數(shù)控車銑切削機(jī)床金屬主軸部件設(shè)計研究
2022-5-12 來源： 齊齊哈爾工程學(xué)院 作者：劉 智
摘要 ：數(shù)控車銑切削機(jī)床以其高效、環(huán)保等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在機(jī)械加工中，主軸部件的運轉(zhuǎn)影響著數(shù)控車銑機(jī)床的效率，研究數(shù)控車銑切削機(jī)床金屬主軸部件設(shè)計。在數(shù)控車銑切削機(jī)床金屬主軸部件設(shè)計中，通過繪制金屬主軸部件結(jié)構(gòu)圖，為后續(xù)零件制作打好基礎(chǔ)。制作彈性環(huán)連接皮帶輪，維護(hù)主軸的平衡性。關(guān)聯(lián)機(jī)床金屬主軸相鄰件穩(wěn)定程度，確定其與多個組件的連接關(guān)聯(lián)性能。穩(wěn)定碟剎位置完成主軸部件設(shè)計，完成數(shù)控機(jī)床的切削工序。通過實驗論證分析，本文方法設(shè)計的金屬主軸部件的振動頻率與數(shù)控車銑機(jī)床的運行狀態(tài)基本一致，產(chǎn)品的加工符合檢驗標(biāo)準(zhǔn)，本文方法具有實用性。
關(guān)鍵詞 ：數(shù)控機(jī)床 ；數(shù)控車銑切削機(jī)床 ；主軸部件 ；金屬主軸部件設(shè)計 ；切削力 ；滾動軸承
我國是制造業(yè)大國，制造行業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著推動作用，數(shù)控機(jī)床作為制造行業(yè)的關(guān)鍵組成部分，對其自身的質(zhì)量有著較高的要求，因此在對關(guān)鍵部件的設(shè)計上，需要嚴(yán)格控制機(jī)床結(jié)構(gòu)，保證機(jī)床的動力學(xué)性能。數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)結(jié)合而成的產(chǎn)物，隨著現(xiàn)代化科技水平不斷提高，我國數(shù)控機(jī)床的主軸部件制作也在不斷優(yōu)化升級，使用精度越來越高，并逐漸向環(huán)保、智能的方向發(fā)展。
數(shù)控車銑切削機(jī)床的機(jī)械加工方法是利用多刀切削的方式進(jìn)行的，它的生產(chǎn)效率較高，因此對主軸的轉(zhuǎn)速等設(shè)計要求嚴(yán)格。高速切削已在世界范圍內(nèi)廣泛使用，但我國的研究還始終處于發(fā)展階段，數(shù)控機(jī)床技術(shù)精度的提高對國家的各個領(lǐng)域都有著積極地影響，尤其是精密器械和高精度的醫(yī)療設(shè)備，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展能夠為科研的進(jìn)步提供獨特的優(yōu)勢。
主軸部件是整個數(shù)控機(jī)床的重要部件之一，也是影響機(jī)床安全運行，保證機(jī)床功能的重要因素，因此本文對數(shù)控車銑切削機(jī)床的金屬主軸部件進(jìn)行設(shè)計，分析其性能，保證軸承設(shè)計的精確度，使本文設(shè)計金屬主軸部件能夠滿足當(dāng)前數(shù)控車銑切削機(jī)床的加工要求，控制切削力，避免在操作過程中產(chǎn)生誤差，從而保證加工質(zhì)量達(dá)到預(yù)期效果，為日后的主軸部件設(shè)計研究提供一定的參考。
1、數(shù)控車銑切削機(jī)床金屬主軸部件設(shè)計
1.1繪制金屬主軸部件結(jié)構(gòu)圖
