龍門機床滑枕部件關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

王元倫，楊樹生，崔崗衛(wèi)，符世忠

(沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203)

0 前言

數(shù)控機床是裝備制造行業(yè)里的母機，龍門機床作為機床產(chǎn)品中的一大分類，尤其在航天航空、船舶、工程機械、軍工等行業(yè)中均承擔(dān)著重要的加工角色。針對零件的加工需求形成不同類型的結(jié)構(gòu)，如定梁動柱、動梁動柱、定梁定柱等。隨著用戶加工對機床加工自動化性能的要求不斷提高和數(shù)控機床技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足市場需求，需提升龍門機床的應(yīng)用功能。常見可在機床上配置A擺頭、AC擺頭以實現(xiàn)機床四軸、五軸聯(lián)動加工；部分設(shè)備可在龍門機床工作頭上配置材料噴涂設(shè)備，結(jié)合機床運動軸實現(xiàn)不同材料的增材加工等。然而實現(xiàn)龍門機床核心功能的滑枕部件，應(yīng)用需求對其各項性能指標如：最大扭矩輸出時的剛性，最高轉(zhuǎn)速輸出時的穩(wěn)定性(溫升、振動)以及長期使用的穩(wěn)定性及精度和精度保持性的要求也變得越來越高。針對目前市場需求，結(jié)合公司技術(shù)現(xiàn)狀和前期生產(chǎn)過程中存在問題，本文作者介紹一款應(yīng)用于公司主流機床產(chǎn)品上的滑枕部件結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)使用要求，確定滑枕主軸最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最大扭矩1 920 N·m，最大功率為31 kW。并在使用過程中對機床的熱穩(wěn)定性與動平衡問題進行跟蹤分析，優(yōu)化處理后得到一款能滿足公司龍門產(chǎn)品需求的高性能主要部件。

1 滑枕部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

滑枕部件主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 滑枕部件主體結(jié)構(gòu)

為了確保滑枕具有較大的剛性和傳動精度，選用滑動導(dǎo)向機構(gòu)安裝在滑枕座內(nèi)，通過滑枕四周包圍接觸的壓緊導(dǎo)向機構(gòu)進行導(dǎo)向。滑枕與滑枕座接口處設(shè)置有刮屑防塵的刮屑板，包裹住滑枕；滑枕座結(jié)合面刻有潤滑油槽，為滑枕移動提供良好的潤滑。滑枕作為傳動與移動部件，設(shè)計過程中進行拓撲優(yōu)化，在保證滑枕自身的剛性同時進行了輕量化設(shè)計。滑枕前端配置有連接板，連接板主要作用為設(shè)置不同的接口尺寸，通過相關(guān)的連接機構(gòu)連接不同的附件頭，如垂直頭、萬能頭、立臥頭、A擺頭、AC擺頭等，通過附件頭的使用可以大大提高機床的加工性能。為提高此機床自動化程度，連接板上設(shè)置有自動拉頭機構(gòu)，可實現(xiàn)不同附件頭的自動更換功能。滑枕后端安裝有主變速箱，主變速箱為自主設(shè)計制造的齒輪箱，通過合理配置齒輪箱體齒輪，以滿足滑枕內(nèi)部主軸的輸出扭矩、功率和轉(zhuǎn)速需求，主變速箱外部設(shè)計有防護性能優(yōu)異、造型美觀的減速機護罩。

1.1 主變速箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主變速箱體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主變速箱體后部通過電機連接座連接主電機。主電機選用Siemens公司生產(chǎn)的1PH8型，功率為31 kW。同時，通過修改電機連接座的接口尺寸，以匹配FANUC系統(tǒng)類似功率扭矩的主電機。電機連接座內(nèi)腔中安裝有聯(lián)軸器，將主電機與內(nèi)部齒輪系統(tǒng)連接在一起。主變速箱體兩側(cè)安裝有平衡油缸聯(lián)接座，平衡油缸安裝于滑枕座上，采用蓄能器+平衡油缸方式，通過液壓能平衡滑枕機構(gòu)的重力。主變速箱體有旋轉(zhuǎn)編碼器對主軸轉(zhuǎn)速、主軸位置及準停進行檢測控制。減速后的轉(zhuǎn)速和功率、扭矩通過箱體傳動軸傳遞至滑枕內(nèi)部主軸系統(tǒng)，為主軸提供旋轉(zhuǎn)和切削工作所需的功率和扭矩。后端的松拉刀機構(gòu)則通過碟簧夾緊、液壓松刀油缸內(nèi)的油壓推動活塞進一步壓縮碟簧，從而實現(xiàn)刀具的夾緊及松開狀態(tài)。傳動軸和活塞均為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝有空心拉刀桿機構(gòu)，拉刀桿內(nèi)部則通過后端的旋轉(zhuǎn)接頭為主軸刀具提供內(nèi)冷及吹氣清潔功能。

