毛秋林

摘 要：銑床主軸箱是銑床的重要裝備件，是銑床的輸出端，對銑床輸出的轉(zhuǎn)速及加工精度起主要作用。分析銑床主軸箱設(shè)計，從而為銑床主軸箱設(shè)計提供更加廣泛的思路。

關(guān)鍵詞：銑床;主軸箱;設(shè)計

1 銑床傳動軸的設(shè)計

實際銑床傳動軸的質(zhì)量是連續(xù)分布的，用基于集中參數(shù)的模型來表示這樣的銑床傳動軸會導(dǎo)致分析結(jié)果與精確模型之間的差異，這些差異隨著模型中集中點的數(shù)量而減少。將具有分布質(zhì)量的銑床傳動軸劃分為幾個較短的單元，用第i個單元的質(zhì)量、彈性和阻尼等集中參數(shù)來描述，可以得到與將軸劃分為無限個單元時所得結(jié)果基本相同的計算機模擬結(jié)果，與波模型相對應(yīng)。上述劃分過程稱為運動結(jié)構(gòu)的離散化，對應(yīng)于銑床傳動軸的多質(zhì)量集中參數(shù)模型。

為了展示銑床傳動軸模型的綜合，采用了以下假設(shè)：銑床傳動軸是彈性元件，在集總參數(shù)模型的情況下，軸被分成有限個相同的單元，其參數(shù)（彈性、質(zhì)量和耗散）相同。

在分布參數(shù)模型的情況下，軸被分成無限多個相同的單元，這些單元的參數(shù)是相同的;軸由特定的（每單位長度）常數(shù)參數(shù)表示：特定的慣性矩J′，軸內(nèi)粘滯摩擦系數(shù)D′和扭轉(zhuǎn)敏感系數(shù)S′c，圓周運動由角速度表示，而軸偏轉(zhuǎn)則省略，

軸內(nèi)的粘性摩擦也用集中阻尼參數(shù)D1m和Dm1表示，為軸的每個元件定義角速度和扭矩。在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，將銑床傳動軸的運動結(jié)構(gòu)（圖1）轉(zhuǎn)換成m個離散單元，其中，J1，…，Jm，Cs，12，…，Cs，m-1，m，Sc，12，…，Sc，m-1，m，D12，…，Dm-1，m是慣性矩，扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，扭轉(zhuǎn)敏感系數(shù)（Sc=1/Cs）和分離銑床傳動軸各元件內(nèi)的粘性摩擦系數(shù);D1，Dm是為軸承定義的摩擦系數(shù)。

根據(jù)機電能轉(zhuǎn)換理論，廣義坐標是機械系統(tǒng)中的力或力矩和電路中的電壓，而廣義速度是機械系統(tǒng)中的速度或角速度和電氣系統(tǒng)中的電流。因此，銑床傳動軸的參數(shù)與輸電線路的參數(shù)相等，即轉(zhuǎn)動慣量等于電感，扭轉(zhuǎn)敏感度等于電容，摩擦系數(shù)等于阻力，軸內(nèi)的粘滯摩擦系數(shù)等于電導(dǎo)的倒數(shù)。采用上述類比，并考慮到銑床傳動軸的特殊性，建立了銑床傳動軸的等效電路。

為了驗證所提出的長銑床傳動軸建模算法在輸電線路上的有效性，進行了仿真設(shè)計。在第一步中，算法C++編寫的計算機程序由研究小組編寫。采用開放式自由軟件編寫仿真程序。開發(fā)一個獨立的仿真程序可以優(yōu)化算法代碼，該算法代碼將在將來用數(shù)字信號處理器在逆變器中實現(xiàn)。仿真包括無刷直流電動機（BLDC）的全控制模型，建立的長銑床傳動軸模型和直流發(fā)電機模型。在仿真中，根據(jù)真實的實驗室設(shè)置元素，選取了4kw無刷直流電動機和長0.66m、直徑0.008m的鋼制銑床傳動軸的參數(shù)。

