淺談CNC加工中心機(jī)械主軸的構(gòu)造設(shè)計(jì)及其進(jìn)步
1.前言加工中心（Machining Center,，簡(jiǎn)稱(chēng) MC ）是能夠?qū)崿F(xiàn)多工序編程并能根據(jù)需求具備切換刀具功能的精工機(jī)床,。它將銑床,、鏜床,、 鉆床多種精工功能聚集在一臺(tái)設(shè)備上,，配備刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置,，能夠同時(shí)完成多道工序,。由于其減少了工件裝夾,、 產(chǎn)品和設(shè)備調(diào)整，節(jié)約了工件的轉(zhuǎn)移時(shí)間,，因此其效率比通用機(jī)床高出80%以上,。2.加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的組成主要分為主軸電動(dòng)機(jī)、 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸組件,。加工中心的主傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)為高轉(zhuǎn)速,、 高回轉(zhuǎn)精度,、 高機(jī)構(gòu)剛性以及抗震性,。CNC加工中心的主軸系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：（1）主軸必須具有一定的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。 （2）具有較高的精度與剛度,，傳動(dòng)平穩(wěn),，噪聲低。 （3）升降速時(shí)間短,，調(diào)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),。 （4）主軸組件要有較高的固有頻率，保持合適的配合間隙并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑等,。 （5）有自動(dòng)換刀和刀具自動(dòng)夾緊功能,。 （6）主軸具有足夠的驅(qū)動(dòng)功率或輸出轉(zhuǎn)矩。 （7）主軸具有準(zhǔn)停功能又稱(chēng)主軸定位功能（Spindle Specified Position Stop） ,。3.加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)如要求主軸轉(zhuǎn)速40 r/min 4000r/min,，電機(jī)功率4kw（1） 選用直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)。則分級(jí)變速箱的轉(zhuǎn)速圖如圖1所示,。變速箱有 4種傳動(dòng)比（1/1）x（1/1） = （1/1）,；（1/2）s（1/1） = （1/2）；（1/1）s（1/4） = （1/4）,；（1/2）s（1/4） = （1/8） ,。傳動(dòng)比為1/1 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min-1330r/min,；為 1/2 時(shí),，主軸轉(zhuǎn)速為 2000r/min- 667r/min；為 1/4時(shí),，主軸轉(zhuǎn)速為 1000r/min -335 r/min,；為 1/8 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min -168r/min,。這四段用的全是電動(dòng)機(jī)的恒功率區(qū),。168r/min- 40r/min 為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。分級(jí)變速箱的結(jié)構(gòu)如圖 1。d.分級(jí)變速箱各軸齒數(shù)的選擇查 《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ,， 根據(jù)各齒輪間的轉(zhuǎn)速比確定各個(gè)齒輪的齒數(shù),。則分級(jí)變速箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)及各個(gè)齒輪的齒數(shù)、 模數(shù)如圖2所示,。3.2加工中心主軸材料的選擇及熱處理主軸材料的選擇主要根據(jù)剛度,、 載荷情況、 耐磨性,、 熱處理變形大小等因素確定,。 主軸的剛度大小與材料的彈性模量 E有關(guān)，鋼的 E 值較大（E=2.1 107N/cm2左右）,，所以主軸材料首先考慮鋼材,。 而且鋼的彈性模量E的數(shù)值與鋼的種類(lèi)和熱處理方式無(wú)關(guān)。因此在選擇鋼材時(shí)應(yīng)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼（如45鋼） ,。只有在高載荷和大沖擊或者減少材料變形以及需要高強(qiáng)度耐磨性時(shí),，才考慮選擇合金鋼。當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí),，軸頸可以不淬硬,，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面,，不少 45 鋼主軸軸頸仍進(jìn)行高頻淬火（48HRC 54HRC ） ,。當(dāng)采用滑動(dòng)軸承時(shí)，為減少磨損,，軸頸表面必須有很高的硬度,。因此通常在軸頸處進(jìn)行高頻淬火；對(duì)大直徑主軸（ 350 400mm ）也可用火焰淬火來(lái)提高其表面硬度,；對(duì)手較大沖擊的主軸,，可用 15 或 20 鋼，并在軸頸表面滲碳,、淬火及回火,。