龍門機床滑枕部件關鍵技術研究及應用

王元倫，楊樹生，崔崗衛，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

數控機床是裝備制造行業里的母機，龍門機床作為機床產品中的一大分類，尤其在航天航空、船舶、工程機械、軍工等行業中均承擔著重要的加工角色。針對零件的加工需求形成不同類型的結構，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控機床技術的不斷發展，為滿足市場需求，需提升龍門機床的應用功能。常見可在機床上配置A擺頭、AC擺頭以實現機床四軸、五軸聯動加工；部分設備可在龍門機床工作頭上配置材料噴涂設備，結合機床運動軸實現不同材料的增材加工等。然而實現龍門機床核心功能的滑枕部件，應用需求對其各項性能指標如：最大扭矩輸出時的剛性，最高轉速輸出時的穩定性(溫升、振動)以及長期使用的穩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，結合公司技術現狀和前期生產過程中存在問題，本文作者介紹一款應用于公司主流機床產品上的滑枕部件結構設計。根據使用要求，確定滑枕主軸最高轉速為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定性與動平衡問題進行跟蹤分析，優化處理后得到一款能滿足公司龍門產品需求的高性能主要部件。

1 滑枕部件的結構設計

滑枕部件主體結構如圖1所示。

圖1 滑枕部件主體結構

為了確保滑枕具有較大的剛性和傳動精度，選用滑動導向機構安裝在滑枕座內，通過滑枕四周包圍接觸的壓緊導向機構進行導向。滑枕與滑枕座接口處設置有刮屑防塵的刮屑板，包裹住滑枕；滑枕座結合面刻有潤滑油槽，為滑枕移動提供良好的潤滑。滑枕作為傳動與移動部件，設計過程中進行拓撲優化，在保證滑枕自身的剛性同時進行了輕量化設計。滑枕前端配置有連接板，連接板主要作用為設置不同的接口尺寸，通過相關的連接機構連接不同的附件頭，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，連接板上設置有自動拉頭機構，可實現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，以滿足滑枕內部主軸的輸出扭矩、功率和轉速需求，主變速箱外部設計有防護性能優異、造型美觀的減速機護罩。

1.1 主變速箱體結構設計

主變速箱體結構如圖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系統類似功率扭矩的主電機。電機連接座內腔中安裝有聯軸器，將主電機與內部齒輪系統連接在一起。主變速箱體兩側安裝有平衡油缸聯接座，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的重力。主變速箱體有旋轉編碼器對主軸轉速、主軸位置及準停進行檢測控制。減速后的轉速和功率、扭矩通過箱體傳動軸傳遞至滑枕內部主軸系統，為主軸提供旋轉和切削工作所需的功率和扭矩。后端的松拉刀機構則通過碟簧夾緊、液壓松刀油缸內的油壓推動活塞進一步壓縮碟簧，從而實現刀具的夾緊及松開狀態。傳動軸和活塞均為中空結構，內部安裝有空心拉刀桿機構，拉刀桿內部則通過后端的旋轉接頭為主軸刀具提供內冷及吹氣清潔功能。

圖2 主變速箱體結構

1.2 主變速箱體內部齒輪機構設計

主變速箱體內部設置3個傳動軸，傳動軸上布置有液壓式滑移齒輪換擋機構。齒輪設計時遵循一般有級變速箱體設計原則，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：=lg/lg。通過反復試算，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，結構如圖3所示。換擋機構由活塞、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。

圖3 主變速箱體內部結構

1.3 主軸結構設計

滑枕內部安裝有主軸系統，主軸系統配置有冷卻套，冷卻套安裝于滑枕內孔，冷卻套上設置有環形循環油槽，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備方法進行油溫冷選型計算。油溫冷卻機冷卻能力根據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。

根據液壓站選型方法，按機床液壓需求，設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，大于系統的發熱量。合理選擇油溫冷卻機型號及溫度設置，可以控制機床在運行過程中產生的熱量。冷卻套孔內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生的熱量通過恒溫冷卻油進行冷卻。主軸內部安裝拉刀機構，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，槽內安裝有箍緊彈簧，結構設計合理，在使用過程中拉爪位置不會發生變化(這也保證主軸在運轉過程中的質量平衡，從而提高主軸的動平衡性能)，拉刀精度高、穩定性好、性能優良。拉爪機構安裝于拉刀桿前端，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構如圖4所示。

圖4 滑枕前端主軸布局結構

由于滑枕長度較長，考慮旋轉軸旋轉精度的同時，兼顧滑枕的加工工藝性能，滑枕內部傳動軸系選用分段式組裝結構，主軸和傳動軸連接設計為花鍵軸，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，防止長期運轉后松動。整個軸系較長，拉刀桿選用分段式結構，為保障拉刀機構的旋轉質量均勻，在拉刀桿上配置有支撐環，防止支撐環在拉刀桿上軸向移動，在支撐環兩側安裝軸用彈性卡箍進行定位。連接結構詳見圖5。