圖2 主變速箱體結(jié)構(gòu)

1.2 主變速箱體內(nèi)部齒輪機構(gòu)設(shè)計

主變速箱體內(nèi)部設(shè)置3個傳動軸，傳動軸上布置有液壓式滑移齒輪換擋機構(gòu)。齒輪設(shè)計時遵循一般有級變速箱體設(shè)計原則，選用合適的公比。取變速箱的公比等于電機的恒功率調(diào)速范圍，即=。機床主軸的恒功率變速范圍為：=-1=，變速箱的變速級數(shù)：=lg/lg。通過反復(fù)試算，合理配置齒輪。各齒輪軸及齒輪安裝軸通過支撐軸承固定在主變速箱體上，結(jié)構(gòu)如圖3所示。換擋機構(gòu)由活塞、撥叉、滑移齒輪、油缸組成。油缸固定于變速箱體上，油缸活塞前后分別設(shè)置兩個油口。活塞通過撥叉與換擋齒輪連接，換擋通過油缸活塞前后油口進油回油、拖動滑移齒輪前后移動實現(xiàn)。

圖3 主變速箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

滑枕內(nèi)部安裝有主軸系統(tǒng)，主軸系統(tǒng)配置有冷卻套，冷卻套安裝于滑枕內(nèi)孔，冷卻套上設(shè)置有環(huán)形循環(huán)油槽，通過油溫冷卻機提供恒溫冷卻油對主軸軸承進行冷卻。選擇參考雷博樣本推薦機床冷卻設(shè)備方法進行油溫冷選型計算。油溫冷卻機冷卻能力根據(jù)機床主軸及齒輪箱選型方法計算：

=×

式中：為主電機功率，31 kW；為電機損失，機械主軸按8%～12%計算。按較大值計算，得=31×12=372 kW。

根據(jù)液壓站選型方法，按機床液壓需求，設(shè)計液壓站主液壓泵功率為5.5 kW，主軸箱潤滑泵功率為0.75 kW，=×，在中低壓力時按30%～50%計算，得=(55+075)×50=3.13 kW。油溫冷卻機的冷卻能力為5 000 W，大于系統(tǒng)的發(fā)熱量。合理選擇油溫冷卻機型號及溫度設(shè)置，可以控制機床在運行過程中產(chǎn)生的熱量。冷卻套孔內(nèi)安裝高精密主軸軸承，軸承選用前三后二的布局形式，前端三列軸承通過自制的鎖緊螺母固定鎖緊在主軸相應(yīng)位置，后端兩列通過進口精密鎖緊螺母固定于主軸后端相應(yīng)位置。主軸尾端安裝有輔助支撐軸承，以提高主軸后端的支撐剛性。軸承在運行過程中產(chǎn)生的熱量通過恒溫冷卻油進行冷卻。主軸內(nèi)部安裝拉刀機構(gòu)，通過多次試驗后，選擇性能可靠的自制成組拉爪。該拉爪后端有圓弧槽，槽內(nèi)安裝有箍緊彈簧，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，在使用過程中拉爪位置不會發(fā)生變化(這也保證主軸在運轉(zhuǎn)過程中的質(zhì)量平衡，從而提高主軸的動平衡性能)，拉刀精度高、穩(wěn)定性好、性能優(yōu)良。拉爪機構(gòu)安裝于拉刀桿前端，通過螺紋連接。拉刀桿上安裝碟形彈簧，通過設(shè)計選型后，為主軸刀具拉緊及松開提供合理的碟簧變形量。滑枕前端主軸布局結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滑枕前端主軸布局結(jié)構(gòu)

由于滑枕長度較長，考慮旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)精度的同時，兼顧滑枕的加工工藝性能，滑枕內(nèi)部傳動軸系選用分段式組裝結(jié)構(gòu)，主軸和傳動軸連接設(shè)計為花鍵軸，兩段軸通過花鍵套進行連接，安裝到位后配裝錐端緊定螺釘，防止長期運轉(zhuǎn)后松動。整個軸系較長，拉刀桿選用分段式結(jié)構(gòu)，為保障拉刀機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量均勻，在拉刀桿上配置有支撐環(huán)，防止支撐環(huán)在拉刀桿上軸向移動，在支撐環(huán)兩側(cè)安裝軸用彈性卡箍進行定位。連接結(jié)構(gòu)詳見圖5。

