國產主軸（zhóu）單元在加（jiā）工中心上的應用-功能部件網-數控機床市場網

您現在的（de）位置：功（gōng）能部件網> 技術（shù）前沿> 國產主軸單元在加工中心（xīn）上的應用

國產主軸單元在加工中心上的應用

2022-7-18 來源：寶雞機床集團（tuán）有限公司作者：羅（luó）海軍

摘要：為了使國產主軸單元更好地應用於加工中心（xīn）上，通過對機床典型工況的分（fèn）析，確定出主軸（zhóu）部件所能承受的最（zuì）大切削力（lì）。利用有限元分析軟件對加工（gōng）中心的箱體（tǐ）結構（gòu）進行了優化，加裝熱（rè）傳感器並進行了係統熱補償，有效提高了整機剛度與精度。結合北一機整體式主軸特有的氣幕保護、錐孔吹氣等功能（néng），設計出（chū）具有幹燥氣體、保護主軸錐孔的氣動係統，為最大限度地發揮（huī）主軸可靠（kào）性、穩定性提供（gòng）保證。

關鍵（jiàn）詞：國產主軸單元；最大切削力；有限元分析；係統熱補償；氣幕保護

0 引言

我（wǒ）國的機（jī）床行業最近幾年有了長足的進（jìn）步（bù），但是核心功能部件與歐（ōu）美等（děng）品牌有一定的差距。主軸係統性能與機床（chuáng）的加工（gōng）精度精密相關，是（shì）機床最重要的功能部件，主軸單元的動靜態性能的（de）優劣對加（jiā）工精度和運行可靠性影響（xiǎng）非常大（dà）。

本文（wén）詳細地闡述了國產主軸（zhóu）在立式加工中心上的設計和應用（yòng）方案，機床樣機試製（zhì）完成後做了大量熱補償和可靠性試驗，並且匯（huì）總了一些問題反饋給主軸（zhóu）部件配套單位（北京北一機床廠（chǎng）），為其後續的改進、批量生產提供理論依據。打造質量過硬、結構先進的機床功能部件是提高我國機床（chuáng）行業整體水平（píng）的重要組成部分，是保障製造業核心競爭力、產業結構升級的必經之路。

1、VMC850L立式加工中心典型（xíng）工況及主軸選型分析

1.1 低速大轉矩銑平麵

1.2 大切削力及功率銑（xǐ）槽

1.3 主軸功能部件選型結果分析

根據專項要求使用北一機（jī）床廠（chǎng）提供的TZ041A20001型直聯（lián）主軸，該主軸最高轉速為12 000 r/min，最（zuì）大轉矩為96.5 N，最大輸（shū）出（chū）功率12 k W。這（zhè）些數據都大於（yú）機床的典型工況加工計算值（zhí），並且大於本次機床的設計最大功率11 k W和最大轉矩值75 N·m，主軸電動機選用FAUNC βi I8/12000來滿足使用要求（qiú）。

1.4 對主軸（zhóu）箱體進（jìn）行有限元分析及靜態剛度計（jì）算

立銑刀在銑（xǐ）槽（cáo）時，主軸係統所受（shòu）軸向抗力（lì）是（shì）造成主軸箱變型的（de）重要因素，如圖1所示。根據1.2節大切削力銑槽（cáo）工況中所計算出的切削力Fz＝4185 N，根據公式F0≈（0.50～0.55）·Fz，可計算出銑削時的軸向抗力F0≈2300 N。

在F0載荷作用下進行主軸部件剛度K0計（jì）算[4]，變形是由（yóu）主軸箱自身和導軌接觸（chù）變形兩部分組成的（de）。箱體自（zì）身負載處變形量（如圖（tú）2）為10.7 μm，根據轉矩平衡、變幾何關係與Z軸導軌（guǐ）副剛度參數，計算出Z軸滑動導軌副接觸變形所引起切削點位移為（wéi）5.17 μm。主軸部件剛度K0＝2300÷（10.72+5.17）＝145 N/μm。

Simulation是Solid Works 附帶的有限元分析插件，該插件在實踐應用中（zhōng）較為成功，能滿足單個零部件靜態應力、應變和位移等（děng）的有限元分析。利用該軟件為此次課題設計（jì）主軸箱體提供很（hěn）好（hǎo）的仿真依據，對箱（xiāng）體的結構設計

