机床性能范文（精选8篇）
机床性能 第1篇
1 机床机械结构的优化方案
我们知道, 数控机床是一种根据已有数控程序或者录入的数字信息指令进行自动化加工的设备。长时间的工作之后, 机械很容易会发生一定程度上的变形, 而这种几何精度上的误差很难在加工工作中人为的进行修复和调整。所以, 一定要争取把机械结构部分的变形率降到最低, 保证加工部件的质量和精度。机械结构中, 主轴承受的劳动强度较高, 不仅要选取三支撑的构造方式, 在选择轴承的方面也要注意刚度的要求, 只有这样才能减少主轴在轴向以及径向上的磨损和变形。对于机床上机械结构的大件, 要提高刚度首先应该对床身进行封闭处理, 通过液力平衡减少位置的变动, 减少机床的变形。机床的承载能力也就是对机床部件之间接触刚度的要求, 应用刮研的手段能够使接触面的接触点增加, 并能够使结合面的预加载荷满足较大压力的需求。以上几种措施都能够使接触面的刚度得到有效的增强。
为了保证数控机床的加工能力, 在对静态刚度进行强化之后, 还要进行动态刚度的提高。目前, 常用的提高动性刚度的方法有三种, 系统刚度的提高、部件的调整以及阻尼的增加。其中, 增加阻尼系数是比较常见也是最有效的方法, 事实证明, 调整抗振性的有效方法就是加强阻尼。焊接结构的钢板不仅能够提高静态刚度、减轻重量负担, 还能够达到加大阻尼的效果。最近几年, 数控机床的床身、工作台、横梁和立柱多数采用钢板焊接, 还有部分机床采用封砂铸件, 在减少振动、提高抗振性方面也有很好的效用。
机床工作过程中, 内部的热源会产生热量, 而热量也是造成变形的主要原因之一。为了最大限度的减少热变形, 应该使热源尽可能远离机床主机。只有采用有效地减少热源的行动, 才能缓解热变形的问题。一般来说, 想要将数字机床的内热源和外热源全部消除是不可能的, 所以, 我们只能通过散热和冷控的处理来进行机床温度的调节, 把热变形的可能降到最低。对机床发热的部位进行强制性的冷却处理是常用的有效手段, 也可以采用对机床低温部分进行加热的手段, 目的是保证机床的各个部位在温度上尽量保持一致, 来减少由于温度原因产生的变形。我们就以主轴箱为例, 应该把主轴部分的热变形尽量控制在垂直于切入点的方向上, 这样做能够最小化热变形对加工零件的直径的影响。从结构上来说, 减少主轴中心与垂直地面的距离可以有效减少热变形的发生, 同时使主轴箱的温升保持一致, 避免主轴发生倾斜。
滚珠丝杠在数控机床中的作用非常重要, 由于滚珠丝杠的工作环境载荷大而且散热条件比较差, 造成丝杠特别容易发热。一旦滚珠丝杠发热, 特别在开环系统中内, 会造成定位的不精确。现在一些人采用预拉的手段预防丝杠的变形, 但是这种方法不能从根本上消除丝杠的变形, 这种情况可以通过补充脉冲来进行修正。
2 机床性能优化的策略
主传动的变速系统在数控机床中的作用十分重要。一般应用到大中型机床中的是带有齿轮的传动系统, 采用少数的几对齿轮来调整速度, 能够满足主轴对于输出扭矩方面的需求。还有一些小型的的数控机床也会用到这种传动系统, 因为这样的扭矩能够提供更强的动力。大部分的小型机床采用皮带传动的方式, 皮带传动的方式不会像齿轮传动那样发出较大的噪声, 同时也能有效地较少振动, 但是在主轴的选用上比较严格, 需要进行配套。还有一种通过调速电机进行驱动的方式, 它对主轴和主轴箱体进行了结构上的简化, 极大地增强了主轴各个部件的刚度, 但是也存在输出扭矩较小的问题, 同时主轴的精确度容易受到热影响。
数控机床主轴系统性能的优化对于机床的生产能力具有至关重要的作用。数控机床常采用的主轴, 一种是在前后部位选用不同的轴承进行支撑, 其中前轴是采用短圆柱和向心推力轴承的组合, 后轴则是选用具有向心推力的球行构造。这样的配置组合能够加大主轴的综合性刚度, 使机床具有更强的切削能力, 所以在数控机床中的运用也比较普遍。对于载重较轻、运转高速的数控机床一般则会在前轴设置精度较高的、具有向心推力的轴承, 这样的主轴能够在高速状态下保持稳定, 最快转速能够达到每分钟四千转, 他的缺点是承载能力方面较弱。还有一种锥滚之轴承, 可以是单列也可以是双列, 优点是轴承刚度条件好, 承载能力强, 在较强的动力载荷情况下, 也能够进行较好的调整, 但是存在精度不高以及转速低等问题, 适用于重载和精度较低的数控机床。在主轴的结构方面, 要处理好各个零部件的安装以及位置调整, 对于密封、润滑等工作也要给予足够的重视。
联轴器是进给系统中的主要部件, 它起到连接两根轴承的作用, 是保证两根轴进行统一传动的装置。联轴器的种类比较多, 主要的有电磁、液力和机械三种形式, 其中机械式的使用最为普遍。套筒联轴器的机械结构比较简单, 相对来说尺寸也比较小, 但是安装起来却比较麻烦, 所以应用有限。绕行联轴器通过锥形夹来进行电荷的传递, 所以电力的传送在方向上没有阻隔。凸缘式联轴器同样具有简单的构造, 并且生产成本非式进行优化后, 就能够给予电厂运作时的自主选择权利。而且在负荷情况下的自动调度速度加快, 在电厂的煤耗经济性上也带来较大的帮助。文中所提到的优化研发系统已经被投入到相应的电厂生产运作, 且生产状况良好。
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(上接第57页)
常低, 能够完成较大扭矩的传输工作, 但是它也存在着比较大的不足, 就是对两轴的性能要求较高。一旦两轴之间发生倾斜或是产生位移, 会造成数字机床工作环境的恶化。
3 结论
由数控机床通过编好的程序来指导工作的原理决定, 数控机床在工作过程中, 进行外界的调整是不容易实现的, 这就要求我们对数控机床自身的性能进行不断的改进和调整。从机械结构和性能两方面进行不断的优化, 能够保证数字机床进行长期和精准的工作。
摘要：本文介绍了数控机床工作的基本原理以及技术特点, 分别从机床的机械结构和性能两个方面进行了优化分析, 并针对具体的情况给出了提高数控机床生产力的建议。
关键词：数控机床,性能优化,机械结构
参考文献
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数控机床的主要性能指标 第2篇
一、数控机床的精度
精度是数控机床的重要技术指标之一。精度主要指加工精度、定位精度和重复定位精度。
1、定位精度和重复定位精度
定位精度是指数控机床工作台等移动部件实际运动位置与指令位置的一致程度，其不一致的差量即为定位误差。
定位误差包括伺服系统、检测系统、性进给系统等误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。
重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。
重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。
一般情况下，重复定位精度是成正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。
2、分度精度
分度精度是指分度工作台在分度时，实际回转角度与指令回转角度的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。
3、分辨率与脉冲当量
分辨率是指可以分辨的最小位移间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小位移；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量，即数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量，一般称为脉冲当量。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。
脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。
4、加工精度
近年来，伴随着数控机床的发展和机床结构特性的提高，数控机床的性能与质量都有了大幅度的提高。中等规格的加工中心，其定位精度普通级达到(±0.005∽
±0.008)mm/300mm，精密级达到±0.001∽±0.003mm／全程；普通级加工中心的加工精度达到±1.5μm，超精密级数控车床的加工圆度已经达到0.1μm，表面粗糙度为Ra0.3 μm。
二、数控机床的可控轴数与联动轴数
可控轴数是指数控系统能够控制的坐标轴数目。该指标与数控系统的运算能力、运算速度以及内存容量等有关。目前，高档数控系统的可控轴数已多达24轴。