圖5 主軸與傳動軸連接結構

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。冷卻套上設置有螺旋冷卻油槽，各冷卻油槽通過油管連接，串聯接入冷卻油，通過螺旋槽后由油管引回油溫冷卻機，組成冷卻回路。

1.4 傳動軸結構設計

傳動軸后端與主變速箱連接，前端與主軸連接，安裝于滑枕內部。傳動軸上設置有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。傳動軸結構如圖6所示，其各軸承冷卻結構如圖6下部視圖所示，各冷卻套通油結構如圖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相應安裝孔中，為了便于安裝，滑枕相應的位置應設置安裝窗口，在安裝完成后用蓋板將窗口蓋好。

圖6 滑枕內傳動軸機構

1.5 附件頭拉頭機構設計

附件頭作為機床功能擴展的主要實現裝置，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有自動拉頭機構。當有更換需求時，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)，附件拉頭機構液壓缸進油，推動活塞與拉頭桿前移，拉爪處于松開狀態。滑枕運動至更換位置，電氣控制感應開關接收到位置到位信號后，控制系統給出信號，液壓換向閥工作，附件拉頭機構液壓缸回油，在碟簧的彈力作用下拉爪和附件頭上的拉釘拉緊，實現附件頭自動拉緊。結構如圖7所示，在滑枕端面連接板上設置4個拉緊機構，均布于連接板的4個90°位置，拉頭性能穩定，拉力均勻可靠。

圖7 附件頭拉頭機構

2 滑枕軸系動平衡優化

振動主要源于軸系的動不平衡量，尤其是長軸系傳動機構(長軸拼接構成軸系，由于不是整體加工，質量平衡更不易通過加工保證)。根據公司生產經驗及機械振動與沖擊國標標準譯文集中所述對機床類設備動平衡要求，設定動平衡等級為G2.5，以質量為30 kg的平衡值要求為例：=30 kg×3.15 μm=94.5 g/mm，軸系旋轉半徑為200 mm，此處不平衡質量為：=94.5/200=0.472 5 g。計算的結果不平衡質量確定后，依次計算其余軸系的不平衡質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，據此對主變速箱體內齒輪軸系、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設備上作動平衡

部件動平衡修正結束后，進行整套滑枕機構組裝。由于各部件裝配后動不平衡質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便攜式狀態監測產品，利用其進行狀態評估和噪聲、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、傳動軸后端設置有動不平衡量調整結構，通過在相應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達到設計和使用要求。整個滑枕內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束后滑枕內整套軸系具有穩定可靠的裝配穩定性和相對位置的準確性，在連接零件的連接處設置有專用的凹槽對合，可以在槽內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 整機狀態下的主軸動平衡修正

在整機狀態下動平衡檢測修正結束后，滑枕內的主軸軸系結構便可穩定可靠地運轉。但為了確保機床在后期長時間使用時具有更好的穩定性和精度保持性，需對滑枕機構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熱、刀具切削過程中產生的切削熱等。熱源問題比較復雜，雖然在滑枕設計過程中考慮了主軸軸承恒溫油冷卻，主軸端面設置有刀具外冷、中心出水內冷等完善的冷卻系統，但機床在運行過程中，由于環境因素等，還是無法保證機床始終處于高精度加工狀態。這樣便需要進一步對滑枕系統的熱特性進行檢測，摸索出相應的溫升與伸長的規律后，對熱伸長量進行相應的補償，以保證滑枕在發熱伸長后機床刀具空間位置的相對位置穩定。

針對龍門機床滑枕的結構特點，熱穩定性試驗時，對機床滑枕、、三向的熱漂移和各監測點的溫度進行檢測。滑枕熱伸長試驗及數據采集如圖10所示。

圖10 滑枕熱伸長試驗及數據采集

對每段溫升對應的滑枕熱伸長數值進行分析，針對滑枕容易伸長方向(向)的伸長值，通過數控系統對機床的相應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 結語

該滑枕機構主要包括滑枕、滑枕端面連接板、主變速箱機構、滑枕內部主軸軸系、拉刀機構、附件頭拉頭機構、傳動軸等，通過結構優化和分析評估完成結構設計。在裝配過程中嚴格認真做好轉動部件的動平衡，裝配結束后對整機狀態動平衡修正、滑枕熱伸長量進行測量調整，成功解決了滑枕機構的傳動剛性、使用壽命和熱穩定性的問題。通過上述方法與措施，成功研制出滿足使用要求的優質滑枕機構。目前該滑枕已成功應用于公司生產的XK24系列龍門機床上，并以其優良的加工剛性和穩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計提供了參考。