吳輝鋼 杜 雄

(上海機床廠有限公司 上海200093)

隨著機械加工工藝的發(fā)展，體現(xiàn)高切削速度、高進給速度、高加工精度等特征的高速精密數(shù)控機床是裝備制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。高速精密數(shù)控機床不僅具有極高的生產(chǎn)效率，而且可顯著提高零件的加工精度和表面質(zhì)量。高速精密數(shù)控機床的工作性能，首先取決于高速主軸單元的性能。液體動靜壓軸承由于具有承載能力大、抗振性能好、使用壽命長等優(yōu)點，以液體動靜壓軸承為支撐，再將主軸電動機與機床主軸“合二為一”形成的靜壓電主軸結(jié)構(gòu)，具有回轉(zhuǎn)精度高、剛性好、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)動慣量小、可快速啟動和停車等特點，在精密機床結(jié)構(gòu)中取得了不少的應(yīng)用[1]。

凡運轉(zhuǎn)著的機械設(shè)備普遍地存在振動，況且振動在多數(shù)場合是有害的，它大大影響了機械設(shè)備的運行狀況、工作精度，縮短了使用壽命。在引發(fā)機械振動的諸多原因中，機械的旋轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量分布不均衡不對稱引起的不平衡離心慣性力是一個重要的激勵因素。旨在調(diào)整轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，將主軸轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)時由原先因質(zhì)量分布不均衡不對稱而引發(fā)的軸頸的振動或作用軸承上的動壓力減少到允許范圍內(nèi)的機械平衡技術(shù)早就成為減小機械振動的一個關(guān)鍵技術(shù)[2]。

本文在后置式靜壓電主軸和內(nèi)置式靜壓電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計時增加動平衡結(jié)構(gòu)，在零件動平衡、現(xiàn)場動平衡和在線動平衡三個不同的階段來提高主軸轉(zhuǎn)子的動平衡精度，提升軸系的性能。

1 后置式靜壓電主軸動平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計

典型的后置式靜壓電主軸[3]如圖1所示，電機轉(zhuǎn)子安裝在電主軸的尾部，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修方便等優(yōu)點。同時也存在不少缺點，這是由于電機轉(zhuǎn)子安裝在后靜壓軸承的外側(cè)，為懸臂端，而且是主軸裝入軸承后才能安裝電機轉(zhuǎn)子，其動平衡精度不會很高，這樣就大大影響了主軸轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)精度，無法保證工件輪廓型面的加工精度。

為了提升后置式靜壓電主軸的運行性能和精度，結(jié)構(gòu)設(shè)計時就需在不同的階段針對動平衡布置不同的動平衡結(jié)構(gòu)，分析過程如下：首先在主軸上添加動平衡結(jié)構(gòu)，確保主軸高速回轉(zhuǎn)零件的動平衡精度。如圖2所示，在主軸前后靜壓軸承支承之間的軸段選取某一個截面，命名為A-A截面，在A-A截面上沿圓周加工一圈均勻分布而且深淺一致的螺紋孔，在主軸尾端的端面上外圓最外側(cè)加工一圈均勻分布而且深淺一致的螺紋孔。這樣就可以借助于動平衡機，先測量出主軸的動不平衡量，通過在螺紋孔所在位置增加配重來調(diào)整主軸動平衡。

按圖1將后置式靜壓電主軸裝配完成后，主軸上又裝配了隔套和電機轉(zhuǎn)子等零件，這些零件會造成主軸轉(zhuǎn)子形成新的動不平衡，然而此時不可能再將裝有隔套和電機轉(zhuǎn)子的主軸在動平衡機上進行動平衡的。為了保證裝配過程中的性能，此時可以借助便攜式動平衡儀，通過增減重的方式進行動平衡。根據(jù)實施條件，形成了圖3所示的動平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，即在主軸的后端再安裝一個法蘭零件。具體的方法是，在圖3所示主軸前端安裝砂輪的位置加工一圈均布深淺一致的螺紋孔，以及在法蘭零件上加工出一圈均布深淺一致的螺紋孔，借助于便攜式動平衡儀，對完成裝配的主軸系統(tǒng)進行動不平衡量測量，在上述兩個位置增加配重完成對主軸系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試動平衡。

在實際切削加工時，電主軸上還要裝上切削刀具，為了保證切削加工的質(zhì)量，高速主軸系統(tǒng)一般還需配置在線動平衡儀。對于高速靜壓電主軸來說，一般是內(nèi)嵌在線動平衡儀，這樣就需在主軸上中心打孔。如圖4所示，在主軸上加工出安裝在線動平衡儀的中心孔，就可通過發(fā)射器、接收器、傳輸線、振動傳感器、動平衡頭等形成的在線動平衡設(shè)備，將振動傳感器的振動信號與動平衡頭內(nèi)平衡塊的相位信號進行動平衡運算，根據(jù)運算結(jié)果驅(qū)動動平衡頭內(nèi)部的平衡塊進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)在線動平衡。

2 內(nèi)置式靜壓電主軸動平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)置式靜壓電主軸[4]內(nèi)置的電機轉(zhuǎn)子和主軸直接由前后靜壓軸承支承，動不平衡的大小相對后置式靜壓電主軸要小，但總會存在一定的動不平衡量。為了提升內(nèi)置式靜壓電主軸的動態(tài)運行性能和精度，借鑒后置式靜壓電主軸的動平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計方法也可以減小動不平衡量。

主軸和電機轉(zhuǎn)子在熱裝前各自存在自身的動不平衡量，熱裝后如果相位比較合理是可能抵消一部分的不平衡量，如果依靠選擇相位來減小動不平衡量，顯得就比較麻煩，不推薦使用。主軸熱套電機轉(zhuǎn)子時，主軸已是熱處理后經(jīng)精密磨削加工的主軸，不再允許在動平衡機上對其去除重量而進行動平衡的。如圖5所示，按圖2的方法先在前靜壓軸承和電機轉(zhuǎn)子之間軸段以及主軸尾端端面各自加工出一圈均布和深淺一致的螺紋孔，通過增加配重的方法在動平衡機上進行動平衡。

當內(nèi)置式電主軸裝配完成后，和后置式靜壓電主軸一樣，主軸上還會增加其他零件，此時又會產(chǎn)生新的動不平衡，同樣可象圖3那樣在主軸后端安裝一個法蘭零件，這樣就可利用主軸前端砂輪安裝位置設(shè)置的一圈均布和深淺一致的螺紋孔和法蘭零件上設(shè)置的一圈均布和深淺一致的螺紋孔通過增加配重的方法采用便攜式動平衡儀進行現(xiàn)場性能調(diào)試動平衡了。

同理，在切削加工時，仍采用內(nèi)嵌式在線動平衡系統(tǒng)，這樣整個內(nèi)置式靜壓電主軸系統(tǒng)的動平衡結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 結(jié)語

基于機械平衡技術(shù)，后置式靜壓電主軸和內(nèi)置式靜壓電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在不同的動平衡階段布置不同的動平衡結(jié)構(gòu)，可有效減小主軸零件、電主軸系統(tǒng)裝配完工后的現(xiàn)場性能調(diào)試和切削加工存在的動不平衡，前兩階段的動平衡結(jié)構(gòu)有利于部件裝配完工后的精度檢驗，后一階段的動平衡結(jié)構(gòu)有利于提升靜壓電主軸作為工具的工件加工精度。上述方法適用面很廣，在電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計時進行綜合考慮，可大大提升整個電主軸部件的動態(tài)性能和精度。