数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。目前有两轴联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。三轴联动数控机床可以加工空间复杂曲面；四轴联动、五轴联动数控机床可以加工宇航叶轮、螺旋桨等零件。
三、数控机床的运动性能指标
数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、回转轴的转角范围、刀库容量及换刀时间等。
1、主轴转速
目前，随着刀具、轴承、冷却、润滑及数控系统等相关技术的发展，数控机床主轴转速已普遍提高。以中等规格的数控机床为例，数控车床从过去的1000∽2000r/min提高到4000∽6000r/min，加工中心从过去的 2000∽3000r/min提高到现在的10000r/min以上。在高速加工的数控机床上，通常采用电动机转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴达到每分钟数万转。这样对各种小孔加工以及提高零件加工质量和表面质量都极为有利。
2、进给速度和加速度
数控机床的进给速度和切削速度一样，是影响零件加工质量、加工效率和刀具寿命的主要因素。目前国内数控机床的进给速度可达10～15m/min，国外一般可达15～30m/min。
进给加速度是反映进给速度提速能力的性能指标，也是反映机床加工效率的重要指标。国外厂家生产的加工中心加速度可达2g。
3、坐标行程
数控机床坐标轴 X、Y、Z 的行程大小，构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。
4、刀库容量和换刀时间
刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量。目前常见的中小型加工中心多为16～60把，大型加工中心达100 把以上。
换刀时间指有自动换刀系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需要的时间。目前国内生产的数控机床的换刀时间可达到4∽5s。
刀库容量和换刀时间对数控机床的生产率有直接影响。
数控机床的规格指标
¡规格指标是指数控机床的基本功能，主要有以下几方面。
¡1.行程范围
¡行程范围是指坐标轴可控的运动区间，它是直接体现机床加工能力的指标参数，一般指数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小构成的空间加工范围。
¡2.摆角范围
¡摆角范围是指坐标轴可控的摆角区间，数控机床摆角的大小也直接
影响加工零件空间部位的能力。
¡3.主轴功率和进给轴扭矩
¡主轴功率和进给轴扭矩反映数控机床的加工能力，同时也可以间接
反映该数控机床的刚度和强度。
¡4.控制轴数和联动轴数
¡控制轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目。联动轴数是指机
床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目，它反映数控机床的曲面加工能力。
¡5.刀具系统
¡刀具系统主要指刀库容量及换刀时间，它对数控机床的生产率有直
接影响。
¡1.6.2 数控机床的精度指标
¡1.分辨率和脉冲当量
¡分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。脉冲当
量是指数控控制系统每发出一个脉冲信号，机床机械运动就产生一个相应的位移量，通常称其为脉冲当量。
¡2.定位精度和重复定位精度
¡定位精度是指数控机床工作台等移动部件所达到的实际位置的精
度。
¡重复定位精度是指在相同的条件下，采用相同的操作方法，重复进
行同一动作时，所得到结果的一致程度。
¡3.分度精度
¡分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际
回转的角度值的差值。
¡数控机床的运动指标
¡1.主轴转速
¡数控机床的主轴一般均采用直流或交流主轴电动机驱动，选用高速
精密轴承支承，保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度和抗振性。目前，数控机床主轴转速已普遍达到（5000~10000）r/min，甚至更高。
¡2.进给速度
¡数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。目前国内数控机床的进给速度可达（10~15）m/min，国外为（15~30）m/min。
¡1.平均无故障时间（Mean Time Between Failures，MTBF）
¡MTBF是指一台数控机床在使用中平均两次故障间隔的时间，即数
机床主轴部件静动态性能分析 第3篇
以山东鑫泰数控装备科技有限公司生产的CKGB6136机床的主轴为研究对象。该机床其最高主轴转速为3000 , 进给系统的快移速度为30 。图1为该机床的虚拟装配结果。
该机床主轴轴承采用哈轴HRB精密轴承。机床主轴采用两支承和前端定位结构, 前支承采用内锥孔双列圆柱滚子轴承来承受径向力, 提高机床主轴径向刚度和主轴回转精度, 采用背靠背安装的角接触球轴承来主要承受轴向力, 减小主轴轴向窜动量, 提高轴向刚度;后支承采用背靠背安装的角接触球轴承, 主要承受轴向力。
2有限元模型的建立
有限元模型的建立, 可以在有限元分析软件中直接建立, 也可以采用其他三维实体造型软件建立, 然后通过对应的接口调入分析软件中。本文对于机床及其部件模型的建立都是通过PRO/E来实现的。在建模过程中, 对模型进行了必要的简化, 螺纹、键槽等按实体处理, 忽略了一些局部特征。图3为机床主轴的动力学模型。利用弹簧阻尼单元模拟轴承的弹性支承, 位置取在轴承安装的中间截面处。
主轴的刚度包括径向刚度和轴向刚度, 一般来说, 径向刚度远比轴向刚度重要, 是衡量主轴单元精度和抗振性的重要指标, 通常用来代替主轴的刚度。而且主轴的轴向刚度完全取决于轴承的轴向刚度, 因此在建立有限元模型中只考虑径向刚度影响, 利用四个周向均布的弹簧阻尼单元模拟。由于弹簧布置角度的不同, 分析结构差异很小, 即对主轴固有特性的影响很小, 所以本文则主要针对图4所示的弹簧布置情况进行研究分析。
在有限元模型建立过程中, 每组弹簧阻尼单元采用combin 14单元, 该单元具有一维, 二维或三维应用中的轴向或扭转的性能。弹簧阻尼单元没有质量, 其质量可以通过其他合适的质量单元来添加, 如MASS21等。主轴零件采用Solid 92单元, 该单元有二次方位移和能很好划分不规则的网格, 并且有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化, 大变形, 和大张力的能力。对于主轴支承部分, 在每个圆周截面上沿圆周均布的四个弹簧阻尼单元, 弹簧单元的长度按照各处轴承的内外圈半径确定。外圈节点利用关键点建立, 内圈节点采用硬点建立, 同时弹簧单元的划分数目为1。而所有弹簧阻尼单元的外部节点, 采用全约束限制所有自由度, 对于前端的内锥孔轴承支承内部的四个节点则限制轴向自由度, 其他的节点则是自由状态。
弹簧阻尼单元combin 14的输入数据:
滚动轴承的弹性变形量与载荷不是线性关系, 轴承的刚度也不是恒定值。因此轴承的刚度可以通过经验公式来计算。
C=kd
式中:C——轴承的刚度, N/μm;
k——刚度系数;
d——轴承内径尺寸, mn;
其中由哈轴集团公司提供的刚度系数为:
角接触球轴承70 (00) AC ∶7.3 (DBB)
圆柱滚子轴承NN30∶30 (2μm过盈)
由于阻尼对横向振动固有特性的影响很小, 所以各支承处的弹簧阻尼单元其阻尼都忽略不计。
3静载荷的计算及主轴部件静刚度分析
对于主轴部件而言, 仿真分析主要考虑的外载荷为机床加工过程中的切削力。在实际中使用的切削力计算的经验公式有:指数公式和单位切削力。而本文仿真分析所使用的是指数公式。
主切削力 Fc=9.81CFc·axFcP·fyFc·vnFc·KFc
背向力 Fc=9.81CFp·axFpP·fyFp·vnFp·KFp
进给力 Fc=9.81CFf·axFfP·fyFf·vnFf·KFf
式中KFc, KFp, KFf是各种因素对切削力的修正系数的乘积, 并且