數(shù)控車銑切削機(jī)床作為高精尖工業(yè)的基礎(chǔ)依仗，對多種制造裝備也提供了加工基礎(chǔ)支撐，在高密度和高精度的工作原則下，其內(nèi)部的主軸裝置對工作的完整度對造成一定影響，若主軸出現(xiàn)問題或設(shè)計精度不夠的情況下，會造成后續(xù)加工精度不良的后果，影響機(jī)床加工的安全運行，由此對數(shù)控車銑切削機(jī)床的主軸部件進(jìn)行設(shè)計。此次選擇金屬材質(zhì)的主軸最為設(shè)計材料，主軸部件作為構(gòu)成數(shù)控車銑切削機(jī)床的關(guān)鍵部分之一，它包括主軸、軸承、皮帶輪等許多零件。主軸部件的質(zhì)量影響著數(shù)控車銑機(jī)床的加工質(zhì)量，主軸的轉(zhuǎn)速決定著數(shù)控車銑機(jī)床的工作效率，因此主軸部件的設(shè)計至關(guān)重要，在設(shè)計中需要滿足作業(yè)精度，受熱穩(wěn)定、剛度好的要求。在此基礎(chǔ)上繪制金屬主軸部件結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。
圖 1 金屬主軸部件結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)圖中內(nèi)容可知，在機(jī)床金屬主軸的部件設(shè)計中，需要確定主軸轉(zhuǎn)子和帶輪的相對位置，并根據(jù)數(shù)控機(jī)床的切削力度安置拉刀桿的位置。通過拉刀桿的理想安裝位置在其相鄰位置進(jìn)行位移傳感器的安裝，運用多個蝶形彈簧控制拉刀桿的前進(jìn)和后退距離。本文主軸的前支承運用角接觸球軸承，后支承運用深溝球軸承，是軸向能夠靈活調(diào)節(jié)，與主軸的冷熱軸的延伸方向相匹配，控制主軸在運行中受到熱量的影響而產(chǎn)生的偏差，通過在主軸前支承安裝螺母，改變軸向與徑向的間距。為了穩(wěn)定主軸在運行狀態(tài)下的主軸溫度，在主軸外部采用冷卻結(jié)構(gòu)。在主軸設(shè)計中，主軸和皮帶輪的連接影響著主軸部件的平衡狀態(tài)，因此在這一環(huán)節(jié)的研究設(shè)計是非常必要的。主軸分度定位鎖緊的穩(wěn)定性影響著數(shù)控車銑切削機(jī)床的加工質(zhì)量和性能，因此需要設(shè)計碟剎結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主軸部件的振動頻率。在確定好數(shù)控機(jī)床的金屬主軸部件結(jié)構(gòu)組成后，對其內(nèi)部的連接組件進(jìn)行依次確定，其中每個組件需要在皮帶的連接作用下進(jìn)行相連，通過制作具有彈性的連接皮帶輪進(jìn)行皮帶安置，以此完成相鄰組件的安裝工作。
1.2 制作彈性環(huán)連接皮帶輪
皮帶輪作為連接主軸和其他相鄰組件的關(guān)鍵部件之一，能夠?qū)⒅鬏S和其他具備切削工藝的組件進(jìn)行聯(lián)系，完成對不同性質(zhì)材料的切削工作，為主要的數(shù)控機(jī)床切削構(gòu)件。作為連接不同組件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其連接點的位置是控制強(qiáng)度的主要因素，可以對不同的主軸部件的切削力度進(jìn)行控制，主軸與皮帶輪的連接度是影響主軸平衡性的關(guān)鍵，如果連接強(qiáng)度不夠，則會使主軸與皮帶輪接觸點的承受力過于集中，在兩者之間產(chǎn)生間隙，影響皮帶輪的穩(wěn)定性能，導(dǎo)致皮帶輪在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生偏離，主軸產(chǎn)生振動，影響機(jī)床的加工質(zhì)量。