铣床主轴箱设计

毛秋林

摘 要：铣床主轴箱是铣床的重要装备件，是铣床的输出端，对铣床输出的转速及加工精度起主要作用。分析铣床主轴箱设计，从而为铣床主轴箱设计提供更加广泛的思路。

关键词：铣床;主轴箱;设计

1 铣床传动轴的设计

实际铣床传动轴的质量是连续分布的，用基于集中参数的模型来表示这样的铣床传动轴会导致分析结果与精确模型之间的差异，这些差异随着模型中集中点的数量而减少。将具有分布质量的铣床传动轴划分为几个较短的单元，用第i个单元的质量、弹性和阻尼等集中参数来描述，可以得到与将轴划分为无限个单元时所得结果基本相同的计算机模拟结果，与波模型相对应。上述划分过程称为运动结构的离散化，对应于铣床传动轴的多质量集中参数模型。

为了展示铣床传动轴模型的综合，采用了以下假设：铣床传动轴是弹性元件，在集总参数模型的情况下，轴被分成有限个相同的单元，其参数（弹性、质量和耗散）相同。

在分布参数模型的情况下，轴被分成无限多个相同的单元，这些单元的参数是相同的;轴由特定的（每单位长度）常数参数表示：特定的惯性矩J′，轴内粘滞摩擦系数D′和扭转敏感系数S′c，圆周运动由角速度表示，而轴偏转则省略，

轴内的粘性摩擦也用集中阻尼参数D1m和Dm1表示，为轴的每个元件定义角速度和扭矩。在上述假设的基础上，将铣床传动轴的运动结构（图1）转换成m个离散单元，其中，J1，…，Jm，Cs，12，…，Cs，m-1，m，Sc，12，…，Sc，m-1，m，D12，…，Dm-1，m是惯性矩，扭转刚度系数，扭转敏感系数（Sc=1/Cs）和分离铣床传动轴各元件内的粘性摩擦系数;D1，Dm是为轴承定义的摩擦系数。

根据机电能转换理论，广义坐标是机械系统中的力或力矩和电路中的电压，而广义速度是机械系统中的速度或角速度和电气系统中的电流。因此，铣床传动轴的参数与输电线路的参数相等，即转动惯量等于电感，扭转敏感度等于电容，摩擦系数等于阻力，轴内的粘滞摩擦系数等于电导的倒数。采用上述类比，并考虑到铣床传动轴的特殊性，建立了铣床传动轴的等效电路。

为了验证所提出的长铣床传动轴建模算法在输电线路上的有效性，进行了仿真设计。在第一步中，算法C++编写的计算机程序由研究小组编写。采用开放式自由软件编写仿真程序。开发一个独立的仿真程序可以优化算法代码，该算法代码将在将来用數字信号处理器在逆变器中实现。仿真包括无刷直流电动机（BLDC）的全控制模型，建立的长铣床传动轴模型和直流发电机模型。在仿真中，根据真实的实验室设置元素，选取了4kw无刷直流电动机和长0.66m、直径0.008m的钢制铣床传动轴的参数。

2 铣床带轮的设计

铣床带轮是一个具有大量振动源的高度复杂的动态系统，它具有足够的弹性，具有不同的自由度与灵活性。铣床带轮的作用力完全取决于激振力的强度、周期性出现的时间间隔以及作用的持续时间。在铣床带轮设计中，可以采用以下方案。

铣床带轮安装在一根长横梁上，这样结构支架就远离电动机的重心，传动总成就安装在随电动机移动的动臂上。铣床带轮位于短梁上，因此结构支架大致低于电机的重心。驱动组件位于动臂上，并随动臂一起移动。铣床带轮安装在铣床机的固定底座-底梁上，在这种情况下，铣床带轮会形成一个非常独立的系统，带者铣床带轮独立移动。

3 铣床齿轮的设计

为了更好地了解铣床齿轮设计过程，图2显示了带有工业机器人的铣床齿轮的示意图。铣床有16个齿轮，在铣床齿轮中，采用1F1E结构，在同一组相邻的两个铣床齿轮之间设置间隙，安装铣床齿轮，驱动铣床齿轮。铣床齿轮有1个主轴，如图1所示的坐标系所示;机器人效应器末端的旋转中心为原点，X、Y和Z轴如图所示。指第i（i=1，2，…，n）个铣床齿轮在第j（j=1，2，…，m）根轨道上对芯轴施加的力，可根据实际情况得到;设计铣床齿轮与Z轴的夹角、铣床齿轮的角速度、铣床齿轮与水平面在X-Y平面上的投影角。在铣床齿轮设计过程中，铣床齿轮沿顺时针方向移动，牵引系统用芯轴牵引机器人，使芯轴沿铣床齿轮中心移动。