2 銑床帶輪的設(shè)計

銑床帶輪是一個具有大量振動源的高度復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，它具有足夠的彈性，具有不同的自由度與靈活性。銑床帶輪的作用力完全取決于激振力的強度、周期性出現(xiàn)的時間間隔以及作用的持續(xù)時間。在銑床帶輪設(shè)計中，可以采用以下方案。

銑床帶輪安裝在一根長橫梁上，這樣結(jié)構(gòu)支架就遠離電動機的重心，傳動總成就安裝在隨電動機移動的動臂上。銑床帶輪位于短梁上，因此結(jié)構(gòu)支架大致低于電機的重心。驅(qū)動組件位于動臂上，并隨動臂一起移動。銑床帶輪安裝在銑床機的固定底座-底梁上，在這種情況下，銑床帶輪會形成一個非常獨立的系統(tǒng)，帶者銑床帶輪獨立移動。

3 銑床齒輪的設(shè)計

為了更好地了解銑床齒輪設(shè)計過程，圖2顯示了帶有工業(yè)機器人的銑床齒輪的示意圖。銑床有16個齒輪，在銑床齒輪中，采用1F1E結(jié)構(gòu)，在同一組相鄰的兩個銑床齒輪之間設(shè)置間隙，安裝銑床齒輪，驅(qū)動銑床齒輪。銑床齒輪有1個主軸，如圖1所示的坐標系所示;機器人效應(yīng)器末端的旋轉(zhuǎn)中心為原點，X、Y和Z軸如圖所示。指第i（i=1，2，…，n）個銑床齒輪在第j（j=1，2，…，m）根軌道上對芯軸施加的力，可根據(jù)實際情況得到;設(shè)計銑床齒輪與Z軸的夾角、銑床齒輪的角速度、銑床齒輪與水平面在X-Y平面上的投影角。在銑床齒輪設(shè)計過程中，銑床齒輪沿順時針方向移動，牽引系統(tǒng)用芯軸牽引機器人，使芯軸沿銑床齒輪中心移動。

銑床齒輪的傳動鏈由許多傳動結(jié)構(gòu)組成，包括傳動軸、軸承、托架和軸套。銑床主軸箱系統(tǒng)的一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是銑床齒輪，優(yōu)化銑床齒輪嚙合以減小振動是提高銑床性能的有效途徑。齒面摩擦系數(shù)受齒面微觀形貌、潤滑狀態(tài)、嚙合位置等多種因素的影響。利用庫侖模型和光滑庫侖模型等摩擦系數(shù)預(yù)測模型對銑床齒輪的摩擦系數(shù)進行了預(yù)測。

建立直銑床齒輪系統(tǒng)三維有限元模型的過程。首先，利用HYPERMESH軟件和ANSYS軟件對驅(qū)動軸和從動軸進行有限元分析。利用Craig-Bampton組件模態(tài)綜合技術(shù)可以生成降階模型。然后，驅(qū)動銑床齒輪。最后，利用Newmark-β積分法推導(dǎo)并求解動力學(xué)方程。

銑床齒輪系統(tǒng)傳動軸的三維有限元分析中，通過建立銑床齒輪三維模型的方式，這個模型有3000多個節(jié)點和9000個自由度，直接求解模型是非常耗時的。因此，動態(tài)分析需要一個降階模型。構(gòu)件模態(tài)綜合技術(shù)是一種有效的模型降階方法，本次設(shè)計采用Craig-Bampton（CB）組件模式綜合方法。根據(jù)銑床齒輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，將主軸箱（包括小銑床齒輪和軸）的三維有限元分析分為兩個子結(jié)構(gòu)，它們分別被命名為軸子結(jié)構(gòu)和銑床齒輪子結(jié)構(gòu)。兩個子結(jié)構(gòu)的界面是銑床齒輪的軸孔，對CMS在該模型中的主要應(yīng)用作了簡要的總結(jié)。

假設(shè)驅(qū)動軸的物理坐標可以表示為：

其中下標“i”和“j”分別表示內(nèi)部節(jié)點自由度和接口節(jié)點自由度?！癙”是指銑床齒輪，“K”表示用來連接模擬齒輪接觸的彈性基礎(chǔ)的固定自由度，以及上標“S”代表軸下部結(jié)構(gòu)。

