数控落地铣镗床主轴箱设计

李立强 姜 辉

(齐重数控装备股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

数控落地铣镗床是核电、能源、电力、矿山、造船、重型机械等大型零件加工的理想设备。现有用户需求1 台滑枕移动式数控落地铣镗床，主要用于加工矿山机械设备的转筒零件，转筒零件的直径范围为7～16 m，直径超过9 m 的转筒组件一般由三瓣零件组成，每二瓣零件之间使用双头螺栓和厚螺母联接，使用数控落地铣镗床加工转筒零件每二瓣之间的结合面和结合面上的通孔、反划沉孔。转筒零件有效加工高度为7 m，用户要求数控落地铣镗床主轴箱垂向Y 轴行程在8 m 以上。但目前，使用滚珠丝杠传动结构的传统数控落地铣镗床主轴箱垂向Y 轴行程一般小于6 m，原因是当主轴箱行程超过6 m 时，由于滚珠丝杠的摆动和挠曲变形非常大，使机床的定位精度和滚珠丝杠的寿命降低严重，难以使用。由于用户要求该数控落地铣镗床主轴箱Y 轴行程为8 m，Y 轴如果仍使用滚珠丝杠传动结构，滚珠丝杠零件自身的长度将达到9 m 长，其精度和寿命已完全不能满足机床的使用要求。

为了解决上述难题，笔者公司研制了在数控落地铣镗床Y 轴使用交流伺服电动机经减速器降速后通过一对高精度齿轮驱动静压蜗杆(图1a)、蜗母条传动的结构。Y 轴使用光栅尺进行主轴箱位置检测，形成闭环控制。由于蜗母条由多节组合而成，且固定在立柱双导轨之间的外壁上，蜗母条与立柱外壁之间使用多个螺钉和销钉固定，因此蜗母条与立柱之间的联接刚度非常高。静压蜗杆、蜗母条传动结构是笔者公司在数控重型卧式车床上已成功使用多年的成熟结构，经在主轴箱行程为8 m 的数控落地铣镗床上使用后验证，该主轴箱垂向Y 轴的定位精度非常高。静压蜗杆、蜗母条传动结构彻底解决了主轴箱Y 轴行程超过6 m 时，传统滚珠丝杠传动结构由于精度和寿命低而不能使用的问题，并突破了滚珠丝杠传动结构对数控落地铣镗床主轴箱Y 轴行程不能超过6 m 的限制。静压蜗杆、蜗母条传动结构是笔者公司的核心技术。

静压蜗杆、蜗母条传动结构具有如下特点:

(1)啮合牙表面处于纯液体摩擦状态，摩擦系数小，动静摩擦系数差异小，传动效率高，可实现无接触传动。

(2)传动精度高、精度保持性好，使用寿命长。

(3)油膜刚度大、相当于无间隙传动，正反向定位精度高。

(4)油膜具有良好的吸振性能。

(5)适用于高速重载传动。

(6)静压蜗杆、蜗母条的制造成本高，并且需要一套流量稳定、过滤严格的静压供油系统。

笔者公司生产的数控落地铣镗床主轴箱结构吸取了国内外多项先进技术，现将主轴箱的结构特点和3种精度补偿装置介绍如下:

1 主轴箱结构(图1b)特点

(1)铣削主轴使用超精密滚动轴承定位，主轴轴承由单独的润滑管润滑，主轴轴承安装在冷却套内，通过控制用于冷却套和轴承的冷却油温度，将铣削主轴、主轴轴承和镗轴的温度控制在合理的范围内。通过合理选择主轴轴承的精度和游隙，合理控制主轴轴径、冷却套轴承安装孔的配合公差的方法，保证主轴轴承热稳态时的精度处于最佳状态。通过对铣削主轴组件进行整体动平衡的方法，将主轴组件的整体不平衡量控制在最小范围内，尽可能地减小主轴组件的整体不平衡量，将主轴轴承发热引起的变形降至最小。通过使用上述方法，大大提高铣削主轴和镗轴在热稳态时的精度和精度保持性，大大延长了主轴轴承的寿命。

