王慶利 范春宏 吳 麗 李永軍 李昕晞

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110141)

當(dāng)前零部件加工的精度要求在不斷提高，機(jī)床向高速、高精、高效、高智能方向發(fā)展，作為機(jī)床核心部件主軸突顯其至關(guān)重要的作用。因?yàn)橹鬏S的變形和振動(dòng)對(duì)機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量影響最大，機(jī)床設(shè)計(jì)的成功關(guān)鍵取決于主軸設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。主軸設(shè)計(jì)主要是根據(jù)工件的加工條件、加工要求、機(jī)床配置參數(shù)和結(jié)構(gòu)等合理選擇主軸的主參數(shù)。我廠(chǎng)多年一直致力于主軸的研究與設(shè)計(jì)，并已投入生產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)少有的具有主軸自主研制能力的企業(yè)。

本文就是以HMS63型臥式加工中心的主軸設(shè)計(jì)為例，闡述主軸設(shè)計(jì)要點(diǎn)，理論計(jì)算及其一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)臥式加工中心時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)需求及實(shí)際發(fā)展要求，確定的主軸具體參數(shù)是:主軸錐孔型號(hào)No.50，主軸轉(zhuǎn)速范圍20～6 000 r/min，主電動(dòng)機(jī)功率17 kW，主軸最大扭矩870 N·m，主軸軸承直徑φ110 mm。

主軸箱內(nèi)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有增大扭矩作用。動(dòng)力由交流電動(dòng)機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)軸的齒輪嚙合，將運(yùn)動(dòng)傳給中間軸。中間軸上通過(guò)二位油缸推動(dòng)滑移齒輪實(shí)現(xiàn)自動(dòng)二檔變速，傳動(dòng)檔次由滑移齒輪所處的位置確定，最后由中間軸傳給主軸。主軸箱結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

主軸是由兩組高精度角接觸球軸承支承，主軸軸承的潤(rùn)滑為脂潤(rùn)。主軸有冷卻循環(huán)系統(tǒng)，控制主軸溫升。拉刀機(jī)構(gòu)是由碟形彈簧及液壓油缸組成的，當(dāng)?shù)毒哐b入主軸的ISO50錐孔后，由主軸內(nèi)部的刀具夾緊裝置進(jìn)行夾緊。刀具夾緊時(shí)，夾緊裝置的彈性?shī)A頭抓住刀柄尾部的連接螺栓，靠碟形彈簧張力將刀具向后拉緊。刀具松開(kāi)時(shí)是通過(guò)主軸后部的液壓油缸壓縮碟形彈簧，使夾緊裝置的彈性?shī)A頭張開(kāi)，并借助推桿將刀具推出。

該臥式加工中心主軸電動(dòng)機(jī)根據(jù)計(jì)算得到，選擇1PH7137－2ND02－OLAO型號(hào)，此種交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，屬于強(qiáng)制風(fēng)冷型鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩不受速度影響、魯棒性好等特點(diǎn)。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性曲線(xiàn)，通過(guò)計(jì)算，可以得到主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性曲線(xiàn)，如圖2所示。

2 理論計(jì)算

2.1 傳動(dòng)比計(jì)算

主軸箱有二檔齒輪變速，其各檔減速比按如下公式計(jì)算:

2.2 主軸性能參數(shù)計(jì)算

預(yù)選的西門(mén)子主軸電動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)速n'rated=1 000 r/min;最高轉(zhuǎn)速n'max=8 000 r/min;最低轉(zhuǎn)速n'min=107 r/min;額定功率P'rated=17 kW;間歇工況下功率P'30min=22.5 kW;額定轉(zhuǎn)矩M'rated=162 N·m;間歇工況下轉(zhuǎn)矩M'30min=214 N·m。

其功率轉(zhuǎn)矩圖上主軸各個(gè)性能參數(shù)確定，主軸轉(zhuǎn)速范圍為20～6 000 r/min，計(jì)算如下:

綜合考慮各軸及軸承的極限轉(zhuǎn)速，取nmax=6 000 r/min。

為了能都充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)各階段的性能，在適合的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行機(jī)械換擋，能夠得到最優(yōu)的功率扭矩曲線(xiàn)，機(jī)械檔數(shù)為高、低二檔，主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速:低檔為20～800 r/min;高檔為800～6 000 r/min。換檔速度:

經(jīng)過(guò)齒輪箱，能夠加大轉(zhuǎn)矩的傳遞，主軸連續(xù)轉(zhuǎn)矩:

間歇工況下轉(zhuǎn)矩:

2.3 主電動(dòng)機(jī)功率的確定

機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率是機(jī)床的主要?jiǎng)恿μ匦詤?shù)之一，確定主電動(dòng)機(jī)功率的方法是調(diào)查研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并輔之以計(jì)算，根據(jù)機(jī)床最大負(fù)荷工作情況計(jì)算、機(jī)床最大許用轉(zhuǎn)矩(銑削)或最大進(jìn)給抗力(鉆削)情況下所需之功率，由經(jīng)驗(yàn)可知，銑削功率大大超過(guò)鉆削，故以銑削功率確定主軸電動(dòng)機(jī)功率。

主電動(dòng)機(jī)功率:

式中:N主為主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率，kW;N切為消耗于切削時(shí)的功率損失，kW;N空為消耗于空運(yùn)轉(zhuǎn)的功率損失，kW;η機(jī)為主傳動(dòng)鏈的總機(jī)械效率;N附為有切削載荷后所增加的傳動(dòng)件的摩擦功率，kW。

2.3.1N切的確定

銑削時(shí)各參數(shù)如表1所示。

表1 銑削參數(shù)

2.3.2 求N空

該型號(hào)機(jī)床主傳動(dòng)鏈的空運(yùn)轉(zhuǎn)功率損失可用下列實(shí)驗(yàn)公式估算:

式中:da為主傳動(dòng)鏈中除主軸外所有傳動(dòng)軸的軸徑平均值，mm，da=45 mm;d主為主軸前后軸徑的平均值，mm;d主=110 mm;∑ni為當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速為N主時(shí)，傳動(dòng)鏈內(nèi)除主軸外各傳動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)速之和(含不傳遞載荷也隨之空轉(zhuǎn)之軸的轉(zhuǎn)速);N主為主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min;c為系數(shù)，反映主軸支承情況，兩支承軸承c=0.85;I為潤(rùn)滑油粘度影響的修正條數(shù)，用20號(hào)機(jī)油時(shí)I=0.9。實(shí)際上當(dāng)機(jī)床發(fā)揮最大功率時(shí)，

2.3.3 計(jì)算 η機(jī)

η機(jī)=η1×η2=0.994×0.995=0.887

2.3.4N附的確定

綜上可得N主=N切/η機(jī)+N空+N附=12.4/0.887+0.23+1.4=15.6 kW

所以，主電動(dòng)機(jī)額定功率選17 kW。

3 結(jié)語(yǔ)

主軸研制成功與機(jī)床生產(chǎn)裝配并進(jìn)行幾何精度及加工精度切削檢驗(yàn)，經(jīng)多次理論分析與實(shí)踐調(diào)整，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表明各項(xiàng)精度已完全符合設(shè)計(jì)要求，且該主軸在工作過(guò)程中運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低，超越預(yù)期設(shè)計(jì)效果，現(xiàn)已做為成型功能部件應(yīng)用于機(jī)床生產(chǎn)。

［1］《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［2］陶乾.金屬切削原理(修訂版)［M］.北京:人民教育出版社，2001.

［3］SIEMENS.用于機(jī)床的自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品目錄NC60［Z］.西門(mén)子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)，2004.