以此為基礎(chǔ)利用 BIM 技術(shù)手段，將金屬主軸部件的相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入至計算機(jī)中，通過數(shù)控機(jī)床的不用切削角度和力度，進(jìn)行連接點位的皮帶輪輔助彈性參數(shù)信息設(shè)計，根據(jù)大數(shù)據(jù)下的數(shù)控機(jī)床工作切削度，對各加工單位的工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行平均整合，綜合考慮符合大多數(shù)加工行業(yè)的行為標(biāo)準(zhǔn)。考慮到以上因素，本文通過彈性環(huán)的制作將主軸與皮帶輪進(jìn)行連接，主軸與皮帶輪的連接和動作使由彈性環(huán)的摩擦力實現(xiàn)的，因此在這一過程中不會產(chǎn)生對主軸和皮帶輪的磨損。同時，制作串聯(lián)的彈性環(huán)可以應(yīng)對成倍的載荷，彈性環(huán)通過擰緊螺紋的軸向壓緊力均勻分布在各彈性環(huán)上，將可能產(chǎn)生間隙的位置進(jìn)行縮短和拉近，使內(nèi)環(huán)與主軸緊密相連，外環(huán)與皮帶輪充分接觸，通過多環(huán)串聯(lián)的方式建立皮帶輪與主軸的連接。由于在連接過程中第一對彈性環(huán)所受到的壓緊力和負(fù)荷最大，因此設(shè)計單側(cè)軸向的彈性環(huán)最多為 3 對，雙側(cè)軸向的彈性環(huán)最多為 6 對。彈性環(huán)若在工作過程中產(chǎn)生局部變形，會出現(xiàn)皮帶輪與主軸的難以拆卸的現(xiàn)象，因此在彈性環(huán)制作完成后需要對彈性環(huán)進(jìn)行校核，以檢驗彈性環(huán)在連接皮帶輪和主軸的性能。
1.3關(guān)聯(lián)機(jī)床金屬主軸相鄰件穩(wěn)定程度
根據(jù)數(shù)控機(jī)床彈性環(huán)連接皮帶的制作，在確定其與金屬主軸的連接點位置后，對相關(guān)具有聯(lián)系性的組件穩(wěn)定程度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以此確保金屬主軸在切削過程中，與相鄰組件的穩(wěn)定程度。以數(shù)控機(jī)床金屬主軸的工作運行軌跡，在其進(jìn)行切削工藝過程中建立對應(yīng)坐標(biāo)系，利用 BIM 技術(shù)進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)動的關(guān)聯(lián)位置定點，對能夠圍繞主軸金屬運動線路的相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)記，按照轉(zhuǎn)動的聯(lián)動順序進(jìn)行依次組裝。由于數(shù)控機(jī)床的切削加工，屬于一個復(fù)雜的多面性工作流程，在內(nèi)部金屬主軸構(gòu)件和其他相關(guān)構(gòu)件的連接形式上，要分成不同的類型，避免穩(wěn)定關(guān)聯(lián)過程中出現(xiàn)切削運動的誤差。將數(shù)控機(jī)床的金屬主軸連接按照刀具的運行角度，進(jìn)行多個類別關(guān)聯(lián)程度的劃分，在主軸拉刀桿的推進(jìn)過程中，受彈簧的給進(jìn)速度會產(chǎn)生切削誤差，通過 BIM 機(jī)床坐標(biāo)軸的運行匹配方式，建立對應(yīng)運行補償模型，對相連組件的運行軌跡進(jìn)行分布，完成關(guān)聯(lián)機(jī)床金屬主軸和相鄰組件的穩(wěn)定系數(shù)確定。