羅聚民

上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 廣西 柳州 545000

引言

目前，數(shù)控機(jī)床逐步向高速精密化方向應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)電主軸性能的一大要求是提高加工轉(zhuǎn)速，電主軸的轉(zhuǎn)速?gòu)膸兹f(wàn)轉(zhuǎn)到十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)。機(jī)床電主軸零部件在前期的加工制作或者后期的零部件裝配的過(guò)程中，由于存在材料質(zhì)量分布不均勻，零件外觀形狀不對(duì)稱(chēng)，加工誤差及裝配誤差等不可控制的因素，導(dǎo)致零部件質(zhì)量的中心線偏離旋轉(zhuǎn)幾何中心線，在機(jī)床電主軸做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，偏離幾何旋轉(zhuǎn)中心線的質(zhì)心就會(huì)產(chǎn)生不平衡離心力，主軸異常振動(dòng)、精密軸承發(fā)熱、尖銳噪音等問(wèn)題就會(huì)隨著產(chǎn)生。微小的不平衡量在隨著轉(zhuǎn)速的升高振動(dòng)會(huì)不斷加劇，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)和應(yīng)力會(huì)增加，進(jìn)而降低了設(shè)備的使用壽命，造成設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，增加維護(hù)成本，同時(shí)也會(huì)使主軸精度降低，嚴(yán)重影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量以及產(chǎn)量的輸出。電主軸轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的70%以上主要是由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)軸系的不平衡引起的，因此，主軸的動(dòng)平衡問(wèn)題是電主軸的生產(chǎn)制造或者維修保養(yǎng)中需要去關(guān)注的重要問(wèn)題，而動(dòng)平衡技術(shù)就是解決主軸不平衡問(wèn)題的主要關(guān)鍵技術(shù)措施。

1 機(jī)床電主軸結(jié)構(gòu)不平衡分析

電主軸從動(dòng)平衡方面分析，結(jié)構(gòu)可以分為裝配前的轉(zhuǎn)子軸和高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩個(gè)部分，為了保證主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)處于合格范圍，在完成加工制造轉(zhuǎn)子軸后，還需要對(duì)轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行初步的動(dòng)平衡調(diào)整，以降低裝配后主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。轉(zhuǎn)子軸一般采用鑄造而成的圓形棒料作為粗加工的材料，加工工藝主要由一系列的車(chē)，銑、鉆、磨削等構(gòu)成，不平衡量主要是在鑄造及加工過(guò)程中產(chǎn)生，不可避免的存在零件質(zhì)量分布不均勻及加工后的零部件質(zhì)量中心與幾何軸向不重合的情況，從而產(chǎn)生了不平衡的振動(dòng)，為了方便后期調(diào)整不平衡量，一般轉(zhuǎn)子上都會(huì)設(shè)計(jì)有專(zhuān)用于調(diào)整動(dòng)平衡螺釘孔（如圖1），沿著軸調(diào)整面均勻分布。

圖1 轉(zhuǎn)子軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 機(jī)床電主軸結(jié)構(gòu)示意圖

從機(jī)床電主軸結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，安裝后電主軸的旋轉(zhuǎn)部分不僅包含了轉(zhuǎn)子軸，還有平衡調(diào)整環(huán)，軸承，電機(jī)轉(zhuǎn)子等零部件，由于這些零部件加工制造未進(jìn)行平衡調(diào)整，每個(gè)零部件的的質(zhì)量中心與其幾何中心均存在不重合的可能性。對(duì)于與轉(zhuǎn)子軸配合的零部件組件而言，每個(gè)零部件都存在著加工制造誤差，而且都是間隙配合，在裝配的過(guò)程中，每個(gè)零部件的幾何中心是不可能完全與轉(zhuǎn)子軸的幾何中心相互重合的，因此，機(jī)床電主軸在高速旋轉(zhuǎn)加工時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不平衡的機(jī)械振動(dòng)，這時(shí)需要對(duì)裝配后的零部件做整體的動(dòng)平衡調(diào)整，以降低機(jī)床電主軸整體結(jié)構(gòu)的不平衡振動(dòng)。

2 轉(zhuǎn)子軸不平衡的調(diào)整

轉(zhuǎn)子軸的不平衡量測(cè)量及調(diào)整最常用的專(zhuān)用設(shè)備是使用動(dòng)平衡機(jī)，動(dòng)平衡機(jī)可以測(cè)量出轉(zhuǎn)子軸殘余不平衡量大小，角度位置，其原理是使轉(zhuǎn)子軸按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)速傳感器測(cè)量軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)。動(dòng)平衡機(jī)上的支撐轉(zhuǎn)子軸的兩個(gè)軸承安裝的位置的支架上都裝有高精度的振動(dòng)傳感器，檢測(cè)出轉(zhuǎn)子軸軸承安裝位置的振動(dòng)信號(hào)，將這左右兩邊的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)一定數(shù)據(jù)處理后傳輸?shù)皆O(shè)備的中央處理單元（CPU），經(jīng)過(guò)CPU的轉(zhuǎn)化、篩選和計(jì)算，得出轉(zhuǎn)子軸的不平衡量的大小和相位，在操作面板顯示屏中測(cè)量結(jié)果，通過(guò)增加合適質(zhì)量的調(diào)整螺釘，即可以調(diào)整到該轉(zhuǎn)子允許的剩余不平衡量的范圍。

