羅聚民

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545000

引言

目前，數控機床逐步向高速精密化方向應用和發(fā)展，對電主軸性能的一大要求是提高加工轉速，電主軸的轉速從幾萬轉到十幾萬轉。機床電主軸零部件在前期的加工制作或者后期的零部件裝配的過程中，由于存在材料質量分布不均勻，零件外觀形狀不對稱，加工誤差及裝配誤差等不可控制的因素，導致零部件質量的中心線偏離旋轉幾何中心線，在機床電主軸做高速旋轉運動時，偏離幾何旋轉中心線的質心就會產生不平衡離心力，主軸異常振動、精密軸承發(fā)熱、尖銳噪音等問題就會隨著產生。微小的不平衡量在隨著轉速的升高振動會不斷加劇，轉子系統的振動和應力會增加，進而降低了設備的使用壽命，造成設備運行不穩(wěn)定，增加維護成本，同時也會使主軸精度降低，嚴重影響加工產品的質量以及產量的輸出。電主軸轉子振動故障的70%以上主要是由轉子系統和旋轉軸系的不平衡引起的，因此，主軸的動平衡問題是電主軸的生產制造或者維修保養(yǎng)中需要去關注的重要問題，而動平衡技術就是解決主軸不平衡問題的主要關鍵技術措施。

1 機床電主軸結構不平衡分析

電主軸從動平衡方面分析，結構可以分為裝配前的轉子軸和高速旋轉的轉子系統兩個部分，為了保證主軸轉子系統旋轉時振動處于合格范圍，在完成加工制造轉子軸后，還需要對轉子軸進行初步的動平衡調整，以降低裝配后主軸系統結構的振動。轉子軸一般采用鑄造而成的圓形棒料作為粗加工的材料，加工工藝主要由一系列的車，銑、鉆、磨削等構成，不平衡量主要是在鑄造及加工過程中產生，不可避免的存在零件質量分布不均勻及加工后的零部件質量中心與幾何軸向不重合的情況，從而產生了不平衡的振動，為了方便后期調整不平衡量，一般轉子上都會設計有專用于調整動平衡螺釘孔（如圖1），沿著軸調整面均勻分布。

圖1 轉子軸結構示意圖

圖2 機床電主軸結構示意圖

從機床電主軸結構示意圖可以看出，安裝后電主軸的旋轉部分不僅包含了轉子軸，還有平衡調整環(huán)，軸承，電機轉子等零部件，由于這些零部件加工制造未進行平衡調整，每個零部件的的質量中心與其幾何中心均存在不重合的可能性。對于與轉子軸配合的零部件組件而言，每個零部件都存在著加工制造誤差，而且都是間隙配合，在裝配的過程中，每個零部件的幾何中心是不可能完全與轉子軸的幾何中心相互重合的，因此，機床電主軸在高速旋轉加工時就會產生不平衡的機械振動，這時需要對裝配后的零部件做整體的動平衡調整，以降低機床電主軸整體結構的不平衡振動。

2 轉子軸不平衡的調整

轉子軸的不平衡量測量及調整最常用的專用設備是使用動平衡機，動平衡機可以測量出轉子軸殘余不平衡量大小，角度位置，其原理是使轉子軸按設定的轉速旋轉，通過測速傳感器測量軸的轉速信號。動平衡機上的支撐轉子軸的兩個軸承安裝的位置的支架上都裝有高精度的振動傳感器，檢測出轉子軸軸承安裝位置的振動信號，將這左右兩邊的振動信號經過一定數據處理后傳輸到設備的中央處理單元（CPU），經過CPU的轉化、篩選和計算，得出轉子軸的不平衡量的大小和相位，在操作面板顯示屏中測量結果，通過增加合適質量的調整螺釘，即可以調整到該轉子允許的剩余不平衡量的范圍。

圖3 動平衡機測量不平衡量的原理圖

轉子軸的允許的剩余不平衡量的計算如下：

（1）計算旋轉角速度ω

式中：ω為轉子軸旋轉的角速度rad/s；n為轉子軸每分鐘轉速（一般選擇工作轉速）r/min；

（2）計算允許剩余不平衡量U1，U2

式中：U為轉子軸所允許剩余不平衡量g.mm；U1，U2為轉子軸平衡位置調整平面1及平面2的允許的剩余不平衡量g.mm；

G為ISO 1940/1中定義的質量等級mm/s；m為轉子軸的質量kg；

本例中，電主軸加工使用到的最高工作轉速n為10000r/min；質量等級取G0.4，轉子軸質量為11kg，計算可得轉子軸調整位置平面1及平面2的允許剩余不平衡量為2.1g.mm。因此，通過動平衡機的數據測量，分析出在轉子軸上對應的螺紋孔增加合適重量的調整螺釘，將轉子軸的兩個平面調整到小于等于2.1g.mm以下，即可將轉子的動平衡調整到要求的范圍之內，滿足后續(xù)的安裝要求。

3 機床電主軸轉子系統不平衡的調整

機床電主軸在完成所有零部件的裝配后，一般主軸整體重量在幾百公斤左右，這時平衡機就不能滿足轉子系統的平衡測量要求，這時就需要使用現場平衡儀來進行動平衡調整。現場動平衡原理跟使用動平衡機測量轉子軸的振動形式類似，使用兩個振動傳感器吸附在前后端軸承位置測量一倍頻的振動相位和幅值，再使用測速傳感器測量轉子軸的旋轉速度，測量的數據經過手持式現場動平衡儀內部中央處理單元數據處理，在顯示屏上顯示出需要調整的重量和角度，只需要增減調整螺釘的重量，即可調整到平衡的允許范圍。設計人員在主軸設計初期，一般都會設計有做動平衡調整的位置，且調整位置都是沿著零件環(huán)形均布。如圖2中的電主軸結構，主軸前后端配置有進行動平衡調整的隔環(huán)，通過現場動平衡儀，按照圖4的動平衡調整步驟，經過多次的調整使主軸達到最終設定的平衡精度等級；

圖4 動平衡調整流程圖

電主軸的使用速度范圍很廣，裝配后由于不平衡量引起的主軸振動與速度的平方接近于正比，一般選擇在主軸使用的最高工作轉速下做動平衡調整，表1中記錄了現場動平衡的實驗測試步驟、平衡質量大小、相位及測量位置一倍頻振動值的數據。經過4次測量調整，電主軸的整體振動降低了94.88%，電主軸的整體動平衡性能得到極大的改善。

表1 電主軸整體動平衡測量及調整數據

4 結論

機床電主軸在設計中雖然采用了對稱式的設計，但是由于存在材料質量分布不均勻、制造及裝配誤差等不可控制的因素，零部件的不平衡始終是存在的。微小的不平衡量在主軸高速運行下會產生失衡振動，可能會導致機床主軸的幾何精度，動態(tài)性能降低，嚴重會導致零部件的配合面疲勞磨損。通過對轉子軸及主軸裝配后旋轉的轉子系統進行動平衡調整，提高主軸的動態(tài)性能，間接提升了主軸的運行穩(wěn)定性和使用壽命，對生產企業(yè)來說，改善主軸的性能可以提高加工質量，提升數控機床的加工制造運行時間，可以為企業(yè)帶來可觀的經濟效益。