臥式加工中心主軸箱平衡系統優化設計

李志丹 劉 博

(沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110141)

HMC-e系列臥式加工中心，適合于工件多面的銑、鉆、鏜、鉸、攻絲、兩維、三維曲面等多工序加工。具有在一次裝夾中完成箱體孔系和平面加工的良好性能，還特別適合于箱體孔的調頭鏜孔加工。為保證機床能夠高精、高速及高質量地完成切削任務，需要對主軸箱垂直方向運動增加平衡裝置，以消除主軸箱本身及其承載的各部件產生的重量對其在垂直方向運動的速度、加速度和控制精度產生的不良影響。

1 原有氣缸平衡系統

考慮到臥式加工中心的結構特點及加工工藝，主軸箱在垂直方向運動加工時，不僅要受到刀具切削力和絲杠驅動力的作用，還會受到自身重量及裝載的主軸、電動機、結構件和管路等零部件重量的作用，總計大概700 kg，而且這些力的作用方向與主軸箱的運動方向平行，又不能效仿水平移動部件那樣被支撐起來，如果這些力不能被平衡，會對主軸箱運動的平穩性帶來非常惡劣的影響。

因此，過往設計了氣缸平衡系統，如圖1所示，氣缸固定于立柱之上，氣缸桿下伸拉住主軸箱以平衡掉主軸箱80%的重量。整套氣缸平衡系統的工作原理如圖2所示，壓力為0.6 MPa的壓縮空氣經過空氣潔凈器干燥過濾后進入增壓器，壓力增加至0.85～0.9 MPa，由于經增壓器排出的空氣壓力不穩定，需經減壓閥穩定在0.8 MPa后進入儲氣罐，在進儲氣罐前需安裝單向閥防止氣體回流導致氣缸失效。儲氣罐總容積70 L，內部的空氣供給氣缸工作，氣缸缸徑100 mm，活塞桿直徑30 mm，經過計算可平衡約572 kg的重量。

經過一年多的實踐應用，從用戶體驗及裝配車間反饋來看，這套氣缸平衡系統可以基本實現主軸箱重量平衡目標，綜合成本和性能等多方面考慮，性價比已優于傳統的重錘平衡和液壓平衡等平衡系統。但HMC-e系列臥式加工中心的垂直軸行程均在1 000 mm左右，這樣超過1 000 mm行程的氣缸嚴重影響整機高度，對整機運輸和客戶現場裝配使用都造成不良的影響，而且氣動零件和管路接口繁多復雜，故障率高，壓力不穩定，此類氣缸能承受的最大移動速度是40 m/min，限制了產品的進一步優化發展。

2 氮氣平衡器

針對HMC-e系列臥式加工中心，考慮到原有氣缸平衡系統的諸多缺陷，通過不斷的技術引進和研究創新，設計了新型的氮氣平衡器，如圖3所示，進一步優化機床結構參數，提高產品性能指標。

氮氣平衡器與傳統式平衡器相比具有更優異的特性：(如圖4所示)具有高應答性，可配合高速切削；無需動力源及配管；結構緊湊占空間小；壓力變化小，具有穩定的平衡力，如圖5所示，初始負荷5.6 kN，最大負荷6.7 kN。

氮氣平衡器的外徑105 mm，活塞桿直徑32 mm，行程200～1 300 mm，氣缸缸筒長395～1 495 mm，全長740～2 940 mm，總重量16.9～45.5 kg，詳細技術參數見表1。

表1 氮氣平衡器參數表

填充氣壓/MPa3.5～10.5保證耐壓/MPa15.8壓縮比約1.2升降速度/(m/min)Max.60允許加速度/(m/s2)Max.9.8使用環境溫度/℃0～40

利用氮氣平衡器平衡掉主軸箱部分重量，可減小垂直軸伺服電動機負荷，減輕絲杠和絲母之間的傳動負荷，降低電力消耗和發熱，規避絲杠變長現象，提高位置精度及超微細加工精度，提高高速切削的進給速度與加工精度。

3 結語

通過對主軸箱垂直運動平衡系統改進設計及優化，解決了原有設計氣缸平衡系統存在的問題，降低整機高度，簡化平衡系統結構布局，降低后續保養和維修的難度，提高進給速度和加速度，對機床整體性能的提高提供了堅實的保障。

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