數(shù)控落地銑鏜床主軸箱設(shè)計(jì)

譚廣巍

（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

數(shù)控技術(shù)在落地銑鏜床中的有效應(yīng)用，是促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)向著自動(dòng)化、集成化發(fā)展的主要途徑，其中廣泛應(yīng)用CAD、FMS、CIMS等數(shù)控技術(shù)，能夠全面提高零件加工的精度，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用是現(xiàn)代化零件加工的主要途徑，想要做好數(shù)控落地銑鏜床主軸箱的動(dòng)態(tài)化平衡，就需要通過(guò)合理的控制方式，增加立柱的受力，因此需要做好控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證機(jī)床零部件之間的有效連接。通過(guò)液壓控制原理的有效應(yīng)用，助力數(shù)控落地銑鏜床工作的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還需要工作人員做好PLC硬件選擇和主軸箱有限元模型的建立，做好有限元靜力分析。

1 主軸箱有限元模型的建立

我們?cè)谶M(jìn)行主軸箱有限元模型建立過(guò)程中，可以分為預(yù)處理、網(wǎng)格劃分、邊界條件處理和再處理等四方面，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)保證箱體的導(dǎo)軌處剛度值符合相應(yīng)的加工標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)箱體和箱蓋連接處的局部應(yīng)力值計(jì)算，了解主軸箱的實(shí)際剛度，如果剛度過(guò)小，需要采用螺旋連接的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，為網(wǎng)格劃分和求解奠定良好的基礎(chǔ)。一般情況下，單元網(wǎng)格劃分過(guò)程中，會(huì)通過(guò)八個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)沿著固定的方向進(jìn)行平移，不同單元之間具有一定的彈性和應(yīng)力，通過(guò)蠕變和大應(yīng)變能力將主軸箱劃分為多個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)，邊界條件處理主要是在有限元計(jì)算過(guò)程中的關(guān)鍵性因素，是主軸箱結(jié)果分析不可替代的重要條件。通過(guò)邊界條件處理了解主軸箱的實(shí)際工作狀態(tài)，制定出合理的有限元加載條件，保證箱體的前導(dǎo)軌和立柱前道軌之間處于緊密貼合狀態(tài)，要對(duì)導(dǎo)軌起到一定的約束，主軸箱在實(shí)際工作過(guò)程中具有應(yīng)用情況復(fù)雜、處理困難等特點(diǎn)。因此，需要結(jié)合實(shí)際制定動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析主軸箱在剛度最差時(shí)所處的工作情況，結(jié)合空間力系分析，做好滑枕鏜桿的裝配體和后尾筒裝配，由于主軸箱的箱體較重，因此需要充分了解重力對(duì)剛度的影響，通過(guò)有限元模型的建立分析主軸箱的受力情況。

2 數(shù)控落地銑鏜床主軸箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)床零部件之間的有效連接

在進(jìn)行數(shù)控落地銑鏜床主軸箱的工作設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分了解主軸箱是通過(guò)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)沿著靜壓導(dǎo)軌進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)的，滑枕是通過(guò)絲桿的傳動(dòng)做左右水平運(yùn)動(dòng)的。因此，在實(shí)際工作開(kāi)展過(guò)程中，滑枕的深處，會(huì)受到附件安裝的壓力，從而導(dǎo)致主軸箱的前端可能出現(xiàn)向下傾斜的問(wèn)題，不利于加工精度的提高，甚至?xí)?duì)加工的刀具造成不可挽回的破壞，因此需要采用plc液壓控制技術(shù)的有效應(yīng)用，保障液壓系統(tǒng)流量與壓力在即定的范圍內(nèi)，提高數(shù)控落地銑鏜床主軸箱的平衡性。一般我們會(huì)通過(guò)液壓?jiǎn)蜗蜷y和液壓缸之間的有效連接，保證主軸箱在進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)傳感器檢測(cè)閥芯所處的位置，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的隨時(shí)傳輸，將位置信息反饋到控制器中，通過(guò)指令電壓之間的比較了解實(shí)際運(yùn)行情況，及時(shí)的通過(guò)導(dǎo)閥線(xiàn)圈電流控制閥心的移動(dòng)，根據(jù)電壓的大小值判斷閥芯的位移情況，從而得到機(jī)械工作過(guò)程中所需要的流量，控制好活塞桿地移動(dòng)情況。

