孫崗存 趙旭靖

（沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110141）

1 概述

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型泵閥業(yè)及減速箱行業(yè)等許多行業(yè)急需高性能的大型正掛箱式臥式加工中心。目前我廠生產(chǎn)的正掛箱產(chǎn)品HMC125系列不能滿足用戶新的需求，因此，我們開(kāi)發(fā)了主軸直徑為160 mm的正掛箱結(jié)構(gòu)的HMC160型臥式加工中心。該機(jī)床立柱為龍門(mén)框架式結(jié)構(gòu)，主軸箱采用正掛箱形式，具有良好的剛性，受力均勻，熱平衡性好，精度穩(wěn)定。

本文論述了HMC160型臥式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。主傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)床最核心的部件，直接影響著機(jī)床的性能及加工效率。根據(jù)HMC160型臥式加工中心的總體設(shè)計(jì)方案，制定主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主傳動(dòng)系統(tǒng)采用齒輪傳動(dòng)，因?yàn)辇X輪傳動(dòng)具有以下特點(diǎn):傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)比穩(wěn)定等。主傳動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)圖見(jiàn)圖1。動(dòng)力由主電動(dòng)機(jī)輸出通過(guò)彈性聯(lián)軸器與軸4連接，通過(guò)齒輪傳動(dòng)形式經(jīng)過(guò)軸3、軸2和軸1減速后傳送到主軸，由主軸輸出。由于主軸需要的轉(zhuǎn)速范圍大，采用齒輪三檔變速，通過(guò)拔叉撥動(dòng)花鍵軸上的齒輪進(jìn)行換檔，撥叉的動(dòng)力由液壓油缸提供。

本機(jī)床的主軸作為獨(dú)立的主軸組件安裝在主軸箱內(nèi)，它是由主軸、主軸軸承、主軸套筒等組成。本機(jī)床配置主軸錐孔為ISO7:24 No50規(guī)格的主軸，所用主軸軸承是日本NSK公司生產(chǎn)的精密滾動(dòng)軸承。該軸承的接觸角為15°，它具有轉(zhuǎn)速高、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，既可承受徑向載荷又可承受軸向載荷。為提高主軸剛性，該系列軸承在裝配中通過(guò)調(diào)整主軸螺母已對(duì)主軸軸承施予一定的預(yù)加載荷。由于主軸轉(zhuǎn)速高，主軸采用油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑。該系統(tǒng)軸承內(nèi)外套圈與滾珠之間的摩擦系數(shù)可以小到0.001甚至更小，能夠保證主軸軸承在所要求的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 理論計(jì)算

3．1 計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速，畫(huà)出主軸功率扭矩圖

根據(jù)主傳動(dòng)原理圖計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速，主傳動(dòng)原理圖見(jiàn)圖2。

預(yù)選主軸電動(dòng)機(jī):1PH7167－2NF03－0CA0（37 kW/51 kW，1 500 r/min，M=235.5 N·m）

主軸檔數(shù):分高、中、低三檔。

低檔齒輪變速比:

中檔齒輪變速比:

高檔齒輪變速比:

根據(jù)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速如下:

然后，畫(huà)出主軸功率扭矩圖如圖3。

從主軸功率扭矩圖中可以看到主軸各檔轉(zhuǎn)速:低檔為10～260（r/min），中檔為260～911（r/min），高檔為911～3 000（r/min）。

3．2 主電動(dòng)機(jī)功率的確定

機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率是機(jī)床的主要?jiǎng)恿μ匦詤?shù)之一，直接關(guān)系著機(jī)床生產(chǎn)率的高低。動(dòng)力參數(shù)定得過(guò)大會(huì)使機(jī)床過(guò)于笨重，浪費(fèi)材料和電力;過(guò)小又會(huì)影響機(jī)床的性能。根據(jù)機(jī)床最大負(fù)荷工作情況，機(jī)床最大許用扭矩（銑削）或最大進(jìn)給抗力（鉆削）情況計(jì)算所需之功率。由經(jīng)驗(yàn)可知，銑削功率大大超過(guò)鉆削功率，故以銑削確定主軸電動(dòng)機(jī)功率。

主電動(dòng)機(jī)功率由下式計(jì)算:

式中:P主為主傳動(dòng)電機(jī)功率，kW;P切為消耗于切削的功率，kW;P空為消耗于空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的功率損失，kW;η機(jī)為主傳動(dòng)鏈的總機(jī)械效率。

（1）計(jì)算切削功率P切

由以往的計(jì)算可知，銑削加工時(shí)消耗功率最大，故以銑削加工求P切。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，計(jì)算切向銑削力F切為

式中:F0為單位銑削力，根據(jù)鑄鐵試料（HT200），由手冊(cè)查得F0=2 059 N/mm2;ae為銑削寬度，ae=100 mm;ap為銑削深度，ap=10 mm;fz為每齒進(jìn)給量，fz=0.35 mm;z為銑刀齒數(shù)，z=8;D為銑刀直徑，D=200 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，計(jì)算銑削功率為

式中:P切為銑削功率，kW;n為銑刀轉(zhuǎn)速，n=318 r/min。

（2）計(jì)算空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的功率損失P空

本機(jī)床主傳動(dòng)鏈的空運(yùn)轉(zhuǎn)功率損失可用下列實(shí)驗(yàn)公式估算:

式中:da為主傳動(dòng)鏈中除主軸外所有傳動(dòng)軸的軸徑平均值，da=86.98 mm;d主為主軸前后軸徑的平均值，d主=220 mm;∑ni為當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速為n主時(shí)，傳動(dòng)鏈內(nèi)除主軸外各傳動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)速之和（含不傳遞載荷也隨之空轉(zhuǎn)之軸的轉(zhuǎn)速），r/min;n主為主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min;c為系數(shù)，反映主軸支承情況，兩支承軸承時(shí)c=0.85;m為潤(rùn)滑油粘度影響的修正系數(shù)，用20#機(jī)油時(shí)m=0.9。

實(shí)際上當(dāng)機(jī)床發(fā)揮最大功率時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速ni，不是最高轉(zhuǎn)速，所以P空為計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)的P空。

此時(shí)n主=318 r/min，∑ni=1 499.87+499.96+

（3）計(jì)算η機(jī)因此，確定主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主電動(dòng)機(jī)選用合理，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

該機(jī)床樣機(jī)裝配完成后，對(duì)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，主軸在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，噪聲低，軸承溫升合理，精度穩(wěn)定;對(duì)機(jī)床進(jìn)行最大負(fù)荷試驗(yàn)，主軸輸出扭矩能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

HMC160樣機(jī)曾經(jīng)在2008年北京中國(guó)國(guó)際數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)上展出，獲得一致好評(píng)，并榮獲中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)頒發(fā)的“春燕獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)。目前該機(jī)床已經(jīng)通過(guò)沈陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)局組織的科技成果鑒定，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。該機(jī)床適應(yīng)于軍工、造船、航天、紡織、運(yùn)輸、礦山等多種行業(yè)，更是大型泵閥業(yè)及減速箱行業(yè)急需的高性能數(shù)控機(jī)床。

［1］《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組．機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986．

［2］陳宏鈞．簡(jiǎn)明機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［3］胡家富．實(shí)用鉗工計(jì)算手冊(cè)［M］．上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2006．