起（qǐ）到至關（guān）重要的作用（yòng）。

如圖2所示，主軸係統在受到2300 N的軸向抗力時，其變形量最大為0.0107 mm，這時主軸中心距導軌安裝麵的距離（lí）為570 mm。如圖3所（suǒ）示,將此距離變為500 mm，主軸係統在承（chéng）受同樣的軸向抗力時，變形量最大（dà）值為0.0104 mm，有了明顯的減（jiǎn）少。通過仿真模擬和對主軸部件剛度K0的計算（suàn），在箱體結構設（shè）計過程中適當減小了（le）箱體中心孔到導軌麵的距離，在保證Z軸行程的前提下導軌支撐盡量（liàng）下移，可（kě）有效地（dì）提高主軸係統的剛度。

2、機床主軸功能部件的設計（jì）

2.1 主軸功能部（bù）件的氣動係統設計

氣（qì）動設計為本次主軸係統關鍵組成部分，直聯（lián）主軸氣路較為複雜，對氣流的壓力和幹燥度（dù）有著相應的要求。如圖4所示，主氣源通（tōng）過氣動三聯件4分為三路：一路接壓力檢測開關5監控整個係統的壓力，如果（guǒ）過低機床就（jiù）會報警；一路接圓盤刀庫，刀庫上自帶電磁換向（xiàng）閥，控製刀套旋轉；最後一路在進（jìn）入高分子幹燥器6前又分為三路（lù），第一路通過電磁閥7控製主軸箱上竹節管加工吹氣，起到清理和冷卻工件的作用；第二路連接氣液轉化打刀缸9，打刀缸把氣壓轉化（huà）為油壓控製鬆刀，並且同時控製主軸拉刀與主軸錐孔吹（chuī）氣；第三（sān）路通過高分子幹（gàn）燥器6過濾後，依次通過調壓閥3和電磁（cí）閥2來控製主軸上的氣幕保護（hù）功能。

2.2 主軸功能部件的（de）結構設計

主軸係統的優劣直接影響著整（zhěng）個機床（chuáng）的性能。區別於以往傳統（tǒng）分體（tǐ）式結構，由圖5可以看出，伺服電（diàn）動機1直接（jiē）連接（jiē）在主軸箱體2上，減少了中間環節，提高了主（zhǔ）軸係統（tǒng）整體精度（dù）和剛度（dù），主軸箱采用高強度鑄鐵，經過多（duō）次時效處理，有效抑製了加工過程中切削力導致的變形及應力。外冷卻管3集成在主軸箱右側，結構緊湊，為加工提供大流量的冷卻液。Z軸導軌（guǐ）防護罩4采用不鏽鋼材質，運行穩定可靠，保護（hù）立柱導（dǎo）軌淬硬（yìng）麵免受（shòu）極端（duān）工況的破壞（huài）。導軌壓板及鑲（xiāng）條5配合貼塑、刮研（yán）工藝，使（shǐ）摩擦阻力小，負荷能力高，精度保持性長久。

高強度（dù）絲（sī）杠螺母座6配合大轉矩交流伺服電動機與滾珠絲杠直接傳（chuán）動，保（bǎo）持了零件加工高精度；導軌（guǐ）、滾珠絲杠副（fù）采用中央集中自（zì）動稀油潤滑，各個節點配有定量式分油器7，定時定量向各潤滑部位注油，保證各滾動麵均勻潤（rùn）滑，有效地減小摩擦阻力，提（tí）高了運動精（jīng）度，保證了滾珠絲杠副和導軌的使用壽命。高剛性聯（lián）軸器（qì）8連接主軸和電動機，保證主軸在高速運轉（zhuǎn）的（de）過程中平穩、可靠地傳遞轉矩。

3、機床主軸功能（néng）部件的熱補償及可靠性試（shì）驗

3.1 主軸（zhóu）係統（tǒng）熱誤（wù）差形成（chéng）的原（yuán）因

由溫升引起的熱誤差占（zhàn）總誤差的40%~60%，是影響加工精（jīng）度的主要因素。如（rú）圖6所示，主軸高速旋轉時，主軸軸承內外環高速摩擦（cā）產生大量熱量，這些熱量使主軸空間（jiān）姿態（tài）發生變化，產生熱伸長、熱傾斜和熱漂移等形變，這些（xiē）形變又引起刀具與工件相對位置發生變化，導致工件加工精度變差。

