數(shù)控落地銑鏜床主軸箱設(shè)計(jì)

李立強(qiáng) 姜 輝

(齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

數(shù)控落地銑鏜床是核電、能源、電力、礦山、造船、重型機(jī)械等大型零件加工的理想設(shè)備。現(xiàn)有用戶需求1 臺(tái)滑枕移動(dòng)式數(shù)控落地銑鏜床，主要用于加工礦山機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)筒零件，轉(zhuǎn)筒零件的直徑范圍為7～16 m，直徑超過9 m 的轉(zhuǎn)筒組件一般由三瓣零件組成，每二瓣零件之間使用雙頭螺栓和厚螺母聯(lián)接，使用數(shù)控落地銑鏜床加工轉(zhuǎn)筒零件每二瓣之間的結(jié)合面和結(jié)合面上的通孔、反劃沉孔。轉(zhuǎn)筒零件有效加工高度為7 m，用戶要求數(shù)控落地銑鏜床主軸箱垂向Y 軸行程在8 m 以上。但目前，使用滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)數(shù)控落地銑鏜床主軸箱垂向Y 軸行程一般小于6 m，原因是當(dāng)主軸箱行程超過6 m 時(shí)，由于滾珠絲杠的擺動(dòng)和撓曲變形非常大，使機(jī)床的定位精度和滾珠絲杠的壽命降低嚴(yán)重，難以使用。由于用戶要求該數(shù)控落地銑鏜床主軸箱Y 軸行程為8 m，Y 軸如果仍使用滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠零件自身的長度將達(dá)到9 m 長，其精度和壽命已完全不能滿足機(jī)床的使用要求。

為了解決上述難題，筆者公司研制了在數(shù)控落地銑鏜床Y 軸使用交流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器降速后通過一對(duì)高精度齒輪驅(qū)動(dòng)靜壓蝸桿(圖1a)、蝸母條傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)。Y 軸使用光柵尺進(jìn)行主軸箱位置檢測，形成閉環(huán)控制。由于蝸母條由多節(jié)組合而成，且固定在立柱雙導(dǎo)軌之間的外壁上，蝸母條與立柱外壁之間使用多個(gè)螺釘和銷釘固定，因此蝸母條與立柱之間的聯(lián)接剛度非常高。靜壓蝸桿、蝸母條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是筆者公司在數(shù)控重型臥式車床上已成功使用多年的成熟結(jié)構(gòu)，經(jīng)在主軸箱行程為8 m 的數(shù)控落地銑鏜床上使用后驗(yàn)證，該主軸箱垂向Y 軸的定位精度非常高。靜壓蝸桿、蝸母條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)徹底解決了主軸箱Y 軸行程超過6 m 時(shí)，傳統(tǒng)滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由于精度和壽命低而不能使用的問題，并突破了滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控落地銑鏜床主軸箱Y 軸行程不能超過6 m 的限制。靜壓蝸桿、蝸母條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是筆者公司的核心技術(shù)。

靜壓蝸桿、蝸母條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn):

(1)嚙合牙表面處于純液體摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)小，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差異小，傳動(dòng)效率高，可實(shí)現(xiàn)無接觸傳動(dòng)。

(2)傳動(dòng)精度高、精度保持性好，使用壽命長。

(3)油膜剛度大、相當(dāng)于無間隙傳動(dòng)，正反向定位精度高。

(4)油膜具有良好的吸振性能。

(5)適用于高速重載傳動(dòng)。

(6)靜壓蝸桿、蝸母條的制造成本高，并且需要一套流量穩(wěn)定、過濾嚴(yán)格的靜壓供油系統(tǒng)。

筆者公司生產(chǎn)的數(shù)控落地銑鏜床主軸箱結(jié)構(gòu)吸取了國內(nèi)外多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)將主軸箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和3種精度補(bǔ)償裝置介紹如下:

1 主軸箱結(jié)構(gòu)(圖1b)特點(diǎn)

(1)銑削主軸使用超精密滾動(dòng)軸承定位，主軸軸承由單獨(dú)的潤滑管潤滑，主軸軸承安裝在冷卻套內(nèi)，通過控制用于冷卻套和軸承的冷卻油溫度，將銑削主軸、主軸軸承和鏜軸的溫度控制在合理的范圍內(nèi)。通過合理選擇主軸軸承的精度和游隙，合理控制主軸軸徑、冷卻套軸承安裝孔的配合公差的方法，保證主軸軸承熱穩(wěn)態(tài)時(shí)的精度處于最佳狀態(tài)。通過對(duì)銑削主軸組件進(jìn)行整體動(dòng)平衡的方法，將主軸組件的整體不平衡量控制在最小范圍內(nèi)，盡可能地減小主軸組件的整體不平衡量，將主軸軸承發(fā)熱引起的變形降至最小。通過使用上述方法，大大提高銑削主軸和鏜軸在熱穩(wěn)態(tài)時(shí)的精度和精度保持性，大大延長了主軸軸承的壽命。

