李俊江

成都領克汽車有限公司 四川成都 610100

1 序言

隨著生產技術的進步，汽車行業(yè)逐漸向大規(guī)模、大批量及高精度的方向發(fā)展。加工中心由于能實現(xiàn)集成加工產品，可以有效地提高勞動生產率，穩(wěn)定和提高產品質量，降低生產成本，以及縮短生產周期，因而得到了廣泛的使用。

主軸是加工中心的主要加工部件，對產品的加工質量起著至關重要的作用。通常主軸分為機械主軸和電主軸兩種，區(qū)別在于電主軸是將主軸與電動機集成在一起，因此具有體積小、精度好及轉速高等特點，但缺點是不能承受較大的切削力；機械主軸由于在結構上主軸與電動機分開，增加了一級動力傳輸，所以導致精度與最高轉速都不如電主軸，但是卻能夠承載較大的切削力。由于兩種主軸各自的特點，因而它們在生產活動中有著不同的應用。

2 設備介紹

DM500Ⅱ型臥式加工中心是缸體機加線所用的設備，合格件的年加工量為11萬件缸體，持續(xù)生產1000 件缸體的工廢廢品率＜0.5%，單機的設備開動率為96% ，單件零件的加工工時＜72s，設備加工能力值為：CAM≥1.33、CPK≥1.1。

DM50S4B 型直聯(lián)式機械主軸，是DM500Ⅱ型臥式加工中心的配套產品，結構簡單、維護方便，主軸允許的最大轉速為 6000r/min。該主軸由中空伺服電動機、聯(lián)軸器、夾刀系統(tǒng)和旋轉機構組成。同時該主軸還配備了主軸軸承冷卻恒溫裝置、主軸軸承油氣潤滑裝置、主軸氣密封，換刀吹氣的清潔氣源、刀具內冷的高壓切削液，以及外部循環(huán)冷卻水、松拉刀液壓缸所需的液壓系統(tǒng)。

主軸的內部結構如圖1所示。該型主軸錐孔內的徑向圓跳動值為0.003mm，距主軸端面300mm處量棒上的徑向圓跳動值為0.01mm，軸端面的軸向圓跳動值為0.002mm。

圖1 機械主軸的內部結構

3 主軸存在的問題

3.1 主軸在換刀過程中的動作

該型主軸在換刀過程中的動作如下。

1）主軸定向。

2）電磁換向閥的閥頭YV9得電，主軸松刀液壓缸活塞桿克服拉刀桿碟簧的彈力向前運動至行程極限，使主軸處于松刀狀態(tài)；同時換刀臂將刀具插入到主軸當中，電磁換向閥頭YV9失電。液壓原理如圖2所示。

3）電磁換向閥的閥頭YV10得電，松刀液壓缸活塞桿退回，主軸利用拉刀桿碟簧的彈力將刀具鎖緊，電磁換向閥頭YV10失電。

4）換刀過程完成，主軸進行正常的切削加工。

圖2 原松刀機構液壓原理

3.2 主軸存在的缺陷

由圖3可以看出，主軸并沒有設計對拉刀桿位置的直接檢測，而是采用接近開關檢測固定在松刀液壓缸上發(fā)令桿位置的方式來確定主軸的工作狀態(tài)。在主軸的設計理念里，只要檢測到松刀液壓缸活塞的前后兩個極限位置，就可以判定主軸究竟是處于松刀狀態(tài)還是夾刀狀態(tài)。

圖3 拉刀檢測

主軸拉刀桿在實際生產中的工作狀態(tài)應當有4種，分別是主軸松刀、主軸有刀夾緊、主軸無刀夾緊及主軸有刀未夾緊。這4種狀態(tài)中，前3種是正常的工作狀態(tài)，第4種為故障狀態(tài)。按照主軸出廠時的設計，松刀液壓缸的活塞桿只有兩個位置狀態(tài)，由于只能檢測活塞的前后兩個極限位置，主軸是否處于后3種狀態(tài)，設備根本無法識別。在這種情況下，就可能出現(xiàn)：當主軸進行換刀時，如果主軸未能將刀具夾緊，甚至是刀具在加工過程中掉落，設備將無法得到正確的報警信號，使加工的零件報廢。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)次數隨著產量的增加而增加，特別是在進行大批量生產時尤為凸顯。

4 主軸的優(yōu)化方案

4.1 優(yōu)化思路

通過不斷的分析和研究，考慮了以下幾種優(yōu)化思路。

思路一：在主軸軸身上通過鉆孔等方式增加傳感器，通過直接檢測拉刀桿的位置來確定主軸的夾刀狀態(tài)。

思路二：在主軸前端增加傳感器，通過直接檢測刀柄的位置來判定夾刀的狀態(tài)。

思路三：將主軸前端用作換刀吹氣的清潔氣源變更為氣檢裝置，通過壓縮氣體的壓力值來判斷夾刀的狀態(tài)。

思路四：優(yōu)化主軸拉刀桿與活塞桿的結構及功能。

以上幾種思路在理論上都有一定的可操作性，并且可以在很大程度上避免出現(xiàn)刀未夾緊卻繼續(xù)加工生產的情況，但是通過現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)了很多問題。

1）主軸的軸身存在較多的內置管路，包括冷卻管路、潤滑管路及液壓管路，由于主軸的生產加工工藝對于生產廠家來說屬于商業(yè)機密，所以生產廠家不同意提供主軸的內部結構圖樣。如果采用思路一，就很有可能出現(xiàn)因破壞軸身內置管路而導致主軸損壞的情況，并且這種破壞無法修復。經過權衡，認為思路一風險太大，因此放棄該思路。