主軸材料常采用的有 45 鋼、GCr15等,，需經(jīng)滲氮和感應(yīng)加熱淬火,。3.3 加工中心主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1初選主軸直徑（1）主軸直徑。主軸直徑越大,，其剛度越高,，但使得軸承和軸上其他零件的尺寸相應(yīng)增大。軸承的直徑越大,，同等級(jí)精度軸承的公差值也越大,，要保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度就越困難,。[2]（2）主軸內(nèi)孔直徑。主軸的內(nèi)孔直徑用于通過(guò)刀具夾緊裝置固定刀具,、 傳動(dòng)氣動(dòng)或液壓卡盤(pán)等,。主軸孔徑越大，主軸部件的相對(duì)重量也越輕,。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約,。[2]3.3.2 主軸懸伸量 a的確定主軸懸伸量 a 是指主軸前支承徑向支反力的作用點(diǎn)到主軸前端面之間的距離，見(jiàn)圖3,。 它對(duì)主軸組件剛度影響較大,。 根據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)，縮短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性,。因此,，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，盡量縮短懸伸量a,。[3]3.3.3 主軸******跨距L的選擇主軸的支承跨距L,。主軸前支承點(diǎn)至主軸后支承點(diǎn)之間的距離稱(chēng)為跨距L,， 見(jiàn)圖3,。主軸組件的支承跨距對(duì)主軸本身剛度和對(duì)支承剛度有著很大的影響?？缇郘對(duì)綜合剛度 K的影響不是單向的,。如L較大，則主軸變形較大,；如 L較小,，則軸承的變形對(duì)主軸前端的位移影響較大。所以,， L有一個(gè)******值,， L太大或太小，都會(huì)降低綜合剛度,。主軸的支承跨距存在著******跨距 L0,， 可使主軸組件前端位移最小。主軸組件由于受結(jié)構(gòu)限制以及保證主軸組件的重心落在兩支承之間,，實(shí)際的支承可大于******的支承跨距,。為了確定******跨距L0 和前懸伸a之比L0/a，可先求出3.3.4 主軸徑向剛度的驗(yàn)算通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)滿足主軸徑向剛度要求,。3.4主軸軸承的選擇3.4.1 主軸軸承精度的選擇,。精密加工中心主軸前支承應(yīng)選用B級(jí)，而普通精度加工中心主軸前支承軸承則選用 C級(jí),。主軸后支承軸承,，則選用比前支承軸承低一級(jí)精度的軸承,。`傳動(dòng)軸支承，選用D級(jí)或 E級(jí),。 通常,，主軸軸承的軸向定位采用的是前端支承定位。這樣前支承受軸向力,，前端懸臂量小,，主軸受熱時(shí)向后延伸，使前端的變形小,，精度高,。3.4.2主軸常用動(dòng)軸承的類(lèi)型。主軸常用動(dòng)軸承的類(lèi)型有四種：（1）深溝球軸承,；（2）角接觸球軸承,；（3）雙列圓柱滾子軸承；（4）圓錐滾子軸承,。3.4.3 主軸軸承的配置與調(diào)整,。主軸軸承的結(jié)構(gòu)配置 主軸軸承的結(jié)構(gòu)配置主要取決于主軸的轉(zhuǎn)速特性的速度因素和主軸的剛度要求。主軸軸承結(jié)構(gòu)配置形式主要由下面兩種,。 適應(yīng)高剛度要求的軸承配置形式,。主軸前支承由3182100型雙列向心短圓柱滾子軸承和2268100型推力向心球軸承組成。前者承受徑向載荷,，后者主要承受軸向載荷,，是現(xiàn)有精工機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)中剛性最好的一種。這種配置形式主要適用于大中型臥式加工中心主軸和強(qiáng)力切削機(jī)床主軸,。既要高剛性又要高速度是,，可以把60 接觸角的標(biāo)準(zhǔn)型推力角接觸球軸承，換成45 接觸角的高速型推力角接觸球軸承,。 THM6350型精密臥式加工中心主軸前支承就采用這種軸承配置,，而后軸承采用了兩個(gè) 46117 型角接觸球軸承組合配置形式。如果后支承采用3182100 型調(diào)心雙圓柱滾子軸承,，更能加強(qiáng)主軸剛性,。[2]適應(yīng)高速要求的軸承配置形式 前支撐采用三個(gè)超精密級(jí)角接觸球軸承組合方式，為適用高速化要求,，且因軸承精度高,，能保證較高的回轉(zhuǎn)精度。三個(gè)軸承的組合形式,，根據(jù)載荷大小和最高轉(zhuǎn)速以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,，可以在三個(gè)軸承間加個(gè)隔套，也可以使單個(gè)軸承都靠在一起的結(jié)構(gòu)形式,。 后支承結(jié)構(gòu),，有兩個(gè)角接觸球軸承支承,。 也有一個(gè) 3182100 型調(diào)心圓柱滾子軸承支承的。由于在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)熱,，主軸必然產(chǎn)生熱膨脹,。為了吸收這個(gè)熱膨脹，希望后支承能在軸向移動(dòng),。 3182100型調(diào)心圓柱滾子軸承真好具有這種功能,，而角接觸球軸承由于施加了預(yù)緊，軸向不能移動(dòng),，容易使軸承受損,。因此從提高后支承剛性和適應(yīng)主軸熱脹時(shí)后端能夠自由移動(dòng)這一要求來(lái)說(shuō)，后部支承采用3182100型軸承為好,。