数控车床主轴箱主传动系统设计及噪音研究--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

数控车床主轴箱主传动系统设计及噪音研究

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年4月下作者：张姗姗1 葛晨阳1 曹雪涛2

[导读] 作为机床行业的重要分支，数控机床在国家工业发展过程中的地位举重若轻。主轴箱是数控机床的重要组成部分，其传动系统设计的优劣会直接影响产品加工质量。本文设计了三种12级变速的常用传动方案，分析其各自优缺点及使用场合。最后针对常见的主轴箱噪音问题进行了分析，提出了改善建议。可为同类产品做参考。

1.河南商丘商丘工学院机械工程学院，张姗姗1 葛晨阳1 476000
2.江苏苏州美的清洁电器股份有限公司，曹雪涛2 215000

摘要：作为机床行业的重要分支，数控机床在国家工业发展过程中的地位举重若轻。主轴箱是数控机床的重要组成部分，其传动系统设计的优劣会直接影响产品加工质量。本文设计了三种12级变速的常用传动方案，分析其各自优缺点及使用场合。最后针对常见的主轴箱噪音问题进行了分析，提出了改善建议。可为同类产品做参考。
        0 引言
        数控车床行业是国家培育和发展战略性新兴产业的重要领域，引领着工业生产方式升级转型，是大多数制造加工企业的主要选择。对数控车床的基本要求是：应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的启停、变速、换向和制动等[1]。
        目前机械产品的加工过程大都离不开车床，但长期运转的车床普遍存在噪音大、加工精度下降、零部件提前报废等问题。车床主运动传动系统设计的好坏会直接影响机床加工的质量与整体精度。因此对数控车床的主运动传动系统进行研究是很有必要的。
        传动系统的主要作用是将动力和工作过程中产生的力，通过动力源的传递形式，有效地传输给其他机床执行部件[2]。目的是更好的保证传输系统具有良好的动态特性。但传动系统经常会受到激振力矩和激振力的影响，造成轴组件弯曲，不利于机床的稳定运行[3]。不稳定的运行，会导致噪声的产生，严重者还会使机床使用寿命大大降低。
        本文旨在分析三种常见的12级变速的主运动传动系统方案，比较其优缺点。对共同存在的噪声问题进行分析，总结产生的原因与控制改善措施。
        1主传动方案设计
        市面上常用的传动方式为齿轮对、电磁离合器，或齿轮对和电磁离合器搭配混合使用。
        针对12级变速，设计三种传动方式：（1）2×3×2；（2）3×2×2；（3）（2×3）×2。前两种方案只有两联滑移齿轮和三联滑移齿轮（分别以2和3表示），最后一种方案是三对电磁离合器和一个两联滑移齿轮。
        对于相同的变速值12，第一种传动方案，需要4根轴、14个齿轮；第二种传动方案，需要3根轴、14个齿轮；第三种传动方案，需要3根轴、10个齿轮。三种传动方案选用的结构都较简单，都能有效传递动力，但对于空间狭小，需要综合考虑布局的情况，推荐选用第三种方案。
        2 动力源设计
        常见的动力源是电机，电机又分单速电机和双速电机，分别介绍其特点及适应场合。
        （1）单速电机
        单速电机是把电能转换成机械能的装置。利用通电定子绕组产生旋转磁场并作用于转子，形成动力旋转扭矩，电机能够工作是因为磁场对电流的受力作用。电机主要由定子与转子组成，定子的转速与转子不是同步的，但由于磁极对数固定，所产生的的转速也是固定的，效率不是很高。

图1 单速电机示意图
        （2）双速电机
        双速电机运转方式与单速电机相同，但双速电机是通过改变绕组的连接方式，也就是利用改变电机旋转磁场的磁极对数来改变它的转速，也可以通过改变接线方式改变线圈的连接方式来实现转速改变。
        1）在定子里有两个不同极对数的绕组，可以改变外部的接线更改磁极对数。
        2）在定子里有两个不同极对数的绕组，每个绕组又有不同的连接方式。
        双速电机通过改变绕组，在两种转速下都可输出额定的转矩，获得较高的效率，电机调速是整数倍调节，适用于平滑调节转速的机器。