2）在現(xiàn)場觀察中發(fā)現(xiàn)，主軸前端的工況較為惡劣。設備采用的加工方式為濕式加工，切削液在噴出的過程中具有較大的壓力及流量，按照以往的經驗并咨詢傳感器制造商，判定傳感器的工作壽命不足以滿足使用需求。同時在加工過程中切屑紛飛，極有可能頻繁出現(xiàn)傳感器誤報警的情況?；谝陨显?，最終放棄了思路二。

3）思路三中主軸的清潔壓縮空氣從主軸內冷孔中吹出，該思路只適用于無內冷的刀具，而該加工中心存在鉆孔和攻螺紋等加工工序，在加工過程中必須一直噴出內冷切削液，因此思路三只能保證主軸在裝夾部分刀具的情況下具備刀具未夾緊的報警功能，因此也被排除。

通過現(xiàn)場試驗及論證，確定以思路四為基礎制定優(yōu)化方案。

4.2 優(yōu)化方案

（1）方案設計 主軸原設計中只有兩個傳感器對松刀液壓缸的極限位置進行檢測，這兩個極限位置中，一個是松刀位置，一個是松刀液壓缸卸油位置。而目前需要監(jiān)測的點包括：主軸松刀位置、主軸有刀夾緊位置、主軸無刀夾緊位置及松刀液壓缸卸油位置。因此，首先需要增加兩個傳感器，分別對主軸有刀夾緊位置、主軸無刀夾緊位置進行檢測。

由于無法對拉刀桿的位置進行監(jiān)控，只能監(jiān)控松刀液壓缸活塞桿的位置，因此必須保證在刀具裝夾的過程中，松刀液壓缸活塞桿與拉刀桿的相對位置不能發(fā)生變化，只有在這種情況下，活塞桿的位置才能等同于拉刀桿的位置。根據這一思路，還需要對液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。

（2）方案實施 過程如下。

1）在液壓缸活塞上，在原有發(fā)令桿的結構旋轉90°的位置新增加一根發(fā)令桿，新增加的發(fā)令桿的作用是感應主軸有刀夾緊位置、主軸無刀夾緊位置。這樣可以避免活塞桿位置檢測傳感器因布置得過于密集而產生的信號不穩(wěn)定。

2）更改液壓系統(tǒng)，將主軸松刀油路上的電磁換向閥由以前的O形閥（見圖2）替換為同類型的Y形閥，并且在松刀油路的回油管路上增加一個可調式溢流閥。液壓系統(tǒng)改造完畢后的液壓原理如圖4所示。

圖4 松刀機構改造后的液壓原理

3）更改控制程序，將電磁換向閥的閥頭得電順序做出調整。刀具被插入主軸之前的得電順序不變，在換刀臂將刀具插入到主軸當中且電磁換向閥頭YV9失電之后，不允許閥頭YV10得電，這時電磁換向閥處于中位狀態(tài)。由于該閥更換為Y形閥，松刀液壓缸此時處于自由狀態(tài)。這時，拉刀桿依靠自身的碟簧彈力推動松刀液壓缸的活塞向后移動，在此期間，拉刀桿與液壓缸活塞緊密貼合，直到拉刀桿處于拉刀狀態(tài)；同時，在回油管路上增加的溢流閥起背壓作用，可以在最大程度上避免活塞在拉刀桿停止運動后因為慣性繼續(xù)向前運動。通過計算和在加工中心上的實際驗證，得出：當拉刀桿的拉刀力為48kN時，回油管路上的溢流閥的溢流壓力調整為1.8MPa較為合適，此時既能避免活塞的慣性運動，又不影響液壓系統(tǒng)的正常工作。當機床得到主軸有刀夾緊位置或者無刀夾緊位置的信號后，電磁換向閥的閥頭YV10得電，松刀液壓缸退回原位，此時一個換刀過程完成。

4）液壓系統(tǒng)改造完成后，當拉刀桿處于拉刀狀態(tài)時，松刀液壓缸活塞桿的位置即為主軸的夾緊位置，對主軸在有刀和無刀狀態(tài)下的位置不斷地進行試驗，通過檢測新增加的發(fā)令桿的位置，得到主軸的有刀夾緊位置和無刀夾緊位置。

5）在主軸后端的鐘形罩上增加兩個傳感器，分別用來感應兩個夾刀位置的信號。加工過程中，在有刀存在的情況下，如果有刀夾緊位置及無刀夾緊位置均未檢測到信號，則說明刀具未正確裝夾；如果無刀夾緊位置檢測到信號，則說明刀具掉落，未能裝夾。當出現(xiàn)以上情況時，設備會得到報警信息，機床立即停止加工。在無刀存在的狀態(tài)下，如果機床在無刀夾緊位置未檢測到信號，那么說明拉刀桿本身可能出現(xiàn)了故障，為避免故障的擴大以及出現(xiàn)更大的損失，應當盡快安排檢修。

5 結束語

主軸優(yōu)化改造完成后，通過近8個月的生產及觀察，再未出現(xiàn)過因刀具未夾緊而不報警的情況，使改造優(yōu)化達到了預期效果。由于新增加了在無刀時對拉刀桿的檢測，成功地提前判斷出一次拉刀桿生銹發(fā)卡的故障，因而為現(xiàn)場生產節(jié)約了寶貴的時間，該項功能超出了預期目標。

對一些無法進行直接性改造的設備或部件，如果避開困難點，采用迂回的思路，對設備進行綜合的思考和判斷，也可達到預定的目標。