[2]3.5主軸準(zhǔn)停裝置自動(dòng)換刀精工機(jī)床主軸組件設(shè)有準(zhǔn)停裝置,，其作用是使主軸每次都準(zhǔn)確地停止在固定的周向位置上，以保證換刀時(shí)主軸上的端面鍵能對(duì)準(zhǔn)刀夾上的鍵槽,，同時(shí)使每次裝刀時(shí)刀夾與主軸的相對(duì)位置不變,，提高刀具的重復(fù)安裝精度，從而提高孔加工時(shí)孔徑的一致性,。本設(shè)計(jì)采用機(jī)械準(zhǔn)停系統(tǒng),，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。4.加工中心的發(fā)展改進(jìn)方向隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，加工中心融入更多高新技術(shù),。它結(jié)合了機(jī)械技術(shù),、 電子技術(shù),、 計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、 氣動(dòng)技術(shù),、 現(xiàn)代化控制技術(shù)理論,、 測(cè)量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、 刀具和應(yīng)用編程技術(shù),。 使它朝著高效,、 精密、 可靠,、 穩(wěn)定的方向發(fā)展,。 具體表現(xiàn)為以下幾方面：（1）高速高效、 高精度,、 高可靠,。新一代數(shù)控加工中心采用高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速 15000r/min 100000r/min） ,、高速且高加 / 減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（快移速度 60m/min120m/min,，切削進(jìn)給速度高達(dá) 60m/min） ,、 高性能精工和伺服系統(tǒng)以及精工工具系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速高效。為了滿足客戶的需求,，精密級(jí)加工中心的加工精度則從 （3 5） um提高到 （1 1.5）um?，F(xiàn)代加工中心還通過(guò)采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專(zhuān)用及混合式集成電路,，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性,。 （2）模塊化,、 智能化、 柔性化,。 機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化,，精工功能專(zhuān)門(mén)化使機(jī)床性能比顯著提高。 CNC系統(tǒng)的發(fā)展使加工中心向智能化,、 柔性化迅速發(fā)展,。 （3）開(kāi)放性體系結(jié)構(gòu)。開(kāi)放性體系結(jié)構(gòu)可通過(guò)升擋或剪裁構(gòu)成各種檔次的精工系統(tǒng),，又可通過(guò)擴(kuò)展構(gòu)成不同類(lèi)型精工加工中心的精工系統(tǒng),。 （4）網(wǎng)絡(luò)化。加工中心的網(wǎng)絡(luò)化將能夠更及時(shí)地進(jìn)行生產(chǎn)信息統(tǒng)計(jì)和反饋,。（5）行業(yè)化,。行業(yè)化指加工中心的零部件有專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)廠家。5.結(jié)語(yǔ)隨著時(shí)代的進(jìn)步,，客戶要求的提高,，加工中心也在不斷地向前發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)加工中心主軸轉(zhuǎn)速的超高速,，陶瓷軸承開(kāi)始走進(jìn)人們的視眼,。陶瓷軸承是指軸承滾動(dòng)體是用陶瓷材料制成，而內(nèi)外圈則仍用軸承鋼制造,。陶瓷材料為高密度熱壓氮化硅（si3N4 ） ,。之所以選用陶瓷作為滾動(dòng)體，主要是因?yàn)樗哂腥缦绿匦裕阂皇侵亓枯p,，是軸承鋼的1.5倍,。 所以它具有離心力小，動(dòng)摩擦力小,，預(yù)緊力穩(wěn)定,，彈性變形小，剛度高的特點(diǎn),。轉(zhuǎn)速愈高,，則由滾動(dòng)體引起的離心力和慣性滑移亦隨之增高,。采用陶瓷滾動(dòng)體，可大大減少離心力和慣性滑移,，有利于進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速,，其主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)50000。 但由于還存在價(jià)格昂貴和有關(guān)壽命,、 可靠性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不充分等問(wèn)題,，還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和完善。不過(guò),，其今后有很大的發(fā)展前途,。為了實(shí)現(xiàn)更高速的加工，人們對(duì)加工中心的優(yōu)化方面青睞于高速主軸的研究,。高速主軸取消了齒輪變速機(jī)構(gòu),，采用集成交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并增加強(qiáng)力的冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì),。