數(shù)控機(jī)床主軸動平衡設(shè)計(jì)

□ 孔祥志 □ 于雯秋

通用技術(shù)集團(tuán)沈陽機(jī)床股份有限公司 遼寧沈陽 110142

1 設(shè)計(jì)背景

高精密數(shù)控機(jī)床主軸具有轉(zhuǎn)速高、運(yùn)行精度高等特點(diǎn)。轉(zhuǎn)速和精度的提高都是以高精度動平衡為前提的,但對于高速主軸而言,由于制造、安裝誤差及材料的不均勻等因素,不平衡的存在是必然的。微小的不平衡都可能會導(dǎo)致主軸振動、異響、噪聲,嚴(yán)重時會導(dǎo)致回轉(zhuǎn)精度嚴(yán)重喪失,乃至軸承支承系統(tǒng)失穩(wěn)。只有在裝配時的部裝、總裝及整機(jī)工作狀態(tài)下對主軸進(jìn)行高精度的動平衡校正,對主軸的不平衡量進(jìn)行合理的分配和調(diào)整,才能抑制主軸在高速運(yùn)行過程中的失衡振動,保證機(jī)加工零件的精度。筆者重點(diǎn)根據(jù)理論計(jì)算分析高速車削中心主軸的動平衡計(jì)算及允許不平衡量,理論計(jì)算方法對主軸的設(shè)計(jì)及動平衡的設(shè)計(jì)都有實(shí)際指導(dǎo)意義。

2 離心激勵單質(zhì)振動系統(tǒng)

單質(zhì)振動系統(tǒng)如圖1所示。一個只能沿X方向運(yùn)動的物體P,底部用剛度為C的彈簧和一個阻尼器支撐,阻尼器的阻尼因數(shù)與速度成比例θ。如果在這個物體上有一個不平衡量Ur,在不同的角速度ω下,振幅特性如圖2所示。可見,單質(zhì)振動系統(tǒng)振幅與旋轉(zhuǎn)速度有很大關(guān)系。

圖1 單質(zhì)振動系統(tǒng)

圖2 單質(zhì)振動系統(tǒng)振幅特性

主軸組件在設(shè)計(jì)、加工、裝配等過程中由于結(jié)構(gòu)不對稱、材質(zhì)不均勻、裝配間隙等原因,引起主軸組件質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)中心的不平衡量,對主軸系統(tǒng)而言,相當(dāng)于一個離心激勵的單質(zhì)振動系統(tǒng),每個不平衡量會對主軸系統(tǒng)產(chǎn)生一個周期性變化的激勵,對主軸的動平衡有很大影響。當(dāng)激勵頻率與固有頻率相等時,不平衡量所形成的離心激勵單質(zhì)振動系統(tǒng)與主軸系統(tǒng)就會產(chǎn)生共振,影響主軸的回轉(zhuǎn)精度及支撐剛度,嚴(yán)重時會破壞整個主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定。為了減小離心質(zhì)量的影響,在不同工況下,對主軸的平衡等級進(jìn)行規(guī)定,這是設(shè)計(jì)主軸動平衡的重要依據(jù)。

3 機(jī)床主軸動平衡等級要求

數(shù)控機(jī)床分類很多,在不同機(jī)床上使用的主軸對動平衡的要求也不一樣。通常車削主軸的動平衡等級要求為G2.5、G1,加工中心的主軸動平衡等級根據(jù)轉(zhuǎn)速要求為G1、G0.4、G0.2等。根據(jù)ISO 1940對不同類型的轉(zhuǎn)子動平衡等級的規(guī)定,精密主軸組件可采用G2.5、G1、G0.4。動平衡等級按照式(1)進(jìn)行計(jì)算:

G=eω/1 000

(1)

式中:G為動平衡量,mm/s;e為主軸偏心距,mm。

根據(jù)式(1)可得:

e=1 000G/ω

(2)

e、允許不平衡量U、主軸質(zhì)量m之間存在關(guān)系:

e=U/m

(3)

根據(jù)式(3),可得:

U=em

(4)

ω和轉(zhuǎn)速n的換算為:

ω=2πn/60

(5)

為了現(xiàn)場做動平衡人員快速計(jì)算允許不平衡量,可以將式(5)直接簡化為:

ω=n/10

(6)

