202作第倔_________________________________________________________________Function Units ttKStt 卧式铳床的高速主传动系统研制
周萌
（沈阳机床集团中捷机床有限公司，辽宁沈阳110142）
堵漏工具
摘要：针对客户对高速卧式数控铢床的需求，设计了一套新的主传动结构，并对制造过程中的主轴箱体振动问题进行了分析并提出改进方法，对改进前后的主轴进行了剩余不平衡量以及切削振动检测，同时在最大扭矩工况下检验了传动轴的刚度。对比发现，采用碳纤维材质的传动轴动平衡效果和切削 振动效果改善明显，并且刚度足以满足机床极限工况。
关键词：主传动；传动轴；数控铳床
中图分类号:TH122文献标识码:B
DOI：10.19287/jki.1005-2402.2021.01.021
Development of high speed enclosure for horizontal milling nachine
ZHOU Meng
(Shenyang Machine Tool Group China-Czech Machine Tool Co.,Ltd.,Shenyang110142,CHN)
Abstract:According to the customer's demand for high-speed horizontal CNC milling machine,a new set of main transmission structure is designed.The vibration problem of the spindle box in the manufacturing process
is analyzed and the improvement method is proposed・The residual unbalance and cutting vibration of the
spindle before and after improvement are detected・At the same time,the stifihess of the drive shaft is
tested under the maximum torque condition.The comparison shows that the dynamic balance effect and
cutting vibration effect of the transmission shaft made of carbon fiber are improved obviously,and the ri
gidity is enough to meet the limit working conditions of the machine tool.
Keywords:main transmission；drive shaft；milling and boring machine
数控卧式铳床因可满足铳面、钻孔、攻丝、插补等多种功能而广泛应用，市场上的数控卧式铳床多数配有可伸缩的锂轴，也正因如此，现有数控卧式铳床的主轴转速普遍不高。随着航空航天行业的快速发展，无需锂轴伸缩的数控卧式铳床需求越来越多，且因航空航天零件类型特殊，对主轴转速普遍需求较高，针对这种情况，我们对机床整体重新进行了方案设计，在原有数控卧式铳镇床基础上，重新设计主轴箱及主传动系统⑴，重新组合机床以满足市场需求。
1传动系统方案
高速卧式数控铳床的主轴箱体及主传动系统如图1所示，总体由主轴箱1、主轴2、联轴器4、传动轴5、减速机7、主电机8、连接盘9等部分组成。主轴箱体通过压板与立柱导轨相连并沿立柱方向上下移动，构成机床的『向行程。为了避免传统主轴箱结构的多组传动轴和齿轮组合结构而导致的转速不高，这里采用了主电机、减速机与主轴宜联的形式。为避免没有锂轴的伸缩而引起的行程不足，在该主轴箱前段铸造有“长鼻端”用于支撑主轴，从而减少主轴端面到工作台中心距离，也因此导致主轴箱前端重量较大，主轴箱安装在立柱之后会引起立柱前后导轨受力不均，产生主轴前端“低头”、主轴箱移动时出现爬行、卡顿等现象。为避免主轴前端重量过大，主轴前端出现“低头”的现象，只有将电机和减速机向远离主轴的方向布置，在减速机与主轴尾端之间采用长传动轴进行传递动力，这样可以使主轴箱重量均布于立柱导轨前后两侧，避免主轴箱前端过重引起的一系列问题。
如图1所示，主电机8通过减速机7降速后将动力传递给传动轴5，传动轴5一端通过联轴器4与减速机7连接，另一端通过联轴器6与主轴2连接，最终将动力传递给主轴20选用的减速机7为双速电子变档，可以实现主轴高低档位的转换⑵。
功能部徉Ftindion Units2021年第1期
1—主轴箱；2—主轴；3—进油管接头；4-联轴器；5—》动轴；6-联轴黑;
7-»速机；8-主电机；9-连接盘；10-出油管接头。