KFc=KmFc·KKrF·Kr0F·KKλsF·KrεF,
其中KmFc——钢和铸铁的强度改变时切削力的修正系数, 当加工材料为结构钢和铸钢时undefined;
KKrF——加工钢和铸铁时刀具主偏角改变时切削力的修正系数;
Kr0F——加工钢和铸铁时刀具前角改变时的修正系数;
KKλsF——加工刚和铸铁时刀具刃倾角改变时的修正系数;
KrεF——加工钢和铸铁时刀具刀尖圆弧半径改变时的修正系数。
静载荷计算输入数据如下表所示:
由计算可得主轴系统的主切削力Fc=2087.1N;背向力Fp=430.2N。有限元模型的加载及分析结果如图6所示:
由图可得主轴的静刚undefined。
根据主轴刚度的经验计算公式计算可知:
主轴模型当量直径:undefined
其中, d1、d2、……、di——主轴简化模型对应各段的直径, mm;
l1、l2、……、li——主轴简化模型对应各段的长度, mm;
主轴挠度:undefined
其中, F——外载荷, mm;
a——前端悬伸, mm;
b——跨距, mm;
dn——主轴通孔直径, mm;
主轴刚度:undefined
将主轴模型对应的各数据带入公式可得Ks=335.6, 与有限元法得到的数据324.3相符的比较好。后经分析, 仿真结果与计算结果之间存在差异, 主要是由于外载荷——切削力的施加位置方式与主轴实际加工时的情况存在偏差, 比如加工时主轴实际所受力的位置等。但是仿真分析结果符合设计所需, 满足要求。
4主轴及主轴部件模态分析结果及其说明
经分析得, 主轴在自由状态下的各阶频率及对应转速如下 (主轴前六阶视为平动, 固有频率为零) :
其中第七阶和第八阶的频率相近, 可以视为分析计算的重根, 模态又相互独立且正交, 所以此时的转速可以看成为临界转速之一。然而本机床的设计最高转速为3000 , 远低于4206 , 所以此情况下的分析结果表明, 此主轴的设计是合理的。
对应主轴附加轴承弹性约束时的各阶频率为 (主轴组件前六阶对应频率为零, 视为平动) :
分析得, 在施加弹簧阻尼约束, 即轴承约束的条件下, 6阶-24阶主轴组件的频率值都很小, 几乎为零, 而第25阶时发生阶跃达到1258.4HZ。并且第一次相互独立且正交的重根出现在第25阶和第26阶时, 其对应转速75504 也远大于主轴组件的设计频率3000 , 所以初步可得该机床的设计转速为合理的, 设计转速范围有效的避开了共振区。
5结语
作为机床最为关键的部件, 对主轴动态性能分析方法的研究毋庸置疑具有重要的理论和现实意义。本文通过对机床CKGB6136主轴部件的有限元建模方法, 特别是探讨及检验了采用弹簧阻尼单元建立轴承支承有限元模型的方法, 并与机床的实际检测参数做了对比分析。有限元分析的结果和实际检测结果符合的比较好, 说明此方法可以应用于类似主轴部件的分析和设计优化方面。但是为了进一步提高仿真分析的精度, 深入对机床关键参数检测的试验是很有必要的。
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数控机床控制性能影响因素的探究 第4篇
1 机床控制性能与采样频率的关系
在数控系统中存在多处采样环节,如果它们 的采样频率取的不合适,会严重影响数控机床的加工精度,甚至导致数控机床不能正常工作。首先,根据香农采样定理[6,7,8]可知:当采样周期太长,或者说采样频率太低时,就会产生频率“混叠现象”,这时加什么样的滤波器都无法将原信号不失真地恢复出来。因此,要使要使输出信号如实的反映输入信号,采样频率必须满足
fs≥2fmax (1)
式(1)中,fmax等于数控机床的截止频率fc[9]。对于传统机床来说fc一般等于30 Hz,从而要求采样频率要大于60 Hz。但高速机床的截止频率会高达300 Hz,从而要求采样频率也要相应地提高到600 Hz。
但仅满足该条件是不够的,采样频率还不能破坏整个系统的稳定性。考虑到速度环增益Kv因子远远大于位置环增益Kp因子,故在框图中速度环可以近似等效为直接连接,而对此处的研究结果没有太大影响。基于以上结论,由up到p的传递函数可以表示为:
undefined (2)
忽略加入零阶保持器带来的离散化影响,只考虑时延的影响,就相当于在式(2)的传递函数的基础上加入了一个时延环节,于是传递函数变成
undefined (3)
式(3)中,L表示采样环节中由于计算和状态读取所造成的时延,可表示成采样周期ΔT的倍数,即L=1.5ΔT或者L=1.5/fs[4]。
应用Pade近似(e-L1s≈(2-L1s)/(2+L1s))对式(3)进行简化,得
undefined (4)
根据稳定性条件,(4)式的特征方程的特征根实部都应该为负值,从而得出:
fs>1.5πfc=4.71fc (5)
可见仅仅满足香农采样定理,使fs≥2fmax并不能满足要求。
2 速度波动与Kp、Kv及ΔT的关系
由图1可知由位置指令up到机床实际位置p的传递函数为
undefined (6)
当输入为斜坡输入的时候,即r=vreft,位置指令up可以表示为
up(t)=vrefΔTU(t-ΔT)+vrefΔTU(t-2ΔT)+…+vrefΔTU(t-kΔT) (7)
式(7)中,U(t)表示单位阶跃输入。
由式(6)和式(7)可以求得系统的速度响应为
undefined
式(8)中,undefined,
undefined。
由系统的速度响应就可以很容易的得出速度的最大波动值,
undefined
式(9)中,undefined。
利用式(9),以KpΔT为横坐标,以相对速度波动ev/vref为纵坐标,分别取增益比Kv/Kp为5、10、15、20,在matlab中可以直观的表示出速度波动和相关参数的关系(如图2)。
利用图2就可以根据已知的机床参数估算出速度波动的大小。例如,某机床的位置环增益Kp=20 s-1,速度环增益Kv=300 s-1,采样周期ΔT=5 ms ,从图2可以看出对应以上参数的速度波动大约是2%。当机床的指令速度vref=1 m/s时,速度波动ev=0.02 m/s。这样有利于在控制器设计及参数选择时有针对性的使速度波动尽可能的减小。
3 机床最大速度与误差寄存器的关系
全闭环数控机床是由位置误差ε来作为控制信号,从而误差寄存器的位数在一定程度上限制了机床的最大速度。由图1所示的控制框图可知,当检测装置检测到一个单位的检测误差ε时,位置环就会产生Kpε的控制信号,即系统能获得的最小速度vmin=Kpε[9]。
若检测装置具有N位的2进制误差寄存器,则N应该满足
undefined (10)
从而
undefined (11)
例如,某机床的分辨率为1 μm,最大速度是10 m/min,位置增益为100 /s,根据式(11),至少需要11位的误差寄存器才能满足要求;如果位置增益为20 /s,则需要至少14位的误差寄存器才能满足要求。增益越低,需要的寄存器的位数越大。
4 机床截断误差与带宽的关系
由于带宽的限制,使输入信号的高于截止频率的分量消耗在中间环节,从而导致输出不能快速准确地复现输入,进而影响机床的精度。为明确加工精度与机床进给系统带宽的关系,研究并仿真了三种不同加速方式下位移指令的频谱及其在有限机床带宽作用下所产生的高频截断误差。图3左边为以最大速度50 m/min,最大加速度10 m/s2,分别采用直线、指数和“S”型三种加减速方式,包括了加速-匀速-减速三个阶段的速度-位移曲线,右边则是对应的位移-时间曲线。
对上述三种加减速方式的速度指令时域过程取频域变换我们可以得到它们的幅频图(图4)。从中我们可以看到直线加速方式高频部分下降慢且有峰值波动;指数方式下降平滑但收敛速度慢;而“S”型下降快速且高频部分无波动。
显见当机床带宽有限(如传统机床之30 Hz)时,高频部分分量将被抑制而不能实现。因此而产生的误差主要出现在速度突变处,从轮廓考虑,即出现在小曲率和曲率突变处。通过在matlab中仿真,使用一个低通滤波器滤除超出机床带而丢失的高频分量,即可得出由此造成的速度截断误差和位移截断误差。图5给出了三种加速方式下,在机床带宽30 Hz情况下所产生的速度截断误差与位移截断误差。
从图5可以看出“S”型加减速的误差远低于其他两种加减速方式。在同样的加速度与精度要求下,“S”型加减速对机床的带宽要求也最低。机床带宽从10 Hz取到200 Hz,最大速度50 m/min,通过一系列仿真实验得出了不同加速度下机床跟随误差与带宽的关系。表1给出了在加精度10 μm要求下不同加减速方式对机床带宽的要求。当采用“S”型加减速,需要求取不同精度要求下的最小机床带宽时可以从图6给出的线图中查取。此部分工作可以用来在设计阶段给出机床的带宽指标,或是用以评价机床能够达到的高速与高精水平。