以金屬主軸的拉刀桿作為坐標(biāo)中心，在機(jī)床切削開始時其運行軌跡按照橫坐標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行行進(jìn)，對應(yīng)的關(guān)聯(lián)組件位置由縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)來標(biāo)記，當(dāng)兩個行進(jìn)的切削數(shù)值能夠形成正相關(guān)關(guān)系時，表示相連組件能夠和拉刀桿的切削軌跡重合，保證數(shù)控機(jī)床在切削過程中不會出現(xiàn)給進(jìn)速度的誤差，使得相鄰組件和金屬主軸能夠保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上對彈性環(huán)的連接形式加以確定，通過各部分組件的運行管理程度，確定金屬主軸的穩(wěn)定碟剎位置，用于數(shù)控機(jī)床的切削進(jìn)度控制。
1.4 穩(wěn)定碟剎位置完成主軸部件設(shè)計
碟剎部件能夠通過鎖緊力將主軸固定，起到制動的功能。由于碟剎部件不能實現(xiàn)對任意角度的分度，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在操作流程上也具有一定的難度，一旦操作不當(dāng)就會影響數(shù)控機(jī)床的作業(yè)精度，因此在主軸部件設(shè)計中，需要對碟剎位置進(jìn)行重點研究，通過分級的角度鎖緊，穩(wěn)定碟剎位置，使其不受角度的限制，能夠與其他部件相配合。
碟剎部件通過油缸頂出導(dǎo)桿剎車，在油缸頂出時只存在一個動力源，油缸活塞會在接觸到剎車盤后停止活動，剎車銷軸能夠?qū)⒅鬏S產(chǎn)生的推力轉(zhuǎn)移到剎車盤上，在此過程中能夠產(chǎn)生較大摩擦力矩，使油缸釋放熱量，起到抱緊主軸的作用。因此，穩(wěn)定碟剎位置需要將剎車銷軸對應(yīng)分布在剎車盤兩側(cè)，避免剎車盤在受到銷軸的推力后加大彎矩。碟剎位置的變化影響著碟剎部件的制動效能，使液壓油在換向閥中正常通過，按照標(biāo)示方向到達(dá)閥芯位置，帶動活塞推動剎車銷軸是使碟剎部件正常運行的前提，通過壓緊力使剎車盤穩(wěn)定，主軸保持靜止，完成切削工序?qū)崿F(xiàn)主軸部件的設(shè)計和應(yīng)用。
至此，在分析數(shù)控機(jī)床的金屬主軸切削作用下，通過對金屬主軸部件結(jié)構(gòu)圖的繪制，對各個相關(guān)組件進(jìn)行位置確定，利用皮帶的連接形式，制作連接皮帶的彈性環(huán)輪，對主軸的平衡性進(jìn)行維護(hù)。設(shè)置機(jī)床金屬主軸與相鄰件的關(guān)聯(lián)穩(wěn)定程度，確定其與多個組件的連接關(guān)聯(lián)性能，在穩(wěn)定碟剎位置的定點中進(jìn)行切削進(jìn)度控制，完成數(shù)控機(jī)床的主軸部件設(shè)計。
2、 實驗論證分析
2.1選擇實驗對象
本文在研究數(shù)控機(jī)床的金屬主軸切削作用下，設(shè)計了一個新的金屬主軸裝置，為驗證此次設(shè)計對象具有應(yīng)用價值，利用實驗測試的方式，檢驗其在數(shù)控機(jī)床切削工作中的有效性。為保證實驗環(huán)境的真實性，在對金屬主軸測試中選擇實地檢測進(jìn)行效果驗證，已完成不同切削方式下金屬主軸對切削工作的效果研究。數(shù)控機(jī)床的金屬主軸在切削過程中，其切削強(qiáng)度和速度能夠?qū)C(jī)床產(chǎn)生振動頻率，振動頻率越高產(chǎn)生的切削振動紋路越標(biāo)準(zhǔn)。本文將使用本文部件的數(shù)控車銑切削機(jī)床為實驗對象，選取了兩種不同的切削方式加工齒輪進(jìn)行實驗，得到 2 組實驗數(shù)據(jù)，測試機(jī)床產(chǎn)生振動的頻率。第一種切削方式為外圓車削，測設(shè)設(shè)備采用外圓車刀，第二種切削方式為橫向切斷面，測試設(shè)備為硬質(zhì)合金切刀，具體實驗參數(shù)設(shè)置如下表 1 所示。
表 1 切削實驗參數(shù)
