数控落地铣镗床主轴箱设计

谭广巍

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

数控技术在落地铣镗床中的有效应用，是促进我国制造业向着自动化、集成化发展的主要途径，其中广泛应用CAD、FMS、CIMS等数控技术，能够全面提高零件加工的精度，数控机床的应用是现代化零件加工的主要途径，想要做好数控落地铣镗床主轴箱的动态化平衡，就需要通过合理的控制方式，增加立柱的受力，因此需要做好控制系统的设计，保证机床零部件之间的有效连接。通过液压控制原理的有效应用，助力数控落地铣镗床工作的稳定运行，同时还需要工作人员做好PLC硬件选择和主轴箱有限元模型的建立，做好有限元静力分析。

1 主轴箱有限元模型的建立

我们在进行主轴箱有限元模型建立过程中，可以分为预处理、网格划分、边界条件处理和再处理等四方面，结合实际设计经验保证箱体的导轨处刚度值符合相应的加工标准，通过对箱体和箱盖连接处的局部应力值计算，了解主轴箱的实际刚度，如果刚度过小，需要采用螺旋连接的方式进行简化处理，为网格划分和求解奠定良好的基础。一般情况下，单元网格划分过程中，会通过八个节点进行定义，每个节点都会沿着固定的方向进行平移，不同单元之间具有一定的弹性和应力，通过蠕变和大应变能力将主轴箱划分为多个单元和节点，边界条件处理主要是在有限元计算过程中的关键性因素，是主轴箱结果分析不可替代的重要条件。通过边界条件处理了解主轴箱的实际工作状态，制定出合理的有限元加载条件，保证箱体的前导轨和立柱前道轨之间处于紧密贴合状态，要对导轨起到一定的约束，主轴箱在实际工作过程中具有应用情况复杂、处理困难等特点。因此，需要结合实际制定动力学仿真模型，分析主轴箱在刚度最差时所处的工作情况，结合空间力系分析，做好滑枕镗杆的装配体和后尾筒装配，由于主轴箱的箱体较重，因此需要充分了解重力对刚度的影响，通过有限元模型的建立分析主轴箱的受力情况。

2 数控落地铣镗床主轴箱系统设计

2.1 机床零部件之间的有效连接

在进行数控落地铣镗床主轴箱的工作设计过程中，需要充分了解主轴箱是通过丝杆转动沿着静压导轨进行上下运动的，滑枕是通过丝杆的传动做左右水平运动的。因此，在实际工作开展过程中，滑枕的深处，会受到附件安装的压力，从而导致主轴箱的前端可能出现向下倾斜的问题，不利于加工精度的提高，甚至会对加工的刀具造成不可挽回的破坏，因此需要采用plc液压控制技术的有效应用，保障液压系统流量与压力在即定的范围内，提高数控落地铣镗床主轴箱的平衡性。一般我们会通过液压单向阀和液压缸之间的有效连接，保证主轴箱在进行上下运动时，通过传感器检测阀芯所处的位置，实现运动信号的随时传输，将位置信息反馈到控制器中，通过指令电压之间的比较了解实际运行情况，及时的通过导阀线圈电流控制阀心的移动，根据电压的大小值判断阀芯的位移情况，从而得到机械工作过程中所需要的流量，控制好活塞杆地移动情况。

2.2 液压控制的基本原理

当主轴箱出现上升状态时，压力油就会通过阀芯进入到液压缸的上腔，从而推动活塞杆向下进行运动，恢复主轴箱运动轨迹，当主轴箱出现向下运动的情况时，需要通过有效的连接保证液控单向阀，通过左腔回流油箱恢复主轴箱的运动状态。

2.3 超精密滚动轴承定位

主轴轴承一般是由单独的润滑管进行润滑的，将主轴轴承安装在冷却套中，通过适当的控制从而有效地将主轴轴承温度控制在合理的范围内，通过配合公差的计算方式，保证主轴轴承温度的稳定性，通过对主轴组件之间的平衡性分析，减小主轴组件的不平衡量，从而全面提高主轴和轴承在发热状态下的产品生产精度，加大主轴轴承的使用寿命。