图1高速卧式好铳床的主传动系统
方案中使用的主轴转速较高，需要采用油循环冷却方式保持热平衡，因此在主轴箱长鼻端开有油孔，并安装进油管接头3和出油管接头10以引入导出冷却油。减速机和主轴箱之间通过连接盘径向定位，此处也可使减速机直接和主轴箱定位安装，但考虑到传动轴的拆装频繁，且减速机为外购件，止口尺寸和精度都已确定无法更改，如果不使用连接盘，将减速机和主轴箱直接连接，主轴箱体的定位尺寸在反复拆装的过程中一旦被破坏，则无法继续使用。如采用连接盘的方式，即使连接盘定位尺寸破坏，重新制作连接盘即可，有效避免了主轴箱体的作废。
该传动系统的主轴部分采用笔者公司龙门系列机床成型产品的机械主轴结构，主轴最高转速为6000r/
min，最大扭矩为1500N•m，具体参数如表1所示。
表1主轴参数表
25mm圆跳动/mm W0.005
300mm圆跳动/mm W0.008
主轴尾部圆跳动/mm W0.02
主轴锥孔圆跳动/mm W0.002
鼻端端面跳动/mm W0.005
动平衡ISO1940G1级
温升值/弋W20
径向刚度/(N/m)1000000
轴向刚度/(N/m)571428.6
在整机装配完成后进行跑车测试时发现主轴箱体振动幅度较大，但该主轴在龙门式机床使用时振动幅度很小，故可排除主轴原因，经分析该振动为传动轴的自身不平衡引起的。因钢制传动轴本身重量较大，不平衡量较多，高速旋转时的不平衡而引起了主轴箱体的振动。
为解决这种现象，笔者思考了多种方案，最常用的方法就是增加配重块对传动轴进行配重减少不平衡。但由于不平衡量过多，配重过程较为繁琐，需多次反复检测才能最终确定配重量和配重位置。此外，不同的传动轴，配重方式相差较大，需要每台份产品独立做配重检测，会严重影响生产效率。
除配重外，还可采用空心轴、更换铝合金轴、采用碳纤维等方法解决不平衡的问题。最终，因碳纤维传动轴具有高强度、重量轻、耐腐蚀、振动小的特点，且碳纤维在风机行业已经应用成熟，选择了换用转动惯量更小的碳纤维传动轴。碳纤维材料抗拉强度是普通钢材的6~12倍，弹性模量高于钢材，而其重量仅为普通钢材的1/5，抗疲劳性是钢材的10倍，使用寿命可达20年以上。
图2碳纤维传动轴实物
更换后的碳纤维传动轴如图2所示，经主轴动平衡检测和切削振动检测发现改善效果明显，更换材质后，传动轴刚度能否满足使用工况也需要测试确认，下文将对测试过程进行详细描述⑶。
2机床测试
在整机装配完成后，分别对使用钢制传动轴和更换为碳纤维传动轴后的主机进行了检测，主要项目有主轴动平衡检测、切削试验、主轴切削振动测试以及极限工况下的传动轴刚度测试。
2021年第1期
2.1主轴动平衡检测
动平衡过程是在工件旋转时，测试工件的转动惯量来进行调整。主要测试结果为转动时的不平衡量存在的角度、位置以及大小（克数），然后根据所得数据在相对位置增加或减少重量来实现平衡。配重过程这里不做介绍，仅将初始的振动情况作以对比。
在主轴端面设置了振动测试点，测试在主轴设定转速下的振动速度，因常用加工转速为4000-5000 r/min，所以测试转速设定为4500r/min o
表2钢制传动轴动平衡检测结果
振动速度相位运行转速实测转速
/(mm/s)/(°)/(r/min)/(r/min)
1.069745004502
表3炭纤维传动轴动平衡检测结果
振动速度相位运行转速实测转速
/
(mm/s)/(°)/(r/min)/(r/min)
0.072345004502
检测结果如表2和表3所示，结果表明此机床使用钢制传动轴时振动较大，而使用碳纤维传动轴以后振动明显减小。
蚊帐 圆顶2.2切削及振动测试
切削测试时使用1个三向传感器采集振动加速度数据，通过后期数据处理得到振动速度数据，使用振动加速度数据表征切削过程中冲击的大小，单位为m/ s2，以有效值计；使用振动速度数据表征切削总体振动能量大小，单位为mm/s，以有效值计，传感器布置在主轴鼻端上。切削时使用（/>200mm盘铳刀，切深1 mm，进给/=300mm/r，主轴转速s分别设置为2000、3500,5000r/min o切削振动数据如表4、表5所示。
表4钢制传动轴切削振动测试数据
位置主轴X向主轴y向主轴Z向
主轴转速
振动
加速度
振动
速度
振动
加速度
振动
速度
振动
加速度
振动
速度
X向切削2000 2.990.95 2.580.4 1.010.41 3500 3.890.73 3.820.68 1.250.42 5000 5.7 1.19 2.740.41 1.890.51
Y向切削2000 2.240.84 2.080.330.980.48 3500 2.690.75 3.340.56 1.190.46 5000 4.18 1.04 2.240.4 1.610.66
通过表中数据可知：采用钢制传动轴时的切削过程振动较为严重，而改为碳纤维传动轴后，切削过程振__________________________Function Units功能部件动幅度较小，改善效果明显。切削表面效果如图3、图4所示。mp3手表