图2 双速电机连接
        对于4/6级双速电机对应功率22/30kW，额定转矩215N·m，双速电机采用Y-Y型接法可以提高一倍的转速，因此可以选取型号Y132S-4电机,。
        3噪音分析与控制
        在很多数控机床中，由于主轴的变速系统仍采用若干传动轴和轴承，因此在工作中不可避免地要产生振动噪声、摩擦噪声和冲击噪声。而数控机床主传动系统的变速是在机床不停止工作的状态下，由计算机控制完成的，因此它比普通机床产生的噪声更为连续，更具有代表性。机械系统受到外界任何的激振力，系统就会因对此激振力产生响应而出现振动。这个振动能量在整个系统中传播，当传播到辐射表面，这个能量就转换成压力波，经空气再传出去，即声辐射。
        因此，激发响应、系统内部传递及声辐射这三个步骤就是振动噪声、摩擦噪声和冲击噪声的形成过程。
        总结噪声产生的原因，如下：
        （1）数控机床的主传动系统主要是靠齿轮来完成变速和传动的因此，齿轮的啮合传动是主要噪声源之一。
        （2）轴承与轴颈及支承孔的装配、预紧力、同心度、润滑条件以及作用在轴承上负荷的大小、径向间隙等都对噪声有很大影响。而且轴承本身的制造偏差，在很大程度上决定了轴承的噪声
噪音常规控制：
        （1）控制齿轮中心距的变动。当中心距变动过小时噪音影响并不明显，而中心距变动大时噪音就会明显增大，故齿轮中心距变动要小，并且对齿轮的外径、传动轴的变形和轴承的配合都应控制在理想状态，这样尽可能的消除啮合中心距的影响。
        （2）润滑控制。润滑油在做润滑和冷却时，会起到一定的阻尼作用。油膜具有良好的纠正轴本身误差的作用[9]，在齿面上维持一定的油膜厚度，可以防止啮合齿面直接接触产生噪声，噪声随油量和黏度的增加而减小。
        （3）轴承对噪声的控制，机床整体的噪声不大于83dB，主轴箱部件噪声不大于78dB。保证轴承的质量，工作时轴承内环工作，外环固定，遇到外界影响会引起偏摆，造成旋转的不平衡进而产生噪声，或者当位置公差配合精度不在0.002~0.005这个范围内，就会产生噪声，因此对轴承的预紧量必须要保持在-0.003~0.004mm，这样使得轴承的不易受外界干扰发生摆动，精度也会提高，摆动小了，噪声就随之减小。
        以双列圆柱滚子轴承为例，分析轴承预紧量、寿命和主轴刚性三者间的关系。查相关图表可知，轴承径向间隙在-0.003~0.004mm这个范围比较合理，过盈配合在-0.002mm时疲劳寿命最高，继续增加寿命急剧下降。
        当轴承径向过盈大于-0.002mm时，径向位移小，主轴刚性好，如果存在间隙，刚性将变差。
        综上所述，将轴承径向预紧量值确定为过盈0.001~0.005mm，控制其他的精度如下：
        （1）主轴箱体孔与轴承套过盈配合0~0.004mm；
        （2）轴承和轴承套过盈配合0~0.004mm；
        （3）轴承预紧时，内外环间隙最好控制在0mm。
        将轴承预紧量控制在以上合理的范围之内，可使主轴箱异常噪声得以有效解决，返修率可降低80%，提高产品质量和使用寿命。
        4小结
        本文针对12级变速，设计了三种主传动系统，分析各自优缺点后，提出在空间狭小时，可采用电磁离合器和齿轮对混用的方式，高效经济。然后比较了单速电机和双速电机两种动力源，对数控车床来说，效率更高的双速电机适用度更高。最后针对噪音问题，分析了车床噪声产生的主要原因，提出控制轴承预紧量在一定范围内，可有效解决主轴箱内的异常噪声，提高产品质量和使用周期。
参考文献
[1]郭志强,常明瑞,任学平,杨杰.不同间隙的轧机主传动系统的动态特性研究[J].机械强度,2019,41(06):1504-1508.
[2]韩进宏.互换性与技术测量.机械工业出版社.2017.
[3]李东君.数控加工技术[M].机械工业出版社.2018.7.