铣床齿轮的传动链由许多传动结构组成，包括传动轴、轴承、托架和轴套。铣床主轴箱系统的一个关键结构是铣床齿轮，优化铣床齿轮啮合以减小振动是提高铣床性能的有效途径。齿面摩擦系数受齿面微观形貌、润滑状态、啮合位置等多种因素的影响。利用库仑模型和光滑库仑模型等摩擦系数预测模型对铣床齿轮的摩擦系数进行了预测。

建立直铣床齿轮系统三维有限元模型的过程。首先，利用HYPERMESH软件和ANSYS软件对驱动轴和从动轴进行有限元分析。利用Craig-Bampton组件模态综合技术可以生成降阶模型。然后，驱动铣床齿轮。最后，利用Newmark-β积分法推导并求解动力学方程。

铣床齿轮系统传动轴的三维有限元分析中，通过建立铣床齿轮三维模型的方式，这个模型有3000多个节点和9000个自由度，直接求解模型是非常耗时的。因此，动态分析需要一个降阶模型。构件模态综合技术是一种有效的模型降阶方法，本次设计采用Craig-Bampton（CB）组件模式综合方法。根据铣床齿轮系统的结构特点，将主轴箱（包括小铣床齿轮和轴）的三维有限元分析分为两个子结构，它们分别被命名为轴子结构和铣床齿轮子结构。两个子结构的界面是铣床齿轮的轴孔，对CMS在该模型中的主要应用作了简要的总结。

假设驱动轴的物理坐标可以表示为：

其中下标“i”和“j”分别表示内部节点自由度和接口节点自由度。“P”是指铣床齿轮，“K”表示用来连接模拟齿轮接触的弹性基础的固定自由度，以及上标“S”代表轴下部结构。

通过有限元分析软件得到了轴子结构的质量和刚度矩阵，并按如下顺序排列：

得到了独立模型坐标系下驱动轴和从动轴的质量矩阵、刚度矩阵和力矢量。它们之间的关系需要通过一对配对的铣床齿轮来建立。利用PASTHARNAK基金会模拟铣床齿轮接触。铣床齿轮模型设计中，一对啮合铣床齿轮被同化为两个不同的基础。两个基础通过一些独立弹簧串联在一起，弹簧用于模拟接触刚度。假设两个基础位于作用平面内，两个啮合齿的铣床齿轮接触刚度可以由通过组合所有质量矩阵、刚度矩阵和力矢量，可以得到铣床齿轮参数的动力学方程。铣床齿轮设计中，分别是铣床齿轮系统的三维有限元的质量矩阵、刚度矩阵和位移，建立耦合刚度矩阵和铣床齿轮系统的三维有限元。

在铣床齿轮有限元模型设计中，分析铣床轮齿面裂纹对振动响应的影响。然而，铣床齿轮剥落故障也是工程应用中常见的故障类型，剥落故障通常发生在铣床齿轮的节线附近。铣床齿轮剥落缺陷在节线附近被建模为矩形剥落。假设铣床齿轮在剥落后不与从动铣床主轴箱接触，则剥落区的接触刚度将被移除。

4 主轴组件设计

本机床功率为中型功率，为了简化结构，主轴采用了轴向后端定位的两支承主轴组件。前支承采用3182118型双列圆柱滚子轴承，后支承采用46214型角接觸球轴承和8215型单向推力球轴承。为了保证主轴回转精度，主轴前后轴承均用防松螺母调整轴承的间隙。主轴前端采用短圆锥定心结构。前轴承为C级精度，后轴承为D级精度。

5 润滑系统的设计

主轴箱内采用飞溅式润滑。油面高度为65mm左右，甩油轮浸油深度为10mm左右。润滑油型号为：HJ30。卸荷皮带轮轴承采用脂润滑方式。润滑脂型号为：钙质润滑脂。

6 密封装置的设计

Ⅰ轴轴颈较小，线速度较低，为了提升密封能力，本次设计采用接触式密封的方式。铣床主轴的直径非常大，而且运行速度快，应该结合非接触式密封的方式。皮带轮的密封应该结合毛毡式密封，从而有效的防止异物与其接触。

7 结语

铣床主轴箱对铣床的运行产生重要的影响，因此，应该完善铣床主轴箱的设计，从而提升铣床运行的效率，有效的降低故障率发生。在铣床运行中，要结合主轴箱的运行情况，进行各类子部件的设计，通过有限元分析的方式，提升设计精度。

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