五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)研究

佟琨 金輝 李樹鵬 田恬

摘 要：五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)，包括油液輸送裝置、主軸箱、油液回收裝置及液位電氣控制程序單元，其特征在于油液輸送裝置設置液位報警及流量監(jiān)測電氣部件并與液位電氣控制單元連通；主軸箱下部為連通的四腔結構，兩處出油口分別位于主軸箱前端對角位置；油液回收裝置采用雙聯(lián)齒輪泵，泵抽油口與主軸箱對角位置的出油口通過油管連接，油箱容積的控制量是主軸箱內腔最大動態(tài)油液容積與管路容積之和，輸入液位電氣控制程序單元，由液位開關執(zhí)行自動控制，保持擺動中主軸箱內油液高度低于主軸連接處高度，防止油液進入主軸。油液回收好，機械主軸轉速提高至4 000 rpm，顯著提高了機床效率。

關鍵詞：五軸加工中心；主軸箱；液位控制系統(tǒng)

中圖分類號：TG502 文獻標志碼：A

1 五軸加工中心介紹

五軸加工中心可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，完成各種復雜平面、曲面零件的加工。主軸箱采用主軸齒輪變速。主軸箱中的傳動齒輪均為斜齒輪。齒輪精度為5級。承載力大、噪聲低、運動平穩(wěn)。使主軸能達到4 000 rpm轉速，為了高效冷卻、潤滑主軸箱內齒輪，并對主軸傳動系統(tǒng)采用恒溫油冷機控制。保證其可靠潤滑及箱體恒溫，確保主軸傳動系統(tǒng)恒溫，精度穩(wěn)定。加工過程中，AB軸不斷變化，擺動范圍大，主軸箱內液位隨AB軸擺動不斷變化。所述液位是指潤滑冷卻油進入主軸箱內，在動態(tài)下因回油口角度不能完全流出而積累出液位高度。理想狀態(tài)是主軸箱內的潤滑油貼壁流動，不存在積存。如果不能有效控制主軸箱內的液位高度，造成主軸箱內油液積蓄過多，會影響主軸箱內冷卻效果，提高主軸箱內溫度，影響機床轉速；如果回油不暢引起主軸箱內液位高度高于主軸連接處，導致油液進入主軸內部，破壞主軸軸承潤滑，會影響主軸軸承性能及壽命，最終導致機床無法正常工作。為防止主軸連接處進油，此處設置吹氣結構形成氣密封，如圖1所示，當主軸高速旋轉時，氣流和飛濺的油液會在主軸箱內呈現(xiàn)氣霧狀態(tài)，不能用開觀察窗、液位感應計等監(jiān)視方式。

目前五軸加工中心主軸箱內液位控制主要存在2種形式：增設溢流孔結構和采用不帶油箱油冷機形式。盡管采用不帶油箱油冷機形式的液位控制系統(tǒng)可以控制主軸箱內油液高度，但是影響主軸箱內冷卻效果、限制主軸轉速。因為機床加工過程中主軸箱隨AB軸大范圍擺動，機床AB軸擺角的行程限制了溢流口高度。另外，機床主軸高速旋轉時，箱內油液混合霧由溢流孔溢出造成環(huán)境污染及對加工零件的破壞。因此，主軸箱開溢流孔不可取。

2 五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)介紹

五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)，主要是解決五軸加工中心由于AB軸擺動導致液位不穩(wěn)定導致主軸被淹的問題。其特點為：

（1）采用帶有液位報警和流量監(jiān)測的油冷機作為油液輸送裝置，控制主軸箱內液壓油量，監(jiān)測油冷機與回收泵的工作狀態(tài)；

（2）主軸箱前端內腔采用各腔室相通的結構，油液回收孔分別位于主軸箱對角位置，主軸箱隨AB軸擺動過程中，箱內油液多點回收；

（3）主軸軸承采用油脂潤滑的機械主軸，轉速提高至4 000 rpm，顯著提高了機床效率。

3 結合具體實例分析五軸加工中心主軸箱的液位控制系統(tǒng)

液位控制系統(tǒng)采用帶有液位報警和流量監(jiān)測的油冷機作為油液輸送裝置，還包括主軸箱、油液回收裝置及液位電氣控制程序單元，其特征在于在油冷機上增加液位開關和流量開關，液位開關安裝在油冷機箱壁上，根據油冷機出油管上的流量開關反饋給液位電氣控制程序單元而執(zhí)行油箱容積控制的啟停指令。油箱容積的控制量是由主軸箱、內腔最大動態(tài)油液容積和管路容積相加求得。因為主軸箱隨擺頭不斷擺動，一定容積的油液在不同時刻、不同角度時距離主軸連接處的相對高度不斷變化，所以設定內腔最大油液容積處于動態(tài)中油液面距離主軸連接處的安全高度時，為主軸箱擺動過程中的最大油液容積。將這油箱最大動態(tài)油液容積控制量輸入液位電氣控制程序單元，由液位開關執(zhí)行自動控制，保持擺動中主軸箱內油液高度低于主軸連接處高度，防止油液進入主軸。

油冷機出油口與主軸套進油口通過管路連接，主軸箱與主軸套外側形成封閉通道對主軸套進行冷卻。主軸套出油口與主軸箱頂端分油器通過管路連接，油液經分油器對主軸箱上端各齒輪和軸承進行潤滑及冷卻。

主軸箱下端采用均布的四腔連通結構，在通孔軸向剖開，主軸箱下端有縱隔分出左、右兩腔，右前腔、左前腔底部打孔成前腔通道使前兩腔連通，再由拱形左支撐筋和右支撐筋分隔出前、后腔。主軸箱下部兩處出油口，后腔出油口、前腔出油口分別位于主軸箱下部對角位置；主軸箱各腔內油液在任意時刻處于流通狀態(tài)，保證主軸箱隨AB擺頭擺動過程中箱內液位處于最低點，油液能及時回收。主軸套出油口與主軸箱頂端分油器通過管路連接，油液經分油器對主軸箱上端各齒輪和軸承進行潤滑及冷卻。雙聯(lián)齒輪回收泵固定在主軸箱前端，雙聯(lián)齒輪泵后腔抽油口、前腔抽油口分別與主軸箱后腔出油口、前腔出油口雙管路連接，雙聯(lián)齒輪泵前腔回油口、后腔回油口分別與油冷機后腔回油口、前腔回油口雙管路連接。液位電氣控制程序單元對雙聯(lián)齒輪泵、液位開關和流量開關以及所有油管路上的流量計、傳感器實施作業(yè)編程，并入五軸加工中心控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)中各設備狀態(tài)信號的反饋并執(zhí)行加工中心控制指令，控制主軸箱內的液位在機床運行過程中處于安全高度。五軸加工中心啟動時，雙聯(lián)齒輪泵工作，通過雙聯(lián)齒輪泵后腔回油口與前腔回油口、油冷機后腔回油口與前腔回油口雙管路形成的雙通道回收主軸箱內積存的油液，油冷機啟動時間調整在10s～20s后工作；通過液位開關和流量開關判斷雙聯(lián)齒輪泵和油冷機的工作狀態(tài)，如果流量開關反饋正常，液位開關報警可判斷雙聯(lián)齒輪泵故障，如果流量開關報警，則油冷機故障。若液位開關報警，液位控制系統(tǒng)通過自控設計實現(xiàn)機床的自動停車，防止主軸被淹。氣密封關閉和手動急停是用于防止油霧進入主軸的，手動急停是機床停機。

參考文獻

[1]孟少安.機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[2]王先奎.機械制造工藝學（第二版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.