5 结论
本文详细分析了数控机床采样频率、KpKv因子、误差寄存器和进给系统带宽对数控机床精度的影响,得出了要满足伺服性能要求所需要达到的最低采样频率、KpKv因子的合理选取、所需要的误差寄存器的最小位数以及对机床进给系统带宽的要求,给出了机床精度水平变化与机械结构特性和控制系统性能的内在机理联系,对今后数控机床的认识以至数控机床的主动设计有一定的指导意义。
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基于机床机械结构与性能优化的探析 第5篇
1 提高机床静动刚度
数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿, 所以, 必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内, 以保证所要求的加工精度与表面质量。为了提高数控机床主轴的刚度, 不但经常采用三支撑结构, 而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承, 以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度, 采用封闭界面的床身, 并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度, 增加机床的承载能力, 采用刮研的方法增加单位面积上的接触点, 并在结合面之间施加足够大的预加载荷, 以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度。为了充分发挥数控机床的高效加工能力, 并能进行稳定切削, 在保证静态刚度的前提下, 还必须提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明, 提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量, 又可以增加构件本身的阻尼。因此, 近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减, 对提高抗振性也有较好的效果。
2 减少机床的热变形
机床内部发热时产生热变形的主要热源, 应当尽可能地将热源从主机中分离出去。在采取了一系列减少热源的措施后, 热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的, 甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升, 以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却, 也可以在机床低温部分通过加热的方法, 使机床各点的温度趋于一致, 这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。对于数控车床的主轴箱, 应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。在结构上还应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离, 以减少热变形的总量, 同时应使主轴箱的前后温升一致, 避免主轴变形后出现倾斜。
数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作, 因此丝杠容易发热。滚珠丝杠热生产造成的后果是严重的, 尤其是在开环系统中, 它会使进给系统丧失定位精度。目前某些机床用预拉的方法减少丝杠的热变形。对于采取了上述措施仍不能消除的热变形, 可以根据测量结果由数控系统发出补偿脉冲加以修正。
3 机床性能优化的策略
3.1 主传动运动的变速系统
其一, 带有变速齿轮的主传动。这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速, 扩大了输出扭矩, 以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式, 以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现;其二, 通过皮带传动的主传动。这主要应用在小型数控机床上, 可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。其三、由调速电机直接驱动的主传动。这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构, 有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小, 电机发热对主轴的精度影响较大。
3.2 数控击穿主轴部件
其一, 前后支撑采用不同轴承。前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合, 后支撑采用成对向心推力球轴承。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高, 可以满足强力切屑的要求, 因此普遍应用于各类数控机床;其二, 前轴承采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力球轴承高速时性能良好, 主轴最高转速可达4 000r/min。但是, 它的承载能力小, 因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床;其三, 双列和单列圆锥滚子轴承。这种轴承径向和轴向刚度高, 能承受重载荷, 尤其能承受较强的动载荷, 安装与调整性能也好。但是, 这种轴承限制了主轴的最高转速和精度, 因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。在主轴的机构上, 要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。
3.3 进给传动机械部件
其一, 联轴器。联轴器是用来连接寄给机构的两根轴使之一起回转移传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多, 有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。套筒联轴器构造简单, 径向尺寸小, 但装卸困难 (轴需作轴向移动) 。且要求两轴严格对中, 不允许有径向或角度偏差, 因此使用时受到一定限制。绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷, 可使动力传递没有方向间隙。凸缘式联轴器构造简单、成本低、可传递较大扭矩, 常用于转速低、轴的刚性大及对中性好的场合。它的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜, 救在机件内引起附加载荷, 使工作状况恶化;其二, 减速机构。齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动, 各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入;另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外, 对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。
4 结论
数控机床是按照预先编好的程序进行加工, 在加工过程中不需操作者参与, 故对数控机床的结构要求精密、完善且能够长时
参考文献
[1]陈德桥, 刘应军, 唐明晖, 等.湖南一次飑线过程的多普勒雷达回波特征[J].干旱气象, 2011, 29 (2) :218-223, 230.
[2]张云惠.南疆西部一次强降水的多普勒天气雷达分析[J].沙漠与绿洲气象, 2009, 3 (6) :17-20.
(上接第34页)
间稳定可靠的工作, 以满足重复加工过程的需要。
参考文献
[1]烨毓杰.数控机床[M].北京:机械工业出版社, 2007.
