臥式銑床的高速主傳動系統研制

周 萌

(沈陽機床集團中捷機床有限公司，遼寧 沈陽110142)

數控臥式銑床因可滿足銑面、鉆孔、攻絲、插補等多種功能而廣泛應用，市場上的數控臥式銑床多數配有可伸縮的鏜軸，也正因如此，現有數控臥式銑床的主軸轉速普遍不高。隨著航空航天行業的快速發展，無需鏜軸伸縮的數控臥式銑床需求越來越多，且因航空航天零件類型特殊，對主軸轉速普遍需求較高，針對這種情況，我們對機床整體重新進行了方案設計，在原有數控臥式銑鏜床基礎上，重新設計主軸箱及主傳動系統[1]，重新組合機床以滿足市場需求。

1 傳動系統方案

高速臥式數控銑床的主軸箱體及主傳動系統如圖1所示，總體由主軸箱1、主軸2、聯軸器4、傳動軸5、減速機7、主電機8、連接盤9等部分組成。主軸箱體通過壓板與立柱導軌相連并沿立柱方向上下移動，構成機床的Y向行程。為了避免傳統主軸箱結構的多組傳動軸和齒輪組合結構而導致的轉速不高，這里采用了主電機、減速機與主軸直聯的形式。為避免沒有鏜軸的伸縮而引起的行程不足，在該主軸箱前段鑄造有“長鼻端”用于支撐主軸，從而減少主軸端面到工作臺中心距離，也因此導致主軸箱前端重量較大，主軸箱安裝在立柱之后會引起立柱前后導軌受力不均，產生主軸前端“低頭”、主軸箱移動時出現爬行、卡頓等現象。為避免主軸前端重量過大，主軸前端出現“低頭”的現象，只有將電機和減速機向遠離主軸的方向布置，在減速機與主軸尾端之間采用長傳動軸進行傳遞動力，這樣可以使主軸箱重量均布于立柱導軌前后兩側，避免主軸箱前端過重引起的一系列問題。

如圖1所示，主電機8通過減速機7降速后將動力傳遞給傳動軸5，傳動軸5一端通過聯軸器4與減速機7連接，另一端通過聯軸器6與主軸2連接，最終將動力傳遞給主軸2。選用的減速機7為雙速電子變檔，可以實現主軸高低檔位的轉換[2]。

方案中使用的主軸轉速較高，需要采用油循環冷卻方式保持熱平衡，因此在主軸箱長鼻端開有油孔，并安裝進油管接頭3和出油管接頭10以引入導出冷卻油。減速機和主軸箱之間通過連接盤徑向定位，此處也可使減速機直接和主軸箱定位安裝，但考慮到傳動軸的拆裝頻繁，且減速機為外購件，止口尺寸和精度都已確定無法更改，如果不使用連接盤，將減速機和主軸箱直接連接，主軸箱體的定位尺寸在反復拆裝的過程中一旦被破壞，則無法繼續使用。如采用連接盤的方式，即使連接盤定位尺寸破壞，重新制作連接盤即可，有效避免了主軸箱體的作廢。

該傳動系統的主軸部分采用筆者公司龍門系列機床成型產品的機械主軸結構，主軸最高轉速為6 000 r/min，最大扭矩為1 500 N·m，具體參數如表1所示。

表1 主軸參數表

在整機裝配完成后進行跑車測試時發現主軸箱體振動幅度較大，但該主軸在龍門式機床使用時振動幅度很小，故可排除主軸原因，經分析該振動為傳動軸的自身不平衡引起的。因鋼制傳動軸本身重量較大，不平衡量較多，高速旋轉時的不平衡而引起了主軸箱體的振動。

為解決這種現象，筆者思考了多種方案，最常用的方法就是增加配重塊對傳動軸進行配重減少不平衡。但由于不平衡量過多，配重過程較為繁瑣，需多次反復檢測才能最終確定配重量和配重位置。此外，不同的傳動軸，配重方式相差較大，需要每臺份產品獨立做配重檢測， 會嚴重影響生產效率。

除配重外，還可采用空心軸、更換鋁合金軸、采用碳纖維等方法解決不平衡的問題。最終，因碳纖維傳動軸具有高強度、重量輕、耐腐蝕、振動小的特點，且碳纖維在風機行業已經應用成熟，選擇了換用轉動慣量更小的碳纖維傳動軸。碳纖維材料抗拉強度是普通鋼材的6～12倍，彈性模量高于鋼材，而其重量僅為普通鋼材的1/5，抗疲勞性是鋼材的10倍，使用壽命可達20年以上。