2.4 主轴箱的倾角补偿

在进行主轴箱重力系统设计的过程中，需要结合主轴箱、主轴箱滑座，主轴组件等多种零件之间的重力组成，保证主轴箱的平衡性，一般情况下滑枕伸出时，主轴箱的系统重力会发生变化，主轴箱的整体重心会向滑枕方向进行移动。为了保障主轴箱的平衡性，需要保证钢丝绳的位置处于不变，增加滑枕伸出的扭距，在主轴箱上前方和后下方各设置平衡性钢丝绳座，从而固定立柱顶部和底部的定滑轮组，形成滑枕重心，产生与原平移力矩方向相反的力矩，保证主轴箱力矩达到新的平衡，减少加工误差。

2.5 自动化刀具控制装置

一般情况下，在镗轴芯内部会设置碟簧和液压进行刀具夹紧、放松的控制，保证镗轴伸出时，任意刀具位置的夹紧和放松，同时还可以通过无触点开关对刀具的夹紧和放松情况进行反馈，在活塞中心前锥孔处设置主轴刀具清洁进气孔，在清洁的过程中，保证刀具随时松开和夹紧。

3 数控落地铣镗床主轴箱设计分析

3.1 静力分析

这一分析模式需要通过有限元软件设计模型的建立，保障主轴箱体在受载之后的应力计算结果准确性，根据主轴箱应力值推断出主轴箱与滑枕接触面运行情况，判断主轴箱的实际强度，如果没有满足相应的强度要求，说明所选择的材料所具有的破坏能力还有待开发。当前我国在进行数控铣镗床主轴箱设计的过程中，设计流程过于保守，相关工作人员还需要结合以往的设计经验对结构进行优化，更好地减轻主轴箱的承载重量，通过对主轴箱设计后的变形等值线图分析，了解滑枕与主轴箱接触的端面结构变形情况，希望能够更好的满足在当下主轴箱的承载条件，提高铣镗床主轴箱所具有的加工精度。结构静力分析的主要作用是计算在固定不变的荷载下，如何实现结构之间的响应，主轴箱的改进需要以增强刚度为主要目的，因此需要改进后箱体结构接近封闭的刚体，了解改进前后主轴箱有限元模型的不同之处，适当的增加螺栓预紧力，对当前有限元模型节点进行求解。

3.2 模型状态分析

通过有限元软件的有效应用，能够对主轴箱的模型状态进行详细的分析，计算出整体结构所具有的振动特性，通过震动频率和震动类型的分析，了解模型的多阶模态，一般情况下，我们会通过数学向量进行递归计算，这种计算方式被广泛应用到模型形状的实体和单元情况分析的过程中，通过对有限元模型施加约束力。考虑主轴箱重力的影响情况，通过不同阶段频率和振型结果的分析，了解该设计条件是否满足低速加工的设计需求，如果得出结论与主轴箱的动态特性不符，就需要适当的优化主轴箱的内部结构，全面提高主轴箱整体的刚性和硬度。

3.3 动态优化设计分析

在进行主轴零部件的动态优化设计过程中，主要指的是设计并修改现有的设计结构，结合预先给出的动态特性，满足动态特性的基本要求，传统的优化设计方案只能简单的解决设计结构和自由度的系统问题，对一些复杂的系统运行情况得不到改善。因此我们需要结合灵敏度分析以及动力修改的方式，对当前主轴箱设计所蕴含的敏感性参数进行修改和试探，使其符合设计需求，主轴箱零部件动态化设计需要以有限元动态学模型的建立为基础，结合动态特性进行详细的设计分析，主轴部件有限元模型的建立，能够简化设计步骤，将主轴箱对主轴所具有的弹性，转化为轴承的刚度进行充分的考量。我们在进行数控铣镗床主轴箱设计和改进的过程中，不能将主轴箱作为主轴部件，有限元模型的构成要以计算振型作为重点对象，结合计算分析得出设计结果，通过对主轴部件的固有频率计算，了解动态模型的动力响应情况，从而仔细的研究系统各界的分布模态。

4 总结

机床在实际工作开展的过程中，需要保证主轴箱的平衡补偿，全面提供零件加工的精度，改善立柱的受力，还需要在控制系统建立的过程中，合理的应用液压控制对主轴箱进行平衡补偿。同时还需要明确PLC控制系统的有效应用，具有稳定性强、抗干扰能力强等特点，通过其与上位机之间的有效连接，从而更好地实现远程生产控制，从根本上满足工艺发展要求，通过三维设计软件的有效建立，让工作人员通过对主轴箱立体模型的观察，了解主轴箱的应力和变形环境，通过适当的改善条件，增强主轴箱刚度，优化主轴箱结构。