机床性能 第6篇
关键词：随动磨削结构,大型曲轴,设计与研究
由于受到设备结构的限制和约束, 在目前现有设备状况和加工工艺条件下, 加工磨削主轴颈和连杆颈是由两种机型分开实行的。通常情况下, 大型的普通外圆磨床是磨削主轴颈进行的条件, 曲轴依赖于外圆磨床的头架单进行驱动, 主轴颈在二顶尖和中心架的承压下实施磨削。主轴颈, 此类产品的技术要求与尺寸精度在磨削的过程中基本上都受人工的直接影响, 尤其是掌握此类技术的工人的操作熟练程度对中心架两个方向支撑力量的控制影响极为重要, 然而不科学的是始终凭借人为因素来确保质量平稳, 因为这是很难做到的。
通过对头尾座的驱动电动机电流的情况进行观察, 可以调整机床的头尾座后侧全配的配重装备, 通过此种方式可以均衡和改良头尾座的旋转平衡, 这样做的目的是由于设计对曲轴技术的要求。曲轴在加工旋转中会出现运转不均衡迹象同时会产生离心力状况, 这是由于它在长度质量匹配上存有较大的偏心, 若果对此不采取相应的措施, 此类磨削加工的表面粗糙程度难免将受到一定的影响。在头尾座一起夹紧曲轴两端的时候, 出于曲轴自身结构的原由, 头尾座在运转时的异步现象将产生曲轴的扭曲从而影响加工时的精确程度。曲轴磨床头尾座的传动方法在目前为了保证头尾座的同步, 故有两种形式: (1) 在引用数控同步技术的同时采用头尾座运作作为时的两轴, 目的在于使得头尾座的旋转误差在运转的过程中降到最小值。个别在采纳了两轴的数控同步技术在头尾座旋转时的制造厂家, 在头尾座机械部分设有超越离机构定格为保护装备, 做此项的目的是为了防止头尾座电器系统自身的毛病从而引起脱步, 头尾座在实际的运转过程中因头座调速系统模板的毛病而造成脱步3°, 正由于在超越离机构保护装备的影响下预防故障继续扩展和近30万元保全工件将近作废。同时采用把砂轮电动机作为突然停电后的大直径砂轮的惯性视为发电机使用等措施, 临时保证头尾座能够在短时间内有旋转的空间防止故障的扩大, 从而防止了因突然停电和设备故障制成头尾座失步, 使设备损坏以及造成产品的报废。 (2) 虽然通过把头座作为主传动经过一系列的传动链能够传到尾座, 在能够保证曲轴在运转过程中不会出现扭曲的迹象的同时, 驱使曲轴磨床的头尾座卡盘同步的实现, 但此类传递的模式生产金薄, 难免有机械传动链长有空隙等现象, 从而在调整的过程中存有很多的麻烦。
随着机床功能部件水平和数控技术的逐步成熟, 国外已经研发出一种在同一台机床上只需经过一次夹装即可磨削加工曲轴主轴颈和连杆颈, 再没必要依次采用两台设备各自将曲轴主轴颈和连杆颈进行磨削, 该设备即为随动磨削曲轴。
全数控控制、全闭环反馈测量都为随动磨削曲轴设备在电气系统上设计的控制模式, 由于该设备将以前的头尾座和工件Z轴移动换为砂轮架移动而工件和头尾座却始终不松动, 这样一来, 设计的床身长度就能变短, 从而就突破了磨床在机械设计上的传统式的结构布置。随动磨削曲轴和传统曲轴磨床由于设计结构的不同, 从而磨削方法也相同。随动磨削曲轴的主轴颈磨削使用切入式磨削法, 而连杆颈的磨削又使用切入式随动磨削法。
随动磨削法采用以下公式:
X—砂轮架横向滑台移动轴;
C—头尾座工件夹持旋转轴
随动磨削法对设备的要求极高。随动磨削法的关键在于:
(1) C1、C2和X1务必要同步进行。 (2) 在线测量系统、机械传动链、光栅反馈系统的精度。 (3) 随动磨削所研发的运用软件具备合理性、实用性等等。
机床厂家在X砂轮架横向滑台移动轴上, 务必要设计成刚性、吸振性优良、精度较高的静压闭式导轨系统, 原因是上述所列举的几项问题会直接性的影响到磨削加工的精确度。为了提高砂轮主轴转速以便提高砂轮的线速度, 普通砂轮磨削圆周 (线) 速度可达45m/s, 电动机主轴驱动功率达到78kW, 对砂轮主轴箱的结构进行了改良, 把原先的圆桶形轴瓦支撑更换为高精度的没必要去保养的陶瓷球轴承结构, 同时为了等确保磨削连杆颈的圆度达0.005mm以及表面粗糙度的要求, 故而采取了以下措施:
(1) X轴定位采用直线性光栅尺直接精确。 (2) X轴驱动消除空隙的方式是运用定位重复性较好以及传动空隙较小的非机械传动的直线电动机。 (3) 头座C1和尾座C2引用水冷扭矩电动机直接驱动工件, 高分辨率圆光栅消除机械传动时的空隙, 保持同步和恒线速度磨削, 并以防在磨削时上下死点于头尾座在旋转时的出现。
为了确保机床上加工工件时其能找准方向, 设有的功能是曲轴防下垂补偿。曲轴的实际位置, 与原设定中心比较后, 通过数控系统对数控中心架进行的控制补偿是曲轴的下垂采用安装在砂轮头架上预先设定中心上的一个测量头系统来检测。带砂轮自动平衡系统有超声波空隙控制系统 (噪声控制) 作为防止生砂轮碰撞工件的保护装置, 其与砂轮主轴为一体, 这是为了提高砂轮主轴的精确度所配制的。
测量垂直面中心高是通过按各个运作命令实现往复运动。引用充足数量的中心架直接对各个加工改造后的曲轴颈外圆数次进行测量。为了保证全自动磨削时曲轴颈直径的相同, 在砂轮头座上还装置有线直径测量头, 可以随时进行摆入和摆出。测量头能够清楚地显示和认识应用切入方法的圆度偏差, 把机床上的圆度和椭圆度测量结果相互间做比较, 同时对机床控制直接进行数据修改, 能够以人机良好的的模式运作, 快速而简洁的显示出与圆度相关的机床参数的具有可行性的答案。在运行和制造的过程当中对圆度可以进行常规性的检验和测试, 这样一来就大量的节省了测量时的时间。
当前, 我国还没有一家厂家能够真正制造和研发出采用随动磨削结构的大型设备和大型曲轴具备能够进行随动磨削的相关技术。这种现象的出现, 必须引起我们每一个置身于设备系统的科研人员的共同重视, 我们务必要努力奋斗, 不断进行数控系统软件的研发以及机床功能配套部件的创新。
参考文献
[1]张利平.液压控制系统及设计[M], 北京:化学工业出版社, 2009.
