五轴加工中心主轴箱的液位控制系统研究

佟琨 金辉 李树鹏 田恬

摘 要：五轴加工中心主轴箱的液位控制系统，包括油液输送装置、主轴箱、油液回收装置及液位电气控制程序单元，其特征在于油液输送装置设置液位报警及流量监测电气部件并与液位电气控制单元连通；主轴箱下部为连通的四腔结构，两处出油口分别位于主轴箱前端对角位置；油液回收装置采用双联齿轮泵，泵抽油口与主轴箱对角位置的出油口通过油管连接，油箱容积的控制量是主轴箱内腔最大动态油液容积与管路容积之和，输入液位电气控制程序单元，由液位开关执行自动控制，保持摆动中主轴箱内油液高度低于主轴连接处高度，防止油液进入主轴。油液回收好，机械主轴转速提高至4 000 rpm，显著提高了机床效率。

关键词：五轴加工中心；主轴箱；液位控制系统

中图分类号：TG502 文献标志码：A

1 五轴加工中心介绍

五轴加工中心可实现五轴联动，完成各种复杂平面、曲面零件的加工。主轴箱采用主轴齿轮变速。主轴箱中的传动齿轮均为斜齿轮。齿轮精度为5级。承载力大、噪声低、運动平稳。使主轴能达到4 000 rpm转速，为了高效冷却、润滑主轴箱内齿轮，并对主轴传动系统采用恒温油冷机控制。保证其可靠润滑及箱体恒温，确保主轴传动系统恒温，精度稳定。加工过程中，AB轴不断变化，摆动范围大，主轴箱内液位随AB轴摆动不断变化。所述液位是指润滑冷却油进入主轴箱内，在动态下因回油口角度不能完全流出而积累出液位高度。理想状态是主轴箱内的润滑油贴壁流动，不存在积存。如果不能有效控制主轴箱内的液位高度，造成主轴箱内油液积蓄过多，会影响主轴箱内冷却效果，提高主轴箱内温度，影响机床转速；如果回油不畅引起主轴箱内液位高度高于主轴连接处，导致油液进入主轴内部，破坏主轴轴承润滑，会影响主轴轴承性能及寿命，最终导致机床无法正常工作。为防止主轴连接处进油，此处设置吹气结构形成气密封，如图1所示，当主轴高速旋转时，气流和飞溅的油液会在主轴箱内呈现气雾状态，不能用开观察窗、液位感应计等监视方式。

目前五轴加工中心主轴箱内液位控制主要存在2种形式：增设溢流孔结构和采用不带油箱油冷机形式。尽管采用不带油箱油冷机形式的液位控制系统可以控制主轴箱内油液高度，但是影响主轴箱内冷却效果、限制主轴转速。因为机床加工过程中主轴箱随AB轴大范围摆动，机床AB轴摆角的行程限制了溢流口高度。另外，机床主轴高速旋转时，箱内油液混合雾由溢流孔溢出造成环境污染及对加工零件的破坏。因此，主轴箱开溢流孔不可取。

2 五轴加工中心主轴箱的液位控制系统介绍

五轴加工中心主轴箱的液位控制系统，主要是解决五轴加工中心由于AB轴摆动导致液位不稳定导致主轴被淹的问题。其特点为：

（1）采用带有液位报警和流量监测的油冷机作为油液输送装置，控制主轴箱内液压油量，监测油冷机与回收泵的工作状态；

（2）主轴箱前端内腔采用各腔室相通的结构，油液回收孔分别位于主轴箱对角位置，主轴箱随AB轴摆动过程中，箱内油液多点回收；

（3）主轴轴承采用油脂润滑的机械主轴，转速提高至4 000 rpm，显著提高了机床效率。

3 结合具体实例分析五轴加工中心主轴箱的液位控制系统

液位控制系统采用带有液位报警和流量监测的油冷机作为油液输送装置，还包括主轴箱、油液回收装置及液位电气控制程序单元，其特征在于在油冷机上增加液位开关和流量开关，液位开关安装在油冷机箱壁上，根据油冷机出油管上的流量开关反馈给液位电气控制程序单元而执行油箱容积控制的启停指令。油箱容积的控制量是由主轴箱、内腔最大动态油液容积和管路容积相加求得。因为主轴箱随摆头不断摆动，一定容积的油液在不同时刻、不同角度时距离主轴连接处的相对高度不断变化，所以设定内腔最大油液容积处于动态中油液面距离主轴连接处的安全高度时，为主轴箱摆动过程中的最大油液容积。将这油箱最大动态油液容积控制量输入液位电气控制程序单元，由液位开关执行自动控制，保持摆动中主轴箱内油液高度低于主轴连接处高度，防止油液进入主轴。

油冷机出油口与主轴套进油口通过管路连接，主轴箱与主轴套外侧形成封闭通道对主轴套进行冷却。主轴套出油口与主轴箱顶端分油器通过管路连接，油液经分油器对主轴箱上端各齿轮和轴承进行润滑及冷却。

主轴箱下端采用均布的四腔连通结构，在通孔轴向剖开，主轴箱下端有纵隔分出左、右两腔，右前腔、左前腔底部打孔成前腔通道使前两腔连通，再由拱形左支撑筋和右支撑筋分隔出前、后腔。主轴箱下部两处出油口，后腔出油口、前腔出油口分别位于主轴箱下部对角位置；主轴箱各腔内油液在任意时刻处于流通状态，保证主轴箱随AB摆头摆动过程中箱内液位处于最低点，油液能及时回收。主轴套出油口与主轴箱顶端分油器通过管路连接，油液经分油器对主轴箱上端各齿轮和轴承进行润滑及冷却。双联齿轮回收泵固定在主轴箱前端，双联齿轮泵后腔抽油口、前腔抽油口分别与主轴箱后腔出油口、前腔出油口双管路连接，双联齿轮泵前腔回油口、后腔回油口分别与油冷机后腔回油口、前腔回油口双管路连接。液位电气控制程序单元对双联齿轮泵、液位开关和流量开关以及所有油管路上的流量计、传感器实施作业编程，并入五轴加工中心控制系统，实现液位控制系统中各设备状态信号的反馈并执行加工中心控制指令，控制主轴箱内的液位在机床运行过程中处于安全高度。五轴加工中心启动时，双联齿轮泵工作，通过双联齿轮泵后腔回油口与前腔回油口、油冷机后腔回油口与前腔回油口双管路形成的双通道回收主轴箱内积存的油液，油冷机启动时间调整在10s～20s后工作；通过液位开关和流量开关判断双联齿轮泵和油冷机的工作状态，如果流量开关反馈正常，液位开关报警可判断双联齿轮泵故障，如果流量开关报警，则油冷机故障。若液位开关报警，液位控制系统通过自控设计实现机床的自动停车，防止主轴被淹。气密封关闭和手动急停是用于防止油雾进入主轴的，手动急停是机床停机。

参考文献

[1]孟少安.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，1991.

[2]王先奎.机械制造工艺学（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2011.