通過有限元分析軟件得到了軸子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度矩陣，并按如下順序排列：

得到了獨立模型坐標系下驅(qū)動軸和從動軸的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和力矢量。它們之間的關(guān)系需要通過一對配對的銑床齒輪來建立。利用PASTHARNAK基金會模擬銑床齒輪接觸。銑床齒輪模型設(shè)計中，一對嚙合銑床齒輪被同化為兩個不同的基礎(chǔ)。兩個基礎(chǔ)通過一些獨立彈簧串聯(lián)在一起，彈簧用于模擬接觸剛度。假設(shè)兩個基礎(chǔ)位于作用平面內(nèi)，兩個嚙合齒的銑床齒輪接觸剛度可以由通過組合所有質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和力矢量，可以得到銑床齒輪參數(shù)的動力學(xué)方程。銑床齒輪設(shè)計中，分別是銑床齒輪系統(tǒng)的三維有限元的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和位移，建立耦合剛度矩陣和銑床齒輪系統(tǒng)的三維有限元。

在銑床齒輪有限元模型設(shè)計中，分析銑床輪齒面裂紋對振動響應(yīng)的影響。然而，銑床齒輪剝落故障也是工程應(yīng)用中常見的故障類型，剝落故障通常發(fā)生在銑床齒輪的節(jié)線附近。銑床齒輪剝落缺陷在節(jié)線附近被建模為矩形剝落。假設(shè)銑床齒輪在剝落后不與從動銑床主軸箱接觸，則剝落區(qū)的接觸剛度將被移除。

4 主軸組件設(shè)計

本機床功率為中型功率，為了簡化結(jié)構(gòu)，主軸采用了軸向后端定位的兩支承主軸組件。前支承采用3182118型雙列圓柱滾子軸承，后支承采用46214型角接觸球軸承和8215型單向推力球軸承。為了保證主軸回轉(zhuǎn)精度，主軸前后軸承均用防松螺母調(diào)整軸承的間隙。主軸前端采用短圓錐定心結(jié)構(gòu)。前軸承為C級精度，后軸承為D級精度。

5 潤滑系統(tǒng)的設(shè)計

主軸箱內(nèi)采用飛濺式潤滑。油面高度為65mm左右，甩油輪浸油深度為10mm左右。潤滑油型號為：HJ30。卸荷皮帶輪軸承采用脂潤滑方式。潤滑脂型號為：鈣質(zhì)潤滑脂。

6 密封裝置的設(shè)計

Ⅰ軸軸頸較小，線速度較低，為了提升密封能力，本次設(shè)計采用接觸式密封的方式。銑床主軸的直徑非常大，而且運行速度快，應(yīng)該結(jié)合非接觸式密封的方式。皮帶輪的密封應(yīng)該結(jié)合毛氈式密封，從而有效的防止異物與其接觸。

7 結(jié)語

銑床主軸箱對銑床的運行產(chǎn)生重要的影響，因此，應(yīng)該完善銑床主軸箱的設(shè)計，從而提升銑床運行的效率，有效的降低故障率發(fā)生。在銑床運行中，要結(jié)合主軸箱的運行情況，進行各類子部件的設(shè)計，通過有限元分析的方式，提升設(shè)計精度。

參考文獻：

[1]李培培，孫傲，汪小文，等.銑床主軸箱參數(shù)設(shè)計[J].汽車實用技術(shù)，2020（07）：183-186+199.

[2]朱祥，寸花英，李坤，等.大型落地式鏜銑床TKS6916整機有限元分析[J].機床與液壓，2013，41（01）：124-127+136.

[3]張疆平，李想，賈成閣，等.基于靈敏度分析的XK719數(shù)控銑床尺寸優(yōu)化[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2016（02）：5-8+12.

[4]吳珊，肖琪聃，孫金磊，等.基于ANSYS的臥式龍門銑床輕量化設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2015（08）：55-58.

[5]趙民，齊鳳蓮，雷東亮，等.TDZ110A自動鏜銑床控制系統(tǒng)研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，30（02）：329-332.