机床性能 第7篇
关键词：高速/精密,数控机床,可靠性设计,性能试验
1 问题提出
提高国产数控机床可靠性的关键在于提高国产关键功能部件的可靠性, 而开展可靠性试验是提高产品可靠性的主要技术途径。现阶段对国内数控机床及其功能部件进行的可靠性试验, 主要依靠在机床用户企业对生产过程进行现场跟踪来实现, 试验条件不可控, 试验周期长, 不能满足产品开发进度要求, 而且需要付出高昂的时间和人力成本。
进行关键功能部件的可靠性实验室加速试验, 是提高可靠性试验效率的主要技术手段。实验室可靠性试验须遵循2个原则:一是不能改变故障模式, 二是不能改变故障机理。因此, 可靠性试验系统必须具有工况模拟能力, 包括载荷的维数、大小、种类、频率和速度等, 以使可靠性试验能够激发出关键功能部件真实工作时的潜在故障, 保证试验结果的真实可靠。本文结合数控机床可靠性及关键部位可靠性试验技术方面的研究成果, 对数控机床关键功能部件的可靠性试验系统进行分析。
2 本研究的创新性
数控机床关键功能部件可靠性试验系统的研制, 关键在于准确把握功能部件实际工作状况下的载荷特性, 实现对复杂载荷的模拟。以机床主轴为例, 包括车床主轴和铣床或加工中心主轴 (含电主轴) , 在切削加工工作中会受到三向切削力和切削扭矩的作用, 同时, 切削力中还有较大的动态切削力分量, 而且动态分量对可靠性的影响甚至会大于稳态切削力分量的影响。为此, 机床主轴的可靠性试验系统必须能够对主轴进行多自由度的静动态切削力模拟和切削扭矩模拟。其次, 机床主轴具有较高的转速和回转精度, 扭矩加载装置也需要达到相应的要求。吉林大学经反复调研论证、计算机仿真、多种样机的试制和比较试验, 历时2年, 研发出了采用电液伺服技术的多自由度动态切削力加载装置和采用测功机的切削扭矩加载装置, 并以此为核心部件构建了机床主轴的可靠性试验系统。系统的切削力维数、动静态力和频率、主轴的转速和扭矩等均可通过系统的主控计算机进行控制, 系统的加载范围可通过以上2类加载装置中动力元件的选配来满足要求。
3 数控机床可靠性试验系统及关键技术
3.1 主轴
机床主轴主要由转子、轴承、齿轮、主轴外壳、冷却装置和驱动电动机构成, 其中, 轴承具有支承和定位作用, 齿轮具有传动作用, 冷却装置具有降温作用。机床主轴可靠性试验, 需要对径向力、轴向力和转矩进行加载, 同时测量机床主轴的各项性能参数的变化, 如精度、振动、噪声和温度等, 最后对各项性能参数的变化进行可靠性分析。数控机床主轴可靠性试验系统如图1所示。
主轴的可靠性试验系统采用的是电液伺服加载装置对主轴进行动、静态切削力加载, 并安装动态拉、压力传感器, 用于测量动态加载力大小和波形变化。采用发电测功机进行扭矩加载, 并安装扭矩传感器和转速传感器, 测量电主轴的加载扭矩和转速, 实现加载的实时监控和闭环控制。机床主轴1连接加载棒2, 加载棒通过联轴器4连接转矩加载装置5, 实现转矩加载;径向加载装置7和加载块3接触, 实现径向加载;轴向加载装置6和加载块3接触, 实现轴向加载;控制系统控制加载装置和机床主轴的输入量;传感器采集机床主轴的各项性能参数的变化;数据采集系统用于采集传感器和加载装置的输出量;利用采集到的数据对机床主轴的可靠性进行分析。
3.2 数控动力伺服刀架
动力伺服刀架是数控车床、车削中心、车铣复合等数控机床实现刀具储备、自动换刀、夹刀切削的主要功能部件。动力伺服刀架具有结构紧凑、定位精度高、转位快、刚性好以及能够实现钻削和铣削等特点, 一次装夹能够实现多个工步的加工, 既可以保证精度, 又能极大地提高加工精度和加工效率。
数控动力伺服刀架的可靠性试验系统采用电液伺服加载装置对刀架的模拟刀杆进行动、静态切削力加载, 并安装动态拉、压力传感器, 用于测量动态加载力大小和波形变化。利用测功机对被测动力头进行扭矩加载, 安装扭矩传感器和转速传感器, 实时监测加载数据。
3.3 数控转塔刀架
转塔刀架是数控车床的关键功能部件, 其可靠性水平直接影响到整机的可靠性水平。数控转塔刀架一般由驱动装置、精定位装置、松开和锁紧装置、装刀装置、预定位装置、机械传动机构、检测装置等组成。数控转塔刀架与数控动力伺服刀架的区别在于刀架没有动力轴, 故本试验系统不需要扭矩加载装置, 其他与数控动力伺服刀架的可靠性试验系统类似。
数控转塔刀架的可靠性试验系统包括试验台架设计、电液伺服加载系统、下层控制系统和上位机监控系统4部分。试验台架能够对各种型号的刀架进行安装和固定, 由于要进行动态加载试验, 试验台对刚度要求较高, 而且机构之间可以相对调节, 以实现对刀架的多角度加载;电液伺服加载系统采用电液伺服阀控制液压油缸提供动态加载力, 可靠性高, 控制性能好, 频率响应好, 并能够有效地吸收振动冲击, 针对不同的刀架型号还可以充分利用活塞杆的行程, 调节加载距离;下层PLC控制系统控制系统主要是要做到经济合理与安全可靠;上位机监控系统中上位机监控软件选用Visual Basic, 支持面向对象的程序设计, 功能十分强大。
3.4 链式刀库
链式刀库可靠性试验系统作为数控机床关键功能部件——刀库的加速试验载体, 应满足稳定、可靠的运行要求。链式刀库可靠性试验系统如图2所示。
(1) 地坪铁。支撑除电控柜外的整个试验系统, 由2块1.2*1.7m2单元构成, 整体尺寸2.4*1.7m2, 平台表面精度级。安装时需在地面钻孔, 用固体粘结剂固定, 下面用契形垫铁支撑且可调整高度, 安装完成后需用水平仪找平, 保证平台表面完全光洁水平。 (2) 刀库支架。支撑链式刀库, 由2根方钢支撑柱、槽钢底座、角铁肋板、扁钢加强板等焊接而成。刀库安装后成外伸梁结构, 支架经应力分析后刚度、强度可完全保证试验要求。 (3) 控制柜。安装电气系统和工控机, 控制柜由不锈钢薄板制成, 分电气柜和工控柜, 2部分。电气元器件安装在一块钢板上, 之后固定在电气柜里;工控机放置在工控柜里, 之间留有足够的安全距离, 以保证强电流电磁干扰不会影响工控机正常运行。 (4) 链式刀库。安装在刀库支架上, 与机械主轴构成换刀系统。 (5) 打刀气缸。实现主轴松刀、拉刀功能。从气缸的油杯处可加入机油润滑, 可防止长期剧烈摩擦损坏气缸, 并采用回位进气对接方式, 可使使用者减少接头的装配成本。 (6) 机械主轴。与链式刀库配合实现自动换刀功能, 安装在主轴架上, 与链式刀库构成换刀系统。 (7) 主轴架。支撑机械主轴与打刀气缸。
本试验系统需满足以下功能:一是被试件可代表类似链式刀库, 与机械主轴、打刀机构、主轴架、刀库支架、地坪铁、电控柜组成可靠性试验系统, 模拟实际工况, 并保证良好运行;二是下位机控制刀库可以完成“刀盘选刀—刀套倒刀—机械手扣刀—主轴松刀—换刀—机械手插刀—主轴拉刀—机械手回原点—刀套回刀”整套自动换刀功能, 上位机控制下位机实现随机换刀和手动换刀2项功能, 并连接数据库使试验台具备记录、查询换刀次数、换刀时间和刀库故障等试验数据的能力;三是建立的状态监测系统可以对机械手换刀时的振动状态进行实时监测, 并将X, Y, Z三向振动信号反馈给上位机监测界面, 供后期分析信号曲线的时频特性, 提取卡刀、掉刀等故障的特征指标。
3.5 盘式刀库的可靠性试验系统
盘式刀库结构简单, 成本相对较低换刀可靠性较高, 换刀时间短, 多应用于小型立式加工中心, 刀库容量为15~40把刀具, 需搭配自动换刀机构进行刀具交换, 应用最为广泛。盘式刀库的可靠性试验系统包括机械系统、控制系统、测试系统3个部分。盘式刀库的可靠性试验系统能够根据试验需要, 控制刀盘的旋转、机械手拔刀、转位和插刀等动作。监控系统自动控制刀库的运行, 对刀库工作状态进行监测和报警。
4 结语
综上所述, 文章在对高速/精密数控机床可靠性设计与性能试验技术的研究中, 通过对研究创新点的分析, 主要研究了机床主轴、数控动力伺服刀架、数控转塔刀架、链式刀库和盘式刀库的可靠性试验系统, 以期为同仁提供参考。
参考文献
[1]许智.加工中心及其功能部件可靠性技术研究[D].重庆:重庆大学, 2011.