2.2 液壓控制的基本原理

當(dāng)主軸箱出現(xiàn)上升狀態(tài)時(shí)，壓力油就會(huì)通過(guò)閥芯進(jìn)入到液壓缸的上腔，從而推動(dòng)活塞桿向下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)主軸箱運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)主軸箱出現(xiàn)向下運(yùn)動(dòng)的情況時(shí)，需要通過(guò)有效的連接保證液控單向閥，通過(guò)左腔回流油箱恢復(fù)主軸箱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.3 超精密滾動(dòng)軸承定位

主軸軸承一般是由單獨(dú)的潤(rùn)滑管進(jìn)行潤(rùn)滑的，將主軸軸承安裝在冷卻套中，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂茝亩行У貙⒅鬏S軸承溫度控制在合理的范圍內(nèi)，通過(guò)配合公差的計(jì)算方式，保證主軸軸承溫度的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)主軸組件之間的平衡性分析，減小主軸組件的不平衡量，從而全面提高主軸和軸承在發(fā)熱狀態(tài)下的產(chǎn)品生產(chǎn)精度，加大主軸軸承的使用壽命。

2.4 主軸箱的傾角補(bǔ)償

在進(jìn)行主軸箱重力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要結(jié)合主軸箱、主軸箱滑座，主軸組件等多種零件之間的重力組成，保證主軸箱的平衡性，一般情況下滑枕伸出時(shí)，主軸箱的系統(tǒng)重力會(huì)發(fā)生變化，主軸箱的整體重心會(huì)向滑枕方向進(jìn)行移動(dòng)。為了保障主軸箱的平衡性，需要保證鋼絲繩的位置處于不變，增加滑枕伸出的扭距，在主軸箱上前方和后下方各設(shè)置平衡性鋼絲繩座，從而固定立柱頂部和底部的定滑輪組，形成滑枕重心，產(chǎn)生與原平移力矩方向相反的力矩，保證主軸箱力矩達(dá)到新的平衡，減少加工誤差。

2.5 自動(dòng)化刀具控制裝置

一般情況下，在鏜軸芯內(nèi)部會(huì)設(shè)置碟簧和液壓進(jìn)行刀具夾緊、放松的控制，保證鏜軸伸出時(shí)，任意刀具位置的夾緊和放松，同時(shí)還可以通過(guò)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)對(duì)刀具的夾緊和放松情況進(jìn)行反饋，在活塞中心前錐孔處設(shè)置主軸刀具清潔進(jìn)氣孔，在清潔的過(guò)程中，保證刀具隨時(shí)松開(kāi)和夾緊。

3 數(shù)控落地銑鏜床主軸箱設(shè)計(jì)分析

3.1 靜力分析

這一分析模式需要通過(guò)有限元軟件設(shè)計(jì)模型的建立，保障主軸箱體在受載之后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，根據(jù)主軸箱應(yīng)力值推斷出主軸箱與滑枕接觸面運(yùn)行情況，判斷主軸箱的實(shí)際強(qiáng)度，如果沒(méi)有滿(mǎn)足相應(yīng)的強(qiáng)度要求，說(shuō)明所選擇的材料所具有的破壞能力還有待開(kāi)發(fā)。當(dāng)前我國(guó)在進(jìn)行數(shù)控銑鏜床主軸箱設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)流程過(guò)于保守，相關(guān)工作人員還需要結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，更好地減輕主軸箱的承載重量，通過(guò)對(duì)主軸箱設(shè)計(jì)后的變形等值線(xiàn)圖分析，了解滑枕與主軸箱接觸的端面結(jié)構(gòu)變形情況，希望能夠更好的滿(mǎn)足在當(dāng)下主軸箱的承載條件，提高銑鏜床主軸箱所具有的加工精度。結(jié)構(gòu)靜力分析的主要作用是計(jì)算在固定不變的荷載下，如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的響應(yīng)，主軸箱的改進(jìn)需要以增強(qiáng)剛度為主要目的，因此需要改進(jìn)后箱體結(jié)構(gòu)接近封閉的剛體，了解改進(jìn)前后主軸箱有限元模型的不同之處，適當(dāng)?shù)脑黾勇菟A(yù)緊力，對(duì)當(dāng)前有限元模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行求解。