表5碳纤维传动轴切削振动测试数据
位置主轴X向主轴丫向主轴Z向
主轴
转速
振动
加速度
振动
速度
振动
加速度
振动
速度
振动
加速度
振动
速度
X向切削
20000.690.150.640.130.240.11
35000.890.230.830.250.330.24
50000.970.390.920.380.420.33
Y向切削
20000.240.040.230.070.130.05
35000.590.150.560.180.260.12
50000.880.240.830.290.330.19
图3钢制传动轴切削效果图
图4碳纤维传动轴切削效果图
通过切削表面的直观对比可发现钢制传动轴的加工面振纹明显，且切削过程中出现了啃刀现象。碳纤维传动轴的加工面无明显振纹，光洁度较好，效果更为理想。
2.3传动轴刚度测试
为检验传动轴更换为碳纤维材质后的刚度是否满足加工参数，需进行刚度测试。通过调整切深、转速和进给量，使主轴在切削时达到最大切削扭矩，检验这种极限工况下，传动轴的刚度表现。
（下转第118页）
数控技术NCTechnology
的正确运动。
图9机床加工S 形试件精度检测报告
(上接第113页)
首先对钢制传动轴的主传动系统进行铳削试验,
谷氨酸发酵不断改变切削数据，增大切削扭矩，直到发生“闷车” 现象，此时主轴因切削抗力过大，无法切削，导致主轴
停转，这时主传动轴受到的扭矩为极限情况的最大扭 矩，记录此时的切削参数如表6所示。按此参数对碳 纤维传动轴进行测试，并进行至少10次试验，检验传
动轴是否发生损坏，由此验证传动轴的刚度满足此机
床加工参数。
表6刚度测试切削数据
刀具直径
刃数转速/(t/min)切深/mm 切宽/mm 进给/(mm/min)
0250
10
8010200240
图5刚度测试切削图
图5为刚度测试切削图，在对碳纤维传动轴多次
试验后，均达到表6中参数时才出现“闷车”现象，经 检查，碳纤维传动轴均未发生损坏，由此验证碳纤维传
动轴的刚度与钢制传动轴并无差别，满足此机床加工
2021年第1期
参考文献
[1]王萼芳，石生明.高等代数[M].北京：高等教育出版社,2003： 386
-390.
[2 ]梁全，王永章.五轴数控系统RTCP 和RPCP 技术应用[J ].组合机床
与自动化加工技术,2008(2) ：66-69.
第一作者：黄玉彤，女，1990年生，硕士研究生，主 要从事数控系统高级算法的研究与开发工作。
(编辑李静)
(收稿日期：2020-03-29)
文章编号：20210126
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参数。
3结语
卧式铳床的高速主传动系统采用电机减速机与主
轴直联的形式，解决了主轴箱内部多组传动轴和齿轮
的组合结构导致主轴转速受限的问题。电机与减速机
远离主轴布置，减速机与主轴间通过传动轴传递扭矩
的结构使整个主轴箱重量前后分布均匀，有效防止主
等离子体处理
119b轴箱升降时的爬行和卡顿现象。采用碳纤维传动轴相 比钢制传动轴，动平衡检测结果较为理想且无需进行 配重，主轴振动幅度明显改善，且碳纤维材质刚度满足
机床极限工况，切削效果较为理想。该卧式铳床的高
速主传动系统结构简单、运行平稳、传动效率高，可供
同类设备研制时进行参考，同时碳纤维传动轴各方面
的测试结果，为同类设备选用碳纤维传动轴时提供了
可靠的技术支撑。
参考文献
[1] 刘桂芝•影响机床主轴系统加工精度的分析[J ] •机械制造与研究,
2006(2) ：57-60.
[2] 周萌.一种减速机构外置的机床主传动系统[J ].制造技术与机床,
2019(8) ： 136-139.
[3] 白向娟，李积元，苟卫东.数控铳床主轴部件综合性能检测技术研究
[J].制造业自动化,2018, 40(8) ：5-9.
作者简介：周萌，男,1986年生，硕士，机械工程
师、产品主管，主要从事数控机床设备的研发工作。
(编辑李静)
(收稿日期:2020-04-29)
文章编号：20210125
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•知识窗•
枝晶(dendrite)又称枝状晶，树状晶，液态金属凝固时，固休晶核沿某些晶向生长较快，以致最后形成的具有树枝状的晶体。
柱状晶(columnar crystal)液态金属凝固时，在定向散热的条件下，形成近乎平行的长柱形晶体。等轴晶(equiaxed crytal)液杰金属结晶过程中，在各个晶轴方向得到均等发展的晶体。
铸造组织(cast structure)又称铸态组织，金属或合金铸造后未经任何处理的原始宏观和微观金相组织。
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