(2)鏜軸芯部裝有自動(dòng)刀具夾緊、放松裝置，刀具使用碟簧夾緊、液壓放松結(jié)構(gòu)，刀具可在鏜軸伸出的任意位置夾緊與松開。在鏜軸芯部刀具錐孔處裝有瓣爪組件，瓣爪組件的后部裝有刀具拉緊用碟形彈簧片組，在鏜軸后端裝有刀具放松油缸，刀具最大放松力50 kN。刀具的夾緊放松由裝在刀具卡緊油缸處的2 個(gè)無觸點(diǎn)開關(guān)反饋刀具夾緊、放松位置信號(hào)。在鏜軸芯部裝有刀具錐柄吹風(fēng)裝置，在活塞中心至前錐孔處設(shè)置有主軸刀具錐柄清潔用進(jìn)氣孔，在鏜軸的后部裝有與鏜軸對(duì)接的旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭后端裝有氣源進(jìn)氣用管接頭，氣源壓力為0.6 MPa。刀具錐柄吹風(fēng)裝置主要用于清潔刀具錐柄，清潔時(shí)間由刀具松開時(shí)開始至刀具拉緊時(shí)為止。該滑枕可以裝夾直角銑頭、萬能銑頭等附件頭。裝夾功能附件頭時(shí)，滑枕先軸向進(jìn)給接近附件庫中的任一附件頭，滑枕位置由X 軸、Y 軸、W 軸坐標(biāo)確定，當(dāng)接近附件頭至一定距離時(shí)，滑枕端部開始吹風(fēng)，清潔附件頭端部。瓣爪組件在液壓放松油缸的作用下向前伸出，瓣爪組件拉緊附件頭拉緊釘尾部，液壓失壓，同時(shí)空氣吹風(fēng)停止，碟簧組動(dòng)作，將附件頭緊固在滑枕端部。

(3)Z 軸鏜軸和W 軸滑枕的進(jìn)給結(jié)構(gòu)使用交流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)一對(duì)高精度齒輪降速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母、鏜軸、滑枕作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。Z 軸、W 軸的滾珠絲杠前后兩端定位軸承使用高精度滾珠絲杠組合軸承，滾珠絲杠使用雙推對(duì)雙推的高精度軸承定位結(jié)構(gòu)。鏜軸Z 軸為半閉環(huán)控制，W 軸為閉環(huán)控制，W 軸檢測元件為光柵尺。通過使用上述結(jié)構(gòu)，保證了Z 軸、W 軸非常高的定位精度。主軸的轉(zhuǎn)速反饋和主軸的位置定向停由安裝在主軸后部松刀裝置處的主軸位置測量裝置控制。該測量裝置由同步齒形帶驅(qū)動(dòng)編碼器與主軸同步，完成鏜軸轉(zhuǎn)速及位置定向停檢測。

(4)主軸箱后部裝有機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)，主傳動(dòng)由西門子1PH7 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。主傳動(dòng)系統(tǒng)有三檔機(jī)械自動(dòng)變速，變速通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。變速油缸直徑為55 mm，活塞桿直徑35 mm，液壓油壓力為2 MPa，活塞行程135 mm，變速位置由2 個(gè)行程開關(guān)控制，再經(jīng)電氣調(diào)速使主軸獲得所需的轉(zhuǎn)速范圍。

2 主軸箱3 種精度補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)

機(jī)床帶有3 種精度補(bǔ)償裝置，分別是:主軸箱傾角補(bǔ)償、滑枕撓度補(bǔ)償和滑枕附件頭重量平衡裝置。

(1)主軸箱傾角補(bǔ)償(圖1d):主軸箱的重力系統(tǒng)由主軸箱、主軸箱滑座、滑枕組件等零件的重力組成，當(dāng)滑枕縮回時(shí)，整體重力被立柱內(nèi)部的平衡錘通過鋼絲繩的拉力所平衡。當(dāng)滑枕伸出時(shí)，整個(gè)主軸箱系統(tǒng)的重力發(fā)生變化，重心向方滑枕移動(dòng)方向平移，而平衡錘平衡鋼絲繩的拉力位置不變，與原力系比較，增加了一個(gè)滑枕伸出而變大的扭矩。在主軸箱的上部前方及后部下方各有一個(gè)平衡鋼絲繩座，一根鋼絲繩通過固定在立柱頂部和底部的定滑輪組把這兩點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來。在滑座的后部裝有液壓油缸拉緊裝置，在滑座上產(chǎn)生一個(gè)矯正扭矩，使鋼絲繩張緊，將主軸箱的前方向上拉，同時(shí)將主軸箱的后方向下拉，形成一個(gè)與滑枕重心移動(dòng)產(chǎn)生的力矩方向相反的力矩，這樣就使主軸箱力系達(dá)到了新的平衡，避免滑枕伸出滑座和安裝附件加工時(shí)產(chǎn)生的變形引起的加工誤差。

(2)滑枕撓度補(bǔ)償:滑枕撓度變形補(bǔ)償采用油缸組的補(bǔ)償方式，在滑枕上部左右兩角裝有二組補(bǔ)償油缸，每組由3 個(gè)φ80 mm 油缸疊加組成，行程最大5 mm。液壓油缸由電液比例閥控制，隨滑枕伸出而增加油壓，隨著滑枕的收回而降低油壓，在滑枕伸出任意位置時(shí)，根據(jù)光柵尺反饋滑枕的不同位置信號(hào)，通過程序自動(dòng)控制液壓油壓力，保證滑枕移動(dòng)時(shí)的平直。

(3)滑枕附件頭重量平衡裝置:滑枕前導(dǎo)軌下部設(shè)有附件頭重量補(bǔ)償油腔，經(jīng)電氣識(shí)別萬能銑頭、直角銑頭、平旋盤等附件，由數(shù)字式電液比例閥控制油腔液壓油的壓力，并且液壓油的壓力隨方滑枕的位置變化而變化，以此來平衡附件頭的重力及附加的扭矩。

3 結(jié)語

通過在主軸箱垂向Y 軸行程8 m 的數(shù)控落地銑鏜床上使用靜壓蝸桿、蝸母條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)控落地銑鏜床Y 軸的工作精度和使用壽命，滿足了用戶加工礦山機(jī)械轉(zhuǎn)筒零件時(shí)，零件有效加工高度大于7 m 的實(shí)際需要。該產(chǎn)品為筆者公司創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。