3.2 模型狀態(tài)分析

通過(guò)有限元軟件的有效應(yīng)用，能夠?qū)χ鬏S箱的模型狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的分析，計(jì)算出整體結(jié)構(gòu)所具有的振動(dòng)特性，通過(guò)震動(dòng)頻率和震動(dòng)類(lèi)型的分析，了解模型的多階模態(tài)，一般情況下，我們會(huì)通過(guò)數(shù)學(xué)向量進(jìn)行遞歸計(jì)算，這種計(jì)算方式被廣泛應(yīng)用到模型形狀的實(shí)體和單元情況分析的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)有限元模型施加約束力。考慮主軸箱重力的影響情況，通過(guò)不同階段頻率和振型結(jié)果的分析，了解該設(shè)計(jì)條件是否滿(mǎn)足低速加工的設(shè)計(jì)需求，如果得出結(jié)論與主軸箱的動(dòng)態(tài)特性不符，就需要適當(dāng)?shù)膬?yōu)化主軸箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，全面提高主軸箱整體的剛性和硬度。

3.3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

在進(jìn)行主軸零部件的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要指的是設(shè)計(jì)并修改現(xiàn)有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合預(yù)先給出的動(dòng)態(tài)特性，滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)特性的基本要求，傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案只能簡(jiǎn)單的解決設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和自由度的系統(tǒng)問(wèn)題，對(duì)一些復(fù)雜的系統(tǒng)運(yùn)行情況得不到改善。因此我們需要結(jié)合靈敏度分析以及動(dòng)力修改的方式，對(duì)當(dāng)前主軸箱設(shè)計(jì)所蘊(yùn)含的敏感性參數(shù)進(jìn)行修改和試探，使其符合設(shè)計(jì)需求，主軸箱零部件動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)需要以有限元?jiǎng)討B(tài)學(xué)模型的建立為基礎(chǔ)，結(jié)合動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析，主軸部件有限元模型的建立，能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟，將主軸箱對(duì)主軸所具有的彈性，轉(zhuǎn)化為軸承的剛度進(jìn)行充分的考量。我們?cè)谶M(jìn)行數(shù)控銑鏜床主軸箱設(shè)計(jì)和改進(jìn)的過(guò)程中，不能將主軸箱作為主軸部件，有限元模型的構(gòu)成要以計(jì)算振型作為重點(diǎn)對(duì)象，結(jié)合計(jì)算分析得出設(shè)計(jì)結(jié)果，通過(guò)對(duì)主軸部件的固有頻率計(jì)算，了解動(dòng)態(tài)模型的動(dòng)力響應(yīng)情況，從而仔細(xì)的研究系統(tǒng)各界的分布模態(tài)。

4 總結(jié)

機(jī)床在實(shí)際工作開(kāi)展的過(guò)程中，需要保證主軸箱的平衡補(bǔ)償，全面提供零件加工的精度，改善立柱的受力，還需要在控制系統(tǒng)建立的過(guò)程中，合理的應(yīng)用液壓控制對(duì)主軸箱進(jìn)行平衡補(bǔ)償。同時(shí)還需要明確PLC控制系統(tǒng)的有效應(yīng)用，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)其與上位機(jī)之間的有效連接，從而更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程生產(chǎn)控制，從根本上滿(mǎn)足工藝發(fā)展要求，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件的有效建立，讓工作人員通過(guò)對(duì)主軸箱立體模型的觀察，了解主軸箱的應(yīng)力和變形環(huán)境，通過(guò)適當(dāng)?shù)母纳茥l件，增強(qiáng)主軸箱剛度，優(yōu)化主軸箱結(jié)構(gòu)。