根據(jù)表中內(nèi)容，對不同的切削方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，為保證不同工藝形式下此次設(shè)計的金屬主軸均能夠滿足切削要求，按照同樣的主軸轉(zhuǎn)速和給進(jìn)速度進(jìn)行測試。由于機(jī)床在實際切削過程中具有特定的運動軌跡，為保證相同加工零件的振動紋路測試效果，對兩個切削方式的下刀深度進(jìn)行設(shè)置，均以 8mm 的深度進(jìn)行切削控制，且每個組別的實驗切削次數(shù)不少 50 次，保證所得數(shù)據(jù)的真實性。
2.2 機(jī)床切削過程與結(jié)果分析
根據(jù)上述設(shè)置的數(shù)控機(jī)床切削參數(shù)進(jìn)行測試，對不同切削方式的工藝結(jié)果進(jìn)行采樣，以隨機(jī)采樣的方式，設(shè)定其采樣頻率為 1800Hz，并將加速度傳感器安裝于機(jī)床坐標(biāo)系 Y 軸，進(jìn)行機(jī)床振動的速度頻譜分析。振動頻率的計算公式如下 ：
運轉(zhuǎn)數(shù)控車銑切削機(jī)床，得到兩種切削方式下的機(jī)床顫振情況如圖 2 所示。
圖 2 振動 Y 向加速度頻譜圖
由圖 2 可知，（a）為外圓切削 Y 相加速度頻譜圖，（b）為橫向切削 Y 向加速度頻譜圖。當(dāng)切削寬度逐漸變大時，機(jī)床的振動頻率會逐步提升，主軸是引起切削振動的主要部件，根據(jù)再生顫振原理可知，振動的頻率與機(jī)床整體結(jié)構(gòu)固有頻率相關(guān)。根據(jù)頻譜波形圖得到機(jī)床發(fā)生振動的頻率如表 2 所示。
表 2 機(jī)床切削實驗振動頻率
由表 2 可知，2 組實驗所的振動頻率在 170Hz ～ 220Hz 的范圍內(nèi)，其平均值為 195Hz，結(jié)合頻譜波形情況可知，機(jī)床在120Hz 和 200Hz 兩個頻率值下的狀態(tài)薄弱，其振動結(jié)果與機(jī)床運行狀態(tài)是比較吻合的。在切削實驗結(jié)束后檢驗加工的齒輪成品如圖 3 所示。
圖 3 機(jī)床加工齒輪成品
由圖 3 可知，齒輪孔面制作均勻，齒輪之間可以高度重合，內(nèi)孔及端面符合產(chǎn)品加工檢驗標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)床的加工性能達(dá)到了設(shè)計要求。通過對金屬主軸部件的設(shè)計，數(shù)控車銑切削機(jī)床在應(yīng)用中具有較好的加工性能。綜合測試結(jié)果可知 ：在選用不同的切削方式下，對本文設(shè)計的金屬主軸進(jìn)行切削測試，其能夠?qū)?shù)控機(jī)床工作時的振動頻率控制在有效范圍內(nèi)，保證機(jī)床的加工成品具備良好性能，符合實際的生產(chǎn)需求，能夠在數(shù)控機(jī)床中進(jìn)行推廣應(yīng)用。
3、 結(jié)語
隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的不斷更新與升級，車銑切削機(jī)床在工業(yè)制造中發(fā)揮著積極的作用，本文以滿足數(shù)控車銑切削機(jī)床的性能為立足點，設(shè)計了金屬主軸部件，取得了一定的成果，但仍然存在著諸多不足，有待于進(jìn)一步深入研究。如在研究中沒有充分考慮軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，熱量對于軸承變化的影響，對于主軸結(jié)構(gòu)的參數(shù)的研究上還不夠全面，沒有考慮到主軸全部結(jié)構(gòu)的尺寸以及承受力，在今后的研究與應(yīng)用中需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。
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