圖5 主軸與傳動軸連接結(jié)構(gòu)

如圖5所示，主軸尾端支撐軸承及傳動軸上的支撐軸承外安裝冷卻套。冷卻套上設(shè)置有螺旋冷卻油槽，各冷卻油槽通過油管連接，串聯(lián)接入冷卻油，通過螺旋槽后由油管引回油溫冷卻機，組成冷卻回路。

1.4 傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳動軸后端與主變速箱連接，前端與主軸連接，安裝于滑枕內(nèi)部。傳動軸上設(shè)置有3處軸承支撐，每處軸承均選用兩列角接觸球軸承按照背對背形式安裝。傳動軸結(jié)構(gòu)如圖6所示，其各軸承冷卻結(jié)構(gòu)如圖6下部視圖所示，各冷卻套通油結(jié)構(gòu)如圖6所示。傳動軸上軸承外圈通過安裝在軸承座上的端蓋壓緊，精密鎖緊螺母將軸承內(nèi)圈并緊在傳動軸上。其安裝方式參照軸承樣本上背對背安裝方式進行調(diào)整，符合軸承在運行過程中的工況要求。各組支撐軸承安裝于滑枕內(nèi)相應(yīng)安裝孔中，為了便于安裝，滑枕相應(yīng)的位置應(yīng)設(shè)置安裝窗口，在安裝完成后用蓋板將窗口蓋好。

圖6 滑枕內(nèi)傳動軸機構(gòu)

1.5 附件頭拉頭機構(gòu)設(shè)計

附件頭作為機床功能擴展的主要實現(xiàn)裝置，大大擴展了機床的加工性能。尤其是在龍門機床上，附件頭的使用更加廣泛，但由于附件頭質(zhì)量較大，手動更換過程中附件頭定位與固定工作極其繁重。為了提升機床的自動化程度，減少在加工過程中附件頭更換時間的占比，實現(xiàn)機床各種附件頭的自動更換更加重要。為了滿足這一要求，該龍門機床滑枕前端設(shè)有自動拉頭機構(gòu)。當(dāng)有更換需求時，機床滑枕運行到附件頭自動更換位置后(附件頭的連接尺寸要求與連接板尺寸相對應(yīng))，附件拉頭機構(gòu)液壓缸進油，推動活塞與拉頭桿前移，拉爪處于松開狀態(tài)。滑枕運動至更換位置，電氣控制感應(yīng)開關(guān)接收到位置到位信號后，控制系統(tǒng)給出信號，液壓換向閥工作，附件拉頭機構(gòu)液壓缸回油，在碟簧的彈力作用下拉爪和附件頭上的拉釘拉緊，實現(xiàn)附件頭自動拉緊。結(jié)構(gòu)如圖7所示，在滑枕端面連接板上設(shè)置4個拉緊機構(gòu)，均布于連接板的4個90°位置，拉頭性能穩(wěn)定，拉力均勻可靠。

圖7 附件頭拉頭機構(gòu)

2 滑枕軸系動平衡優(yōu)化

振動主要源于軸系的動不平衡量，尤其是長軸系傳動機構(gòu)(長軸拼接構(gòu)成軸系，由于不是整體加工，質(zhì)量平衡更不易通過加工保證)。根據(jù)公司生產(chǎn)經(jīng)驗及機械振動與沖擊國標標準譯文集中所述對機床類設(shè)備動平衡要求，設(shè)定動平衡等級為G2.5，以質(zhì)量為30 kg的平衡值要求為例：=30 kg×3.15 μm=94.5 g/mm，軸系旋轉(zhuǎn)半徑為200 mm，此處不平衡質(zhì)量為：=94.5/200=0.472 5 g。計算的結(jié)果不平衡質(zhì)量確定后，依次計算其余軸系的不平衡質(zhì)量要求并做動平衡修正。

在SCHENCK動平衡試驗機上進行動平衡檢測，據(jù)此對主變速箱體內(nèi)齒輪軸系、滑移齒輪軸系、輸出軸及安裝于軸上的齒輪軸系、傳動軸、主軸軸系(內(nèi)裝拉刀桿部件)軸系進行動平衡修正。動平衡檢測如圖8所示。