机床性能 第8篇
HSK刀柄(空心短锥刀柄)是广泛应用于高速切削加工机床的回转刀具夹紧设备,起到连接数控机床主轴和切削刀具并传递力矩的作用。国际标准化组织(ISO)已于2001年制定了HSK刀柄标准[1],HSK刀柄被认为是目前最适用于高速切削的刀柄形式之一[2,3]。随着机床驱动技术和刀具材料技术的发展,高速切削技术取得了巨大进展[4,5]。但是刀柄随主轴高速旋转时,巨大的离心力会使刀柄、主轴产生弹性变形,且主轴的变形大于刀柄的变形[6,7],从而降低了HSK刀柄、主轴的连接刚度。一旦连接失效,刀柄和主轴之间产生间隙,不仅会导致连接松动,失去径向定位功能,而且会造成动不平衡并产生振动,最终导致机床的整体加工精度及加工表面质量降低。刀柄、主轴的连接失效甚至还可能对加工系统和操作人员造成重大伤害。因此,随着机床切削转速的不断提高,需要明确主轴工作在多少转速下能够保证可靠连接,即确定连接的临界转速。同时也需要对HSK刀柄与主轴连接的可靠性有更精确的了解,从而防止刀柄成为应用高速切削技术的制约因素。实际上,提高HSK刀柄和主轴连接的可靠性对提高整体机床的可靠性和延长平均无故障工作时间也有重大的意义。
HSK刀柄随主轴高速旋转发生刀柄与主轴连接失效是其最主要的失效形式之一[6,7,8,9]。本文针对HSK刀柄的这一失效形式,以HSK-63A型刀柄作为研究对象,建立了连接锥面的应力模型,并根据此应力模型讨论了刀柄使用的临界转速以及刀柄和主轴连接的可靠性。
1 刀柄和主轴连接锥面的接触应力模型的建立
图1为刀柄、主轴连接示意图,刀柄与主轴的连接采用膨胀式夹紧机构,拉杆在拉紧力作用下向右移动,带动夹爪张开,夹爪外锥面顶在HSK刀柄孔的30°锥面上,空心短锥柄产生弹性变形,使刀柄端面与主轴端面贴紧,从而实现刀柄和主轴锥面、端面的双面定位夹紧。
HSK刀柄与主轴连接夹紧后,在配合锥面之间产生接触应力,接触应力由刀柄、主轴之间的实际过盈量和刀柄受到的实际夹紧力决定,而实际过盈量和实际夹紧力又与主轴转速有密切的关系。下面建立在任一转速n下,刀柄和主轴连接锥面的接触应力模型。接触应力p等于实际过盈量在连接锥面产生的应力p1和实际夹紧力在连接锥面产生的接触应力p2之和,即
p=p1+p2 (1)
1.1 实际过盈量与接触应力的关系模型
根据ISO制定的HSK刀柄标准,刀柄和主轴之间有过盈量δ。但当主轴带动HSK刀柄高速旋转时,主轴的内孔和刀柄的外锥面在离心力的作用下都会产生弹性变形,且主轴内孔的变形大于刀柄外锥面的变形[6,7],因此在高速旋转下刀柄和主轴之间的实际过盈量将会减小。
HSK刀柄与主轴连接的径向剖面如图2所示,主轴的内外半径分别为b、c,刀柄的内外半径分别为a、b。刀柄的锥度只有2°52′05″,且刀柄、主轴连接为轴对称结构,故将主轴和刀柄视为两个空心圆盘。空心圆盘在旋转时由于离心力作用发生膨胀变形,根据弹性力学理论,不考虑圆盘由于转动引起的切向位移分量,将径向离心力作为单位体积力作用在圆盘上,可按轴对称平面应力问题求解,则在任一半径r处,变形位移量ur为[10]
式中,ω为旋转角速度;ρ为材料密度;E为弹性模量;ν为泊松比;A、B分别为空心圆盘的内外径。
假设刀柄、主轴由相同的钢质材料制成,则它们的弹性模量、泊松比相同。那么在任一角速度ω下,主轴在其内径b处的变形u1及HSK刀柄在其外锥面b处的变形u2分别为
主轴的膨胀变形造成刀柄和主轴之间的实际过盈量减小,刀柄的变形造成它们之间的实际过盈量增大。因此在任一角速度ω下,刀柄、主轴之间的实际过盈量u为
u=δ+u2-u1 (4)
主轴和刀柄在连接后,由于过盈量的存在,在连接表面会产弹性变形和接触应力。此时刀柄和主轴均可视为厚壁圆筒,且两端为开口,根据弹性力学理论,仍可按轴对称平面应力问题求解,由此得到刀柄、主轴之间的接触应力p1为[10]
联立式(3)～式(5)并化简,得到实际过盈量在HSK刀柄、主轴连接锥面处产生的接触应力:
1.2 实际夹紧力与接触应力的关系模型
设拉杆对HSK刀柄的夹紧力为F,对于HSK-A型刀柄,由几何关系可以计算得到通过弹性夹爪垂直作用在HSK刀柄30°夹紧面上的力F1=1.286F[11],拉杆的拉紧力称为静态夹紧力。刀柄随主轴高速旋转时,弹性夹爪会产生沿径向的离心力Fc作用在刀柄孔夹紧面上,此离心力称为动态夹紧力,即
Fc=mcω2rc (7)
式中,mc为夹爪质量;rc为夹爪重心半径。
由HSK-A型刀柄弹性夹爪的几何结构可以计算出动态夹紧力垂直作用在30°夹紧面上的力F′1=Fc[11]。因此,刀柄实际受到的轴向分力Fa和径向分力Fr分别为
刀柄夹紧后的受力如图3所示,刀柄锥度为θ=2°52′05″=2.87°,f为主轴对刀柄的摩擦力,F2为主轴对刀柄的轴向压力,按照ISO 12164标准规定,近似取F2=0.75F[1],Fa、Fr分别为实际轴向夹紧分力和径向夹紧分力,F3为主轴对刀柄锥面的正压力,根据圣维南原理,正压力F3等价为刀柄外锥面所受的均布分力,即连接面的接触应力p2为
式中,S为刀柄的外表面积;l为刀柄与主轴的轴向接触长度;r1、r2分别为刀柄大端和小端半径。
根据平衡条件可得
进而有
F3=Fasin2.87°+Frcos2.87°-F2sin2.87° (11)
由式(11)可知,刀柄连接锥面受到的正压力F3主要取决于Fr的大小。将式(7)、式(8)代入式(11),并化简可得
F3=0.660 404 4F+0.542 734 75mcω2rc (12)
联立式(9)、式(12),可得到实际夹紧力在HSK刀柄、主轴连接锥面处产生的接触应力:
综上所述,由式(1)可以得到刀柄、主轴连接锥面的接触应力p。
2 HSK刀柄和主轴连接的临界转速计算实例
由HSK刀柄和主轴连接锥面处产生的接触应力可知,转速对接触应力有很大的影响。随着转速的增大,刀柄、主轴之间的接触应力减小,当接触应力减小为零时,若进一步增大转速,主轴和刀柄之间就会出现间隙,定义此时的转速为临界转速。
