精密臥式主軸設計研究

王慶利 范春宏 吳 麗 李永軍 李昕晞

(沈陽機床股份有限公司，遼寧沈陽 110141)

當前零部件加工的精度要求在不斷提高，機床向高速、高精、高效、高智能方向發(fā)展，作為機床核心部件主軸突顯其至關重要的作用。因為主軸的變形和振動對機床的加工精度和表面質(zhì)量影響最大，機床設計的成功關鍵取決于主軸設計的優(yōu)劣。主軸設計主要是根據(jù)工件的加工條件、加工要求、機床配置參數(shù)和結(jié)構(gòu)等合理選擇主軸的主參數(shù)。我廠多年一直致力于主軸的研究與設計，并已投入生產(chǎn)，是國內(nèi)少有的具有主軸自主研制能力的企業(yè)。

本文就是以HMS63型臥式加工中心的主軸設計為例，闡述主軸設計要點，理論計算及其一些實際經(jīng)驗。

1 結(jié)構(gòu)設計

開發(fā)臥式加工中心時，根據(jù)市場需求及實際發(fā)展要求，確定的主軸具體參數(shù)是:主軸錐孔型號No.50，主軸轉(zhuǎn)速范圍20～6 000 r/min，主電動機功率17 kW，主軸最大扭矩870 N·m，主軸軸承直徑φ110 mm。

主軸箱內(nèi)的傳動機構(gòu)具有增大扭矩作用。動力由交流電動機通過電動機軸的齒輪嚙合，將運動傳給中間軸。中間軸上通過二位油缸推動滑移齒輪實現(xiàn)自動二檔變速，傳動檔次由滑移齒輪所處的位置確定，最后由中間軸傳給主軸。主軸箱結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

主軸是由兩組高精度角接觸球軸承支承，主軸軸承的潤滑為脂潤。主軸有冷卻循環(huán)系統(tǒng)，控制主軸溫升。拉刀機構(gòu)是由碟形彈簧及液壓油缸組成的，當?shù)毒哐b入主軸的ISO50錐孔后，由主軸內(nèi)部的刀具夾緊裝置進行夾緊。刀具夾緊時，夾緊裝置的彈性夾頭抓住刀柄尾部的連接螺栓，靠碟形彈簧張力將刀具向后拉緊。刀具松開時是通過主軸后部的液壓油缸壓縮碟形彈簧，使夾緊裝置的彈性夾頭張開，并借助推桿將刀具推出。

該臥式加工中心主軸電動機根據(jù)計算得到，選擇1PH7137－2ND02－OLAO型號，此種交流電動機結(jié)構(gòu)緊湊，屬于強制風冷型鼠籠異步電動機，具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩不受速度影響、魯棒性好等特點。

根據(jù)電動機的特性曲線，通過計算，可以得到主軸驅(qū)動系統(tǒng)特性曲線，如圖2所示。

2 理論計算

2.1 傳動比計算

主軸箱有二檔齒輪變速，其各檔減速比按如下公式計算:

2.2 主軸性能參數(shù)計算

預選的西門子主軸電動機，其主要參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)速n'rated=1 000 r/min;最高轉(zhuǎn)速n'max=8 000 r/min;最低轉(zhuǎn)速n'min=107 r/min;額定功率P'rated=17 kW;間歇工況下功率P'30min=22.5 kW;額定轉(zhuǎn)矩M'rated=162 N·m;間歇工況下轉(zhuǎn)矩M'30min=214 N·m。

其功率轉(zhuǎn)矩圖上主軸各個性能參數(shù)確定，主軸轉(zhuǎn)速范圍為20～6 000 r/min，計算如下:

綜合考慮各軸及軸承的極限轉(zhuǎn)速，取nmax=6 000 r/min。

為了能都充分發(fā)揮電動機各階段的性能，在適合的轉(zhuǎn)速下進行機械換擋，能夠得到最優(yōu)的功率扭矩曲線，機械檔數(shù)為高、低二檔，主電動機轉(zhuǎn)速:低檔為20～800 r/min;高檔為800～6 000 r/min。換檔速度:

經(jīng)過齒輪箱，能夠加大轉(zhuǎn)矩的傳遞，主軸連續(xù)轉(zhuǎn)矩:

間歇工況下轉(zhuǎn)矩:

2.3 主電動機功率的確定

機床主電動機功率是機床的主要動力特性參數(shù)之一，確定主電動機功率的方法是調(diào)查研究和科學實驗，并輔之以計算，根據(jù)機床最大負荷工作情況計算、機床最大許用轉(zhuǎn)矩(銑削)或最大進給抗力(鉆削)情況下所需之功率，由經(jīng)驗可知，銑削功率大大超過鉆削，故以銑削功率確定主軸電動機功率。

主電動機功率:

式中:N主為主傳動電動機功率，kW;N切為消耗于切削時的功率損失，kW;N空為消耗于空運轉(zhuǎn)的功率損失，kW;η機為主傳動鏈的總機械效率;N附為有切削載荷后所增加的傳動件的摩擦功率，kW。

2.3.1N切的確定

銑削時各參數(shù)如表1所示。

表1 銑削參數(shù)

2.3.2 求N空

該型號機床主傳動鏈的空運轉(zhuǎn)功率損失可用下列實驗公式估算:

式中:da為主傳動鏈中除主軸外所有傳動軸的軸徑平均值，mm，da=45 mm;d主為主軸前后軸徑的平均值，mm;d主=110 mm;∑ni為當主軸的轉(zhuǎn)速為N主時，傳動鏈內(nèi)除主軸外各傳動鏈的轉(zhuǎn)速之和(含不傳遞載荷也隨之空轉(zhuǎn)之軸的轉(zhuǎn)速);N主為主軸計算轉(zhuǎn)速，r/min;c為系數(shù)，反映主軸支承情況，兩支承軸承c=0.85;I為潤滑油粘度影響的修正條數(shù)，用20號機油時I=0.9。實際上當機床發(fā)揮最大功率時，

2.3.3 計算 η機

η機=η1×η2=0.994×0.995=0.887

2.3.4N附的確定

綜上可得N主=N切/η機+N空+N附=12.4/0.887+0.23+1.4=15.6 kW

所以，主電動機額定功率選17 kW。

3 結(jié)語

主軸研制成功與機床生產(chǎn)裝配并進行幾何精度及加工精度切削檢驗，經(jīng)多次理論分析與實踐調(diào)整，檢驗數(shù)據(jù)表明各項精度已完全符合設計要求，且該主軸在工作過程中運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低，超越預期設計效果，現(xiàn)已做為成型功能部件應用于機床生產(chǎn)。

［1］《機床設計手冊》編寫組.機床設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1986.

［2］陶乾.金屬切削原理(修訂版)［M］.北京:人民教育出版社，2001.

［3］SIEMENS.用于機床的自動化系統(tǒng)產(chǎn)品目錄NC60［Z］.西門子自動化與驅(qū)動集團，2004.