更換后的碳纖維傳動軸如圖2所示，經主軸動平衡檢測和切削振動檢測發現改善效果明顯，更換材質后，傳動軸剛度能否滿足使用工況也需要測試確認，下文將對測試過程進行詳細描述[3]。

2 機床測試

在整機裝配完成后，分別對使用鋼制傳動軸和更換為碳纖維傳動軸后的主機進行了檢測，主要項目有主軸動平衡檢測、切削試驗、主軸切削振動測試以及極限工況下的傳動軸剛度測試。

2.1 主軸動平衡檢測

動平衡過程是在工件旋轉時，測試工件的轉動慣量來進行調整。主要測試結果為轉動時的不平衡量存在的角度、位置以及大小(克數)，然后根據所得數據在相對位置增加或減少重量來實現平衡。配重過程這里不做介紹，僅將初始的振動情況作以對比。

在主軸端面設置了振動測試點，測試在主軸設定轉速下的振動速度，因常用加工轉速為4 000～5 000 r/min，所以測試轉速設定為4 500 r/min。

表2 鋼制傳動軸動平衡檢測結果

表3 炭纖維傳動軸動平衡檢測結果

檢測結果如表2和表3所示，結果表明此機床使用鋼制傳動軸時振動較大，而使用碳纖維傳動軸以后振動明顯減小。

2.2 切削及振動測試

切削測試時使用1個三向傳感器采集振動加速度數據，通過后期數據處理得到振動速度數據，使用振動加速度數據表征切削過程中沖擊的大小，單位為m/s2，以有效值計；使用振動速度數據表征切削總體振動能量大小，單位為mm/s，以有效值計，傳感器布置在主軸鼻端上。切削時使用φ200 mm盤銑刀，切深1 mm，進給f=300 mm/r，主軸轉速s分別設置為2 000、3 500、5 000 r/min。切削振動數據如表4、表5所示。

表4 鋼制傳動軸切削振動測試數據

通過表中數據可知：采用鋼制傳動軸時的切削過程振動較為嚴重，而改為碳纖維傳動軸后，切削過程振動幅度較小，改善效果明顯。切削表面效果如圖3、圖4所示。

表5 碳纖維傳動軸切削振動測試數據

通過切削表面的直觀對比可發現鋼制傳動軸的加工面振紋明顯，且切削過程中出現了啃刀現象。碳纖維傳動軸的加工面無明顯振紋，光潔度較好，效果更為理想。

2.3 傳動軸剛度測試

為檢驗傳動軸更換為碳纖維材質后的剛度是否滿足加工參數，需進行剛度測試。通過調整切深、轉速和進給量，使主軸在切削時達到最大切削扭矩，檢驗這種極限工況下，傳動軸的剛度表現。

首先對鋼制傳動軸的主傳動系統進行銑削試驗，不斷改變切削數據，增大切削扭矩，直到發生 “悶車”現象，此時主軸因切削抗力過大，無法切削，導致主軸停轉，這時主傳動軸受到的扭矩為極限情況的最大扭矩，記錄此時的切削參數如表6所示。按此參數對碳纖維傳動軸進行測試，并進行至少10次試驗，檢驗傳動軸是否發生損壞，由此驗證傳動軸的剛度滿足此機床加工參數。

表6 剛度測試切削數據

圖5為剛度測試切削圖，在對碳纖維傳動軸多次試驗后，均達到表6中參數時才出現“悶車”現象，經檢查，碳纖維傳動軸均未發生損壞，由此驗證碳纖維傳動軸的剛度與鋼制傳動軸并無差別，滿足此機床加工參數。

3 結語

臥式銑床的高速主傳動系統采用電機減速機與主軸直聯的形式，解決了主軸箱內部多組傳動軸和齒輪的組合結構導致主軸轉速受限的問題。電機與減速機遠離主軸布置，減速機與主軸間通過傳動軸傳遞扭矩的結構使整個主軸箱重量前后分布均勻，有效防止主軸箱升降時的爬行和卡頓現象。采用碳纖維傳動軸相比鋼制傳動軸，動平衡檢測結果較為理想且無需進行配重，主軸振動幅度明顯改善，且碳纖維材質剛度滿足機床極限工況，切削效果較為理想。 該臥式銑床的高速主傳動系統結構簡單、運行平穩、傳動效率高，可供同類設備研制時進行參考，同時碳纖維傳動軸各方面的測試結果，為同類設備選用碳纖維傳動軸時提供了可靠的技術支撐。