对于HSK-A63型刀柄,取刀柄、主轴的弹性模量E=206GPa,材料密度ρ=7.85kg/dm3,泊松比ν=0.3。按照ISO 12164标准[1]规定的尺寸,刀柄孔平均半径a=18.5mm,刀柄外锥面平均半径b=23.5mm,主轴外表面半径c=35mm,刀柄、主轴轴向接触长度l=32mm,刀柄外锥面大端半径r1=24.005mm,小端半径r2=22.403mm。夹爪质量mc=153.3g,夹爪重心平均半径rc=14.56mm[11]。设拉杆对刀柄的夹紧力为F,刀柄、主轴连接配合的过盈量用δ表示,主轴转速为n。将以上数据分别代入式(6)、式(13),且
则HSK-A63型刀柄、主轴的连接锥面处的接触应力为
p=1 270 191δ+137 649F-6.236 783×10-3n2 (15)
根据式(15),令接触应力p=0(此时刀柄和主轴连接处于临界状态),可以得到在确定过盈量和夹紧力下连接的临界转速。显然过盈量和夹紧力的改变都会影响临界转速。下面分别分析在一定的夹紧力与过盈量下,临界转速随它们的变化规律,结果如图4和图5所示。
由图4和图5可知,增大夹紧力和过盈量都会提高刀柄和主轴连接的临界转速,且近似呈线性增大。由图4、图5还可看出,过盈量的改变对临界转速的影响更加显著,仅通过增加夹紧力来提高临界转速效果并不好。
3 连接锥面接触应力模型的有限元验证
为了验证所建立的接触应力模型的正确性,基于有限元软件ANSYS建立了HSK-A63型刀柄的锥面接触的有限元模型,分析高速旋转时HSK刀柄、主轴连接系统的连接性能。模型尺寸按照ISO 12164标准建立。取密度ρ=7.85kg/dm3,弹性模量E=206GPa,泊松比ν=0.3,摩擦因数μ=0.15。图6所示为施加转速n=42 500r/min,夹紧力F=18kN时,不同过盈量(δ分别为6μm、8μm、10μm、12μm)所仿真出的连接锥面间隙,两端深色区域表示连接面间隙为零,即刀柄与主轴连接面为紧密接触。由图6可以看出,随着过盈量的增大,连接面紧密接触的面积增大。一般认为,锥面连接要发挥精确定位作用,其接触面积应达到60%以上[12]。由图6可知,对于转速为4.25×104r/min的刀柄、主轴连接系统,过盈量δ=8μm可以保证可靠连接。根据式(15)计算得到对应临界转速为4.25×104r/min的过盈量为δ=6.9183μm。因此,理论计算值与有限元仿真结果有较好的一致性。
同理,可得到一定夹紧力F=18kN、过盈量δ=7μm,不同转速下的连接面间隙仿真结果,随着转速的增大,连接面分离的面积增大,当转速为4.15×104r/min左右时,达到连接的临界状态。接触应力模型理论计算的临界转速为42 695r/min,也有很好的一致性。但是理论计算值比仿真的结果更激进一些。
4 HSK刀柄和主轴连接可靠度计算实例
HSK刀柄在实际应用中,由于各种随机因素的存在,使得刀柄、主轴之间的接触应力并不是唯一确定的量。根据可靠性理论,考虑连接锥面接触应力的随机性,从而建立HSK刀柄、主轴连接的可靠性模型。当连接锥面接触应力为零时,刀柄与主轴连接处于临界状态,因此,HSK刀柄、主轴连接的可靠度为
R=P(p>0) (16)
由于刀柄、主轴的材料属性(如密度、弹性模量、泊松比)以及刀柄、主轴和弹性夹爪的公称尺寸的随机变化量很小,对接触应力大小的不确定性影响很小,因此忽略这些量的随机性,将它们视为常量处理。只考虑过盈量δ和夹紧力F的随机性对刀柄与主轴连接可靠度的影响。
对于HSK-A63型刀柄,其参数按上述数据不变,则接触应力仍按式(15)计算。按照ISO 12164标准[1]的规定,刀柄、主轴大端配合的过盈量为7～17μm,小端配合的过盈量为4～14μm,故刀柄、主轴配合的实际过盈量变化范围为4～17μm,过盈量一般出现在均值附近,可按正态分布处理,则均值取μδ=10.5μm,按±3σ原则,标准差
由正态分布的可加性可知,连接锥面接触应力p也服从正态分布。当转速n=3×104r/min时,根据式(15),易得连接锥面接触应力均值μp=10 201 582.8Pa,标准差σp=2 797 808.3Pa,即
p～N(μp,σ2p)～N(10 201 582.8,2 797 808.32) (18)
由此,计算当转速n=3×104r/min 时,HSK刀柄和主轴连接的可靠度为
将上式换算成标准正态分布,令
积分下限Z=-μp/σp=-3.65,查标准正态分布表,得可靠度R=0.999 869,即当转速n=3×104r/min时,HSK刀柄和主轴连接的可靠度R=0.999 869。
显然转速的大小对HSK刀柄、主轴连接的可靠度有很大的影响。按照上面可靠度的计算方法,改变主轴转速的大小,得到不同转速下HSK-A63型刀柄和主轴连接可靠度,并绘制可靠度随转速变化曲线,结果如图7所示。
由图7可知,在较低转速下HSK刀柄、主轴连接的可靠度很大,但是当转速增大到一定值后,可靠度随转速的增加而急剧减小。因此,为了保证加工精度和工作的安全性,应合理控制转速,使刀柄与主轴连接的可靠度在较高的水平上。
5 结论
(1)根据所建立的HSK刀柄、主轴连接的临界转速计算模型,可以理论计算出一定过盈量和夹紧力下刀柄、主轴连接的临界转速。增大夹紧力和过盈量都会提高刀柄、主轴连接的临界转速,且过盈量对临界转速的影响更加显著。
(2)考虑HSK刀柄和主轴配合过盈量及夹紧力的随机性,根据所建立的连接锥面的应力模型,建立了HSK刀柄、主轴连接的可靠性模型,可以求解任一转速下刀柄和主轴连接的可靠度并得到可靠度随转速的变化规律。
(3)通过HSK刀柄、主轴连接的临界转速和可靠度的计算,可以充分发挥HSK刀柄系统的高速潜能,防止刀柄、主轴连接的失效,进而保证高速切削加工的精度和工作的安全性。同时刀柄、主轴连接的临界转速计算模型和可靠性模型也为正确使用HSK刀柄以及刀柄尺寸结构的进一步优化和可靠性设计提供了理论基础。
参考文献
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