4 機(jī)床主軸常用動平衡方式

由于機(jī)床主軸的不同應(yīng)用,支撐布局形式也有變化,很難在質(zhì)心截面做動平衡。通常將回轉(zhuǎn)運(yùn)動的主軸套件放置在動平衡機(jī)上完成動平衡,安裝到主軸箱體以后,還要做一次動平衡,留給做動平衡的位置就比較少,不平衡量的分配只能在方便操作的截面上完成。目前由于工藝方面的考慮,去重法比較實(shí)用,增重法由于受旋轉(zhuǎn)部件高速旋轉(zhuǎn)容易松動等原因的影響,應(yīng)用較少。在機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速范圍較大的情況下,在不同轉(zhuǎn)速下都需要做動平衡。技術(shù)人員研究了噴液式在線動平衡裝置,通過改變平衡頭的質(zhì)心位置,實(shí)現(xiàn)在線做動平衡。在離心力的作用下,液滴吸附在平衡頭內(nèi)壁上,通過調(diào)整噴射量,在不同轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)動平衡,當(dāng)然目前只有在磨床上有應(yīng)用。加工中心主軸及臥式車削中心主軸動平衡大多采用去重法,在質(zhì)心截面的兩側(cè)或同側(cè)做動平衡,進(jìn)而保證主軸高轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定運(yùn)行,減小由于軸承受周期性變化載荷引起發(fā)熱、壽命縮短等影響,提高機(jī)床穩(wěn)定性。

5 主軸允許不平衡量分配

針對數(shù)控機(jī)床主軸允許不平衡量的相關(guān)要求,首選在質(zhì)心平面做動平衡,但由于結(jié)構(gòu)限制,很難將質(zhì)心平面作為校正平面,如何分配不平衡量是分析的重點(diǎn)。在校正靜不平衡時,只需要一個校正平面,將這個平面命名為質(zhì)心平面。如果這個質(zhì)心平面不能被用來作為校正平面,校正質(zhì)量可以分布到兩個校正平面上。質(zhì)心平面上的允許不平衡量用Ua表示,校正平面1和校正平面2的允許不平衡量分別用Ua1、Ua2表示,兩個校正平面與質(zhì)心平面之間的距離分別用f、g表示,則存在等量關(guān)系:

Ua1+Ua2=Ua

(7)

Ua1f+Ua2g=0

(8)

當(dāng)校正平面在質(zhì)心平面兩側(cè)時,如圖3所示,根據(jù)式(7)、式(8)可以得出:

圖3 校正平面在質(zhì)心平面兩側(cè)

(9)

(10)

當(dāng)校正平面在重心平面一側(cè)時,如圖4所示,根據(jù)式(7)、式(8)可以得出:

(11)

(12)

圖4 校正平面在質(zhì)心平面一側(cè)

6 高速車削中心動平衡設(shè)計(jì)

以某款車削中心主軸為例,對其動平衡進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。已知該主軸的旋轉(zhuǎn)組件質(zhì)量為38 kg,轉(zhuǎn)速為5 000 r/min,動平衡等級為G1,將主軸參數(shù)代入式(1)～式(5),可以得出該主軸質(zhì)心平面上的允許不平衡量為72 g·mm。

車削中心校正平面位置如圖5所示。可以看出,該主軸結(jié)構(gòu)的校正平面分布在質(zhì)心平面兩側(cè),將相關(guān)參數(shù)代入式(9)、式(10),計(jì)算得到校正平面1的允許不平衡量為42.46 g·mm,校正平面2的允許不平衡量為29.23 g·mm。

圖5 車削中心校正平面位置

計(jì)算值在動平衡校正平面上實(shí)施的時候,操作人員會根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行修正,修正比例按與中心的位置比例關(guān)系不變執(zhí)行。做完動平衡后,進(jìn)行主軸跑合試驗(yàn),每升高500轉(zhuǎn),運(yùn)行30 min,記錄溫升及噪聲。如果出現(xiàn)異響、溫升過高等現(xiàn)象,及時停轉(zhuǎn),分析可能出現(xiàn)的問題,再從低轉(zhuǎn)速重新運(yùn)行。在最高轉(zhuǎn)速下,主軸運(yùn)行平穩(wěn)且溫升正常,動平衡設(shè)計(jì)完成。主軸單元裝入箱體后,還要進(jìn)行動平衡測試,原因是箱體孔間隙也會導(dǎo)致動平衡發(fā)生變化,如果變化超出計(jì)算范圍,那么有必要在兩個動平衡平面重新做動平衡,使允許不平衡量在壓縮范圍內(nèi)。

在裝配環(huán)節(jié),除了必要的計(jì)算,還要根據(jù)工程實(shí)際修正允許不平衡量。理論計(jì)算往往忽略材質(zhì)不均性、裝配間隙等影響因素,因此還要根據(jù)常用轉(zhuǎn)速的要求,做動平衡。通常情況下,根據(jù)實(shí)際情況在理論計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理壓縮,一般為50%,這對做動平衡提出了更高的要求。為了滿足較寬的主軸轉(zhuǎn)速變化范圍,在做動平衡時,盡量選擇高速運(yùn)載狀態(tài)。

7 結(jié)束語

主軸不平衡量的存在是不可避免的,對不平衡量進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整,就是通過理論結(jié)合實(shí)際的方法,盡量減小不平衡量對主軸系統(tǒng)的影響,保證主軸的回轉(zhuǎn)特性、振動特性、支承剛性。筆者結(jié)合機(jī)床主軸的特點(diǎn)和動平衡等級的理論劃分依據(jù),提出一種允許不平衡量的分配方法,對主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動平衡計(jì)算有一定的指導(dǎo)意義。