圖8 SCHENCK設(shè)備上作動平衡

部件動平衡修正結(jié)束后，進行整套滑枕機構(gòu)組裝。由于各部件裝配后動不平衡質(zhì)量可能存在累積疊加或抵消的情況，很多時候整個軸系相比未修正狀態(tài)好些，但仍不能滿足整個傳動軸系(尤其是較長軸系)的動平衡要求，此時便需要在整機裝配后，在主軸試車過程中再次進行檢測、修正。整機動平衡使用SKF Microlog MX series便攜式狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品，利用其進行狀態(tài)評估和噪聲、振動根源的分析和診斷，分析滑枕部組在運行過程中的振動源。與此同時，在設(shè)計初期便在主軸端面、主軸與傳動軸連接套位置、傳動軸后端設(shè)置有動不平衡量調(diào)整結(jié)構(gòu)，通過在相應(yīng)位置進行材料去除或添加，以確保整個長軸系的動平衡狀態(tài)達到設(shè)計和使用要求。整個滑枕內(nèi)主軸軸系動平衡檢測評估如圖9所示。值得一提的是，為了確保動平衡修正結(jié)束后滑枕內(nèi)整套軸系具有穩(wěn)定可靠的裝配穩(wěn)定性和相對位置的準確性，在連接零件的連接處設(shè)置有專用的凹槽對合，可以在槽內(nèi)灌入一定量的高精度定位膠，灌膠可保證配合的零間隙性和可拆卸性。

圖9 整機狀態(tài)下的主軸動平衡修正

在整機狀態(tài)下動平衡檢測修正結(jié)束后，滑枕內(nèi)的主軸軸系結(jié)構(gòu)便可穩(wěn)定可靠地運轉(zhuǎn)。但為了確保機床在后期長時間使用時具有更好的穩(wěn)定性和精度保持性，需對滑枕機構(gòu)的熱伸長特性進行檢測。

3 滑枕熱變形測試與補償

在主軸運行過程中，主軸熱源主要來源于主軸軸承運行發(fā)熱、刀具切削過程中產(chǎn)生的切削熱等。熱源問題比較復(fù)雜，雖然在滑枕設(shè)計過程中考慮了主軸軸承恒溫油冷卻，主軸端面設(shè)置有刀具外冷、中心出水內(nèi)冷等完善的冷卻系統(tǒng)，但機床在運行過程中，由于環(huán)境因素等，還是無法保證機床始終處于高精度加工狀態(tài)。這樣便需要進一步對滑枕系統(tǒng)的熱特性進行檢測，摸索出相應(yīng)的溫升與伸長的規(guī)律后，對熱伸長量進行相應(yīng)的補償，以保證滑枕在發(fā)熱伸長后機床刀具空間位置的相對位置穩(wěn)定。

針對龍門機床滑枕的結(jié)構(gòu)特點，熱穩(wěn)定性試驗時，對機床滑枕、、三向的熱漂移和各監(jiān)測點的溫度進行檢測。滑枕熱伸長試驗及數(shù)據(jù)采集如圖10所示。

圖10 滑枕熱伸長試驗及數(shù)據(jù)采集

對每段溫升對應(yīng)的滑枕熱伸長數(shù)值進行分析，針對滑枕容易伸長方向(向)的伸長值，通過數(shù)控系統(tǒng)對機床的相應(yīng)移動軸進行反向補償，最終可得到加工精度滿足用戶使用要求的龍門機床。

4 結(jié)語

該滑枕機構(gòu)主要包括滑枕、滑枕端面連接板、主變速箱機構(gòu)、滑枕內(nèi)部主軸軸系、拉刀機構(gòu)、附件頭拉頭機構(gòu)、傳動軸等，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分析評估完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。在裝配過程中嚴格認真做好轉(zhuǎn)動部件的動平衡，裝配結(jié)束后對整機狀態(tài)動平衡修正、滑枕熱伸長量進行測量調(diào)整，成功解決了滑枕機構(gòu)的傳動剛性、使用壽命和熱穩(wěn)定性的問題。通過上述方法與措施，成功研制出滿足使用要求的優(yōu)質(zhì)滑枕機構(gòu)。目前該滑枕已成功應(yīng)用于公司生產(chǎn)的XK24系列龍門機床上，并以其優(yōu)良的加工剛性和穩(wěn)定性受到用戶的認可和高度評價，同時為類似的機床滑枕設(shè)計提供了參考。