)構簡述

該型號機床主軸軸系結(jié)構采用前、后靜壓軸承支承，主軸驅(qū)動通過將三相交流電動機轉(zhuǎn)子直聯(lián)在主軸后端實現(xiàn)(圖1)，鏜削不同材料和孔徑尺寸的工件所需主軸轉(zhuǎn)速通過變頻器來調(diào)節(jié)。

主軸支承所使用的靜壓軸承采用小孔節(jié)流方式，利用外部液壓站供給壓力油，進入靜壓軸承周邊的油腔，以形成承載油膜，由液壓油的靜壓力平衡外載荷，使主軸浮在靜壓軸承中間位置，確保在一定的允許轉(zhuǎn)速和負載范圍內(nèi)，主軸和靜壓軸承之間處于液體摩擦狀態(tài)，可獲得極低的摩擦因數(shù)。

2.2 力學分析和計算

如圖1所示，G11表示主軸自重，G12表示電動機轉(zhuǎn)子自重，F(xiàn)11表示后靜壓軸承支承力，F(xiàn)12表示前靜壓軸承支承反力。根據(jù)圖中主軸的受力狀態(tài)，可轉(zhuǎn)化成軸系的撓曲線、剪力和彎矩圖，如圖2所示。其中:O－O線代表主軸軸心線，O1、O2表示前、后靜壓軸承支承點，R1=F11，R2=F12，P=G12，經(jīng)計算可知:支承力R1=(1+a/l)P，R2=(a/l)P，彎矩Mmax=Pa。

為簡化軸系變形量的計算，忽略主軸的微小彎曲變形，保留電動機轉(zhuǎn)子自重引起的主軸整體偏轉(zhuǎn)量，將圖2中的撓曲線圖等效成圖3所示的形式。其中，Δ為轉(zhuǎn)子中心偏移量，Δ1為后靜壓軸承偏移量，Δ2為前靜壓軸承偏移量，θ為主軸偏轉(zhuǎn)角度，需要求出主軸總偏移量，即Δ總=Δ+Δ2，以此與改進后的方案結(jié)果進行相應比較，進而進行下一步的軸系結(jié)構優(yōu)化工作。

設計時設定前、后靜壓軸承的支承剛度系數(shù)為K=K1=K2，則有:Δ1=R1/K，Δ2=R2/K，tanθ=(Δ1+Δ2)/l，于是有 θ=tan－1［(Δ1+Δ2)/l］。

所以Δ總=Δ+Δ2=(l+a)tanθ，將θ值代入，可得:

代入各個已知參數(shù)的實際數(shù)值后，通過計算可以得到主軸的總偏移量Δ總=0.025 8 mm。

3 ZJT－320A型鏜床軸系結(jié)構方案分析

3.1 軸系結(jié)構方案簡述

該方案是為了進一步優(yōu)化主軸軸系的受力結(jié)構而實施的。原來的ZJT－310型鏜床電動機轉(zhuǎn)子后置結(jié)構，導致主軸偏移的產(chǎn)生，降低了主軸運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和運轉(zhuǎn)精度?，F(xiàn)在方案的改進，在不考慮整個軸系水平偏移量的前提下(這個水平偏移量對主軸各項精度的影響甚微)，主要存在電動機轉(zhuǎn)子和主軸自身重量使主軸產(chǎn)生的變形。

3.2 力學分析和計算

如圖4所示，G21表示主軸自重，G22表示電動機轉(zhuǎn)子自重，F(xiàn)21表示后靜壓軸承支承力，F(xiàn)22表示前靜壓軸承支承力。在方案設計時，通過計算，將電動機轉(zhuǎn)子重心和主軸重心重合，便于分析和比較方案的合理性。

同樣，根據(jù)主軸的受力及狀態(tài)，可轉(zhuǎn)化成軸系的撓曲線、剪力和彎矩圖，如圖5所示。其中:O－O線代表主軸中心線，O1、O2表示前、后靜壓軸承支承點，經(jīng)計算可知:R1=F21，R2=F22，P=G21+G22，假設G21和G22引起主軸的最大變形量(也即撓度)為vmax，經(jīng)計算可知:

其中:I為主軸的截面慣性矩，若主軸外徑為D，內(nèi)孔直徑為d，則I=(D4－d4)π/64。代入各個已知參數(shù)的實際數(shù)值后，通過計算最后可以得出主軸的最大變形量vmax=0.001 96 mm。

計算結(jié)果顯示vmax?Δ總，從理論角度證明了改進方案的合理性。下面再通過樣機的生產(chǎn)、制造和加工，做進一步證明和檢驗。

4 比較驗證

ZJT－320A型鏜床軸系結(jié)構方案經(jīng)過理論計算確認可行后，進行了樣機的生產(chǎn)制造，并在調(diào)試和試鏜削后，將該鏜床應用到了生產(chǎn)線上，經(jīng)過近3個月的生產(chǎn)檢驗，測量數(shù)據(jù)表明該機床加工精度和加工效率有了顯著提高，主軸振動也得到了明顯改善。對型號鏜床按檢驗規(guī)程進行測量，與ZJT－310型鏜床的原始測量值進行了比較，主要技術參數(shù)均值如表1所示。

表1 兩種型號鏜床主要技術參數(shù)比較

通過測量數(shù)據(jù)可以知道，ZJT－320A型鏜床主軸軸系各項主要精度指標明顯得到提高和改善，這從“硬件”上保證了工件的加工精度。

隨機從生產(chǎn)現(xiàn)場抽檢了100只工件進行測量，尺寸精度全部符合圖紙的設計要求。與ZJT－310型鏜床相比較，通過計算，加工件各項測量均值如表2所示。

表2 兩種型號鏜床加工精度測量均值比較

數(shù)據(jù)表明，ZJT－320A型鏜床所加工工件的參數(shù)指標和精度得到了明顯提高，相對ZJT－310型鏜床，又向前邁進了一大步。

5 結(jié)語

通過以上優(yōu)化工作的具體實施，結(jié)合技術工作的實際，得出以下幾點啟示:

(1)理論分析與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，使設計開發(fā)過程既有基礎理論作指導，又有生產(chǎn)結(jié)果做驗證，整個工作流程形成一個良好的“閉環(huán)控制”，使設計或改進的成果得以發(fā)展和進步。

(2)機床結(jié)構的優(yōu)化有多種方法，可以根據(jù)具體的問題，進行分析論證，確定采取某種或某幾種組合來進行處理。例如，本文只從力學分析的層面進行計算論證，實際操作上也可以再輔以有限元分析進行驗證，最后進行方案的實施。

(3)機床結(jié)構的優(yōu)化、改進和完善是一個循序漸進的過程，在生產(chǎn)實踐和科研設計之間建立一個反饋平臺，適時進行溝通交流，一旦時機成熟，立即實施。

(4)對于優(yōu)化處理較為復雜的機械結(jié)構，可從基礎點出發(fā)，由點及面，找尋出最為可行的方式，可省時省力，取得事半功倍的效果。

(5)機床結(jié)構的優(yōu)化是為了提高機床的加工精度，進而提高企業(yè)的市場競爭力。要結(jié)合加工件的精度對機床進行優(yōu)化，并不是加工精度越高越好，滿足精度需求的前提下，也要考慮成本因素。

(6)機床關鍵部件的優(yōu)化建立在機床整體狀態(tài)良好的基礎上，沒有機床整體性能作保障，局部的結(jié)構優(yōu)化只能是空中樓閣。

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