3.2 溫度測量

在VMC850L立（lì）式（shì）加工中（zhōng）心的3個（gè）進給軸各布置2個溫度傳感器，其中一個靠近X、Y、Z軸絲杠螺母位置，另外一（yī）個遠離絲杠（gàng）電（diàn）動機端；在主軸和機床底座（環（huán）境溫度）上分別布（bù）置了2處溫度（dù）傳感器（qì），采集相應（yīng）的溫度場信息（xī）並反饋到誤差補償係統，以實現對全閉環熱態定位誤差的實時補（bǔ）償，溫度傳感器在數控機床上的（de）安裝（zhuāng）如圖7所（suǒ）示。

3.3 數控係統的補償功（gōng）能分析

根據（jù）機床工況和關鍵點溫（wēn）度預測（cè）熱誤差，數控係（xì）統反向調節機床坐（zuò）標係原點或（huò）進給軸參數，來抵消或減少熱誤差。智能補償（cháng）模塊采集機床熱敏感點的實時溫度，並根據補償模型（xíng）計算補償參數，將補償參（cān）數傳送給PLC，再由PLC通過通信接口將補償參數（shù）寫入NC係統，改變CNC中熱（rè）誤差（chà）補償參數（shù），實現（xiàn）熱誤差補償。

圖8所示為（wéi）五點法測量機床主軸（zhóu）熱（rè）漂移，主軸空運轉加熱（rè）誤差補償功能和不加補（bǔ）償各5 min，記錄X向主軸熱變形數據。補償後熱漂移明顯減小，補償效果良好。

3.4 主軸的最大轉矩及功率試驗

在機床恒轉矩區範圍（wéi）內選取主軸轉速（sù）n＝400 r/min，采用直徑d0＝80 mm六齒YG6硬質合金（jīn）鋼端銑刀進行銑（xǐ）削試驗，通過改變進給速度或切削深度，使機床達到設計（jì）最大轉矩T＝70 N·m，此次試驗過程中主軸及過載保護裝置工作正常、可（kě）靠。

在機床恒功率區範圍內選取主軸轉速n＝1550 r/min，采用直徑d0＝28 mm四齒硬質（zhì）合金鋼端銑（xǐ）刀進行銑削試驗，通過改變進給速度或切削深度，使機床達到設（shè）計最大功率11 k W，此（cǐ）次試驗過程中主軸同樣（yàng）工作正常、可（kě）靠（kào）。

按照GB/T 18400.2-2010《加（jiā）工中心檢驗條件第2部分：立式或帶垂直主回轉軸的萬能（néng）主軸頭機床幾何精度檢驗（垂直Z軸）》中（zhōng）G10和G11項複查負荷試驗後主軸單元的精度，實測精度均（jun1）優於國家標（biāo）準。

4、結語

數（shù）控加工中（zhōng）心本身功能需求的擴大，需要（yào）與之配套的功能部件水平也要大幅度提高（gāo）, 甚至很多功能的增加和提高需要通過功能部件來完成（chéng），通過本次主軸功（gōng）能部（bù）件在（zài）加工中心上的（de）應用試驗，可（kě）以充分地了解（jiě）和挖掘國產功能（néng）部件的性能和特點，為以後的（de）改進和功能部件（jiàn）品牌提升打（dǎ）下基礎。在麵對國外競爭時不被製約，是我國基礎製造業的（de）重中之重。機床推向市場麵對終（zhōng）端用戶，主軸等功能部件對機床（chuáng）的精度保持性、可（kě）靠性、穩定性方麵發揮著巨（jù）大的作用，隨（suí）著國產部件質（zhì）量和匹配度（dù）的增高（gāo），機（jī）床行業也（yě）會煥發出新的活力，國（guó）產機床的整體性價比（bǐ）將會大大提高。

投稿箱：
如（rú）果您有機床行業（yè）、企業相（xiàng）關新（xīn）聞稿（gǎo）件（jiàn）發表，或進行資訊合（hé）作，歡迎聯係本網編輯部（bù），郵（yóu）箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企（qǐ）推薦

業界視點

| 更多（duō）

行業數據（jù）

| 更多

博文選萃（cuì）

| 更多