(2)镗轴芯部装有自动刀具夹紧、放松装置，刀具使用碟簧夹紧、液压放松结构，刀具可在镗轴伸出的任意位置夹紧与松开。在镗轴芯部刀具锥孔处装有瓣爪组件，瓣爪组件的后部装有刀具拉紧用碟形弹簧片组，在镗轴后端装有刀具放松油缸，刀具最大放松力50 kN。刀具的夹紧放松由装在刀具卡紧油缸处的2 个无触点开关反馈刀具夹紧、放松位置信号。在镗轴芯部装有刀具锥柄吹风装置，在活塞中心至前锥孔处设置有主轴刀具锥柄清洁用进气孔，在镗轴的后部装有与镗轴对接的旋转接头，旋转接头后端装有气源进气用管接头，气源压力为0.6 MPa。刀具锥柄吹风装置主要用于清洁刀具锥柄，清洁时间由刀具松开时开始至刀具拉紧时为止。该滑枕可以装夹直角铣头、万能铣头等附件头。装夹功能附件头时，滑枕先轴向进给接近附件库中的任一附件头，滑枕位置由X 轴、Y 轴、W 轴坐标确定，当接近附件头至一定距离时，滑枕端部开始吹风，清洁附件头端部。瓣爪组件在液压放松油缸的作用下向前伸出，瓣爪组件拉紧附件头拉紧钉尾部，液压失压，同时空气吹风停止，碟簧组动作，将附件头紧固在滑枕端部。

(3)Z 轴镗轴和W 轴滑枕的进给结构使用交流伺服电动机经一对高精度齿轮降速后驱动滚珠丝杠转动，驱动滚珠丝杠螺母、镗轴、滑枕作进给运动。Z 轴、W 轴的滚珠丝杠前后两端定位轴承使用高精度滚珠丝杠组合轴承，滚珠丝杠使用双推对双推的高精度轴承定位结构。镗轴Z 轴为半闭环控制，W 轴为闭环控制，W 轴检测元件为光栅尺。通过使用上述结构，保证了Z 轴、W 轴非常高的定位精度。主轴的转速反馈和主轴的位置定向停由安装在主轴后部松刀装置处的主轴位置测量装置控制。该测量装置由同步齿形带驱动编码器与主轴同步，完成镗轴转速及位置定向停检测。

(4)主轴箱后部装有机床的主传动系统，主传动由西门子1PH7 电动机驱动。主传动系统有三档机械自动变速，变速通过液压系统实现。变速油缸直径为55 mm，活塞杆直径35 mm，液压油压力为2 MPa，活塞行程135 mm，变速位置由2 个行程开关控制，再经电气调速使主轴获得所需的转速范围。

2 主轴箱3 种精度补偿装置结构

机床带有3 种精度补偿装置，分别是:主轴箱倾角补偿、滑枕挠度补偿和滑枕附件头重量平衡装置。

(1)主轴箱倾角补偿(图1d):主轴箱的重力系统由主轴箱、主轴箱滑座、滑枕组件等零件的重力组成，当滑枕缩回时，整体重力被立柱内部的平衡锤通过钢丝绳的拉力所平衡。当滑枕伸出时，整个主轴箱系统的重力发生变化，重心向方滑枕移动方向平移，而平衡锤平衡钢丝绳的拉力位置不变，与原力系比较，增加了一个滑枕伸出而变大的扭矩。在主轴箱的上部前方及后部下方各有一个平衡钢丝绳座，一根钢丝绳通过固定在立柱顶部和底部的定滑轮组把这两点联结起来。在滑座的后部装有液压油缸拉紧装置，在滑座上产生一个矫正扭矩，使钢丝绳张紧，将主轴箱的前方向上拉，同时将主轴箱的后方向下拉，形成一个与滑枕重心移动产生的力矩方向相反的力矩，这样就使主轴箱力系达到了新的平衡，避免滑枕伸出滑座和安装附件加工时产生的变形引起的加工误差。

(2)滑枕挠度补偿:滑枕挠度变形补偿采用油缸组的补偿方式，在滑枕上部左右两角装有二组补偿油缸，每组由3 个φ80 mm 油缸叠加组成，行程最大5 mm。液压油缸由电液比例阀控制，随滑枕伸出而增加油压，随着滑枕的收回而降低油压，在滑枕伸出任意位置时，根据光栅尺反馈滑枕的不同位置信号，通过程序自动控制液压油压力，保证滑枕移动时的平直。

(3)滑枕附件头重量平衡装置:滑枕前导轨下部设有附件头重量补偿油腔，经电气识别万能铣头、直角铣头、平旋盘等附件，由数字式电液比例阀控制油腔液压油的压力，并且液压油的压力随方滑枕的位置变化而变化，以此来平衡附件头的重力及附加的扭矩。

3 结语

通过在主轴箱垂向Y 轴行程8 m 的数控落地铣镗床上使用静压蜗杆、蜗母条传动结构，提高了数控落地铣镗床Y 轴的工作精度和使用寿命，满足了用户加工矿山机械转筒零件时，零件有效加工高度大于7 m 的实际需要。该产品为笔者公司创造了良好的社会效益和经济效益。