機床主軸動平衡方法及計算

■ 長慶油田分公司機械制造總廠 （陜西西安 710200） 李哲鑫

隨著機床不斷地向高轉速、高精度和高效率等方向發展，對主軸的轉速要求越來越高。但機床主軸組件在設計、制造和裝配過程中不可避免的會產生由結構、材質及裝配等原因引起的重心偏離旋轉中心的現象，使機床產生振動、噪音軸承發熱等，轉速越高不平衡引起的振動越劇烈。由于受到制造工藝、裝配質量、單件質量和零件形狀不對稱等影響，主軸在整體裝配后旋轉時會出現重心偏離主軸中心旋轉的現象即所謂主軸旋轉不平衡。主軸旋轉不平衡會使主軸產生振動并產生噪聲和發熱。

通過對主軸進行動平衡校核能有效的減小主軸、軸承的振動，從而達到降低主軸溫升、提高主軸軸承使用壽命的目的。TK6920落地銑鏜床主軸在動平衡矯正時采用上海SCHENCK臥式動平衡機，方法為剛性軸動平衡法，即在固定轉速下進行動平衡，該方法能夠保證主軸在一定范圍工作轉速下達到平衡。根據ISO 1940對不同類型的轉子動平衡精度等級的規定，精密主軸組件可采用G2.5、G1和G0.4級。本文范例機床TK6920數控落地銑鏜床主軸動平衡精度等級采用G0.4級。此機床的最高轉速為1 800 r/min，根據ISO1940-1973國際標準規定其動平衡等級按照以下公式進行計算：

式中，G是動平衡等級（mm/s）；e是主軸的偏心距（μm）；ω是弧度（rad/s）。

剩余不平衡量U與主軸質量m的關系式為

式中，U是允許不平衡量（g·mm）；m是主軸質量（kg）。

根據公式（3）可得

TK6920數控落地銑鏜床主軸組件相應參數為：總質量為1 600kg、工作最高轉速為1 800 r/min。按照主軸精度標準選用動平衡精度等級G0.4級，根據上述公式可以計算出主軸的允許不平衡量

將188.4（rad/s）代入公式（2），得

e＝0.4×1 000/188.4＝2.12μm

根據公式（4），可得

U＝2.12/1 000×1 600×1 000＝3 392g·mm

圖1 TK6920數控落地銑鏜床主軸動平衡示意圖

由于主軸動平衡需在兩個校核面校核，所以每個校核面的允許不平衡量為3 392/2＝1 696 g·mm。

主軸在進行動平衡矯正時需要在主軸上去除相應質量的材料，由于主軸本身結構限制不能去除材料，因此可以選用增加外置動平衡套的方式進行去料調整。圖1所示為主軸帶動平衡套的主軸結構。其主軸平衡組件由L001墊圈（聯接盤）、L002調整墊圈（動平衡套）、L003調整墊圈（動平衡套）、主軸、銑軸、隔套、齒輪和夾刀機構等組成。

L001墊圈（聯接盤）用于主軸與動平衡機的聯接，L002、L003動平衡套用螺栓將其固定在主軸外徑上，在L002、L003上打孔用于去除不平衡量，這種方法動平衡套由多個螺栓固定主軸上，相當于與主軸是一個整體，不存在離心力過大動平衡塊脫落現象。由于主軸轉速較高，如果采用增加質量的方法實現動平衡，由于離心力的作用增加的平衡塊容易在旋轉的過程脫離，造成動平衡失效，平衡塊如果掉落在主軸軸承或有相對位移的部件上還將引起故障，因此將采取去除材料的方式進行平衡校正。圖1中主軸的不平衡主要由單件的質量分布不均造成，根據機床的主軸加工工藝分析，不平衡量主要是主軸長度過長其內孔在加工過程中前后孔同軸度、撓度超差引起質量分布不均。如果單獨對銑軸和主軸自身做動平衡校核則在后續安裝內部的夾刀機構后將影響裝配后的動平衡效果，因此需要將夾刀機構與主軸各相關的組件全部裝配完成后，再對主軸組件整體進行動平衡校核。

在裝配主軸動平衡組件時應該根據實際裝配情況進行裝配，首先使用螺旋測微器測量軸承的厚度、隔套的厚度，確定銑軸隔套在銑軸軸向位置尺寸，然后用頂絲將隔套固定在銑軸上保證隔套在軸向和徑向的位置固定且不能產生運動，打好字頭做好標記避免動平衡校核后重新裝配銑軸時隔套位置錯誤導致動平衡失效。銑軸上的鎖緊螺母由于自身質量分布不均勻，因此在進行動平衡校核時必須將鎖緊螺母與銑軸把合位置做好固定標記，保證動平衡校核后裝配時的位置與其一致。

總之，主軸動平衡的目的是不僅保證主軸在動平衡機上平衡而且要在主軸工作時同樣保證平衡。因此在設計主軸時，要考慮主軸的材質、結構形式及支撐形式，又要對影響動平衡的原因進行多方面的具體分析找出真正的原因，采取措施分別消除，保證機床主軸在工作時的良好平衡性。

參考文獻：

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[2] 朱維南，祝致寧．主軸動平衡的方法與應用［J］．機械工程師，2004（1）：93-94．