圖3 動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量不平衡量的原理圖

轉(zhuǎn)子軸的允許的剩余不平衡量的計(jì)算如下：

（1）計(jì)算旋轉(zhuǎn)角速度ω

式中：ω為轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)的角速度rad/s；n為轉(zhuǎn)子軸每分鐘轉(zhuǎn)速（一般選擇工作轉(zhuǎn)速）r/min；

（2）計(jì)算允許剩余不平衡量U1，U2

式中：U為轉(zhuǎn)子軸所允許剩余不平衡量g.mm；U1，U2為轉(zhuǎn)子軸平衡位置調(diào)整平面1及平面2的允許的剩余不平衡量g.mm；

G為ISO 1940/1中定義的質(zhì)量等級(jí)mm/s；m為轉(zhuǎn)子軸的質(zhì)量kg；

本例中，電主軸加工使用到的最高工作轉(zhuǎn)速n為10000r/min；質(zhì)量等級(jí)取G0.4，轉(zhuǎn)子軸質(zhì)量為11kg，計(jì)算可得轉(zhuǎn)子軸調(diào)整位置平面1及平面2的允許剩余不平衡量為2.1g.mm。因此，通過(guò)動(dòng)平衡機(jī)的數(shù)據(jù)測(cè)量，分析出在轉(zhuǎn)子軸上對(duì)應(yīng)的螺紋孔增加合適重量的調(diào)整螺釘，將轉(zhuǎn)子軸的兩個(gè)平面調(diào)整到小于等于2.1g.mm以下，即可將轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡調(diào)整到要求的范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足后續(xù)的安裝要求。

3 機(jī)床電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡的調(diào)整

機(jī)床電主軸在完成所有零部件的裝配后，一般主軸整體重量在幾百公斤左右，這時(shí)平衡機(jī)就不能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡測(cè)量要求，這時(shí)就需要使用現(xiàn)場(chǎng)平衡儀來(lái)進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整。現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡原理跟使用動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)子軸的振動(dòng)形式類(lèi)似，使用兩個(gè)振動(dòng)傳感器吸附在前后端軸承位置測(cè)量一倍頻的振動(dòng)相位和幅值，再使用測(cè)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)速度，測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)手持式現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀內(nèi)部中央處理單元數(shù)據(jù)處理，在顯示屏上顯示出需要調(diào)整的重量和角度，只需要增減調(diào)整螺釘?shù)闹亓?，即可調(diào)整到平衡的允許范圍。設(shè)計(jì)人員在主軸設(shè)計(jì)初期，一般都會(huì)設(shè)計(jì)有做動(dòng)平衡調(diào)整的位置，且調(diào)整位置都是沿著零件環(huán)形均布。如圖2中的電主軸結(jié)構(gòu)，主軸前后端配置有進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整的隔環(huán)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀，按照?qǐng)D4的動(dòng)平衡調(diào)整步驟，經(jīng)過(guò)多次的調(diào)整使主軸達(dá)到最終設(shè)定的平衡精度等級(jí)；

圖4 動(dòng)平衡調(diào)整流程圖

電主軸的使用速度范圍很廣，裝配后由于不平衡量引起的主軸振動(dòng)與速度的平方接近于正比，一般選擇在主軸使用的最高工作轉(zhuǎn)速下做動(dòng)平衡調(diào)整，表1中記錄了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟、平衡質(zhì)量大小、相位及測(cè)量位置一倍頻振動(dòng)值的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)4次測(cè)量調(diào)整，電主軸的整體振動(dòng)降低了94.88%，電主軸的整體動(dòng)平衡性能得到極大的改善。

表1 電主軸整體動(dòng)平衡測(cè)量及調(diào)整數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

機(jī)床電主軸在設(shè)計(jì)中雖然采用了對(duì)稱(chēng)式的設(shè)計(jì)，但是由于存在材料質(zhì)量分布不均勻、制造及裝配誤差等不可控制的因素，零部件的不平衡始終是存在的。微小的不平衡量在主軸高速運(yùn)行下會(huì)產(chǎn)生失衡振動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)床主軸的幾何精度，動(dòng)態(tài)性能降低，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致零部件的配合面疲勞磨損。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子軸及主軸裝配后旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整，提高主軸的動(dòng)態(tài)性能，間接提升了主軸的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，改善主軸的性能可以提高加工質(zhì)量，提升數(shù)控機(jī)床的加工制造運(yùn)行時(shí)間，可以為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。