淺談CNC加工中心機械主軸的構造設計及其進步
1.前言加工中心（Machining Center，簡稱 MC ）是能夠實現多工序編程并能根據需求具備切換刀具功能的精工機床。它將銑床、鏜床、 鉆床多種精工功能聚集在一臺設備上，配備刀庫和自動換刀裝置，能夠同時完成多道工序。由于其減少了工件裝夾、 產品和設備調整，節約了工件的轉移時間，因此其效率比通用機床高出80%以上。2.加工中心主傳動系統的特點加工中心主傳動系統的組成主要分為主軸電動機、 主軸傳動系統和主軸組件。加工中心的主傳動優點為高轉速、 高回轉精度、 高機構剛性以及抗震性。CNC加工中心的主軸系統具備以下特點：（1）主軸必須具有一定的調速范圍并實現無級變速。 （2）具有較高的精度與剛度，傳動平穩，噪聲低。 （3）升降速時間短，調速時運轉平穩。 （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行循環潤滑等。 （5）有自動換刀和刀具自動夾緊功能。 （6）主軸具有足夠的驅動功率或輸出轉矩。 （7）主軸具有準停功能又稱主軸定位功能（Spindle Specified Position Stop） 。3.加工中心主傳動系統設計3.1變速系統設計如要求主軸轉速40 r/min 4000r/min，電機功率4kw（1） 選用直流電動機無級變速機構。則分級變速箱的轉速圖如圖1所示。變速箱有 4種傳動比（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） 。傳動比為1/1 時，主軸轉速為4000r/min-1330r/min；為 1/2 時，主軸轉速為 2000r/min- 667r/min；為 1/4時，主軸轉速為 1000r/min -335 r/min；為 1/8 時，主軸轉速為500 r/min -168r/min。這四段用的全是電動機的恒功率區。168r/min- 40r/min 為恒轉矩區。分級變速箱的結構如圖 1。d.分級變速箱各軸齒數的選擇查 《機床設計手冊》 ， 根據各齒輪間的轉速比確定各個齒輪的齒數。則分級變速箱內的結構及各個齒輪的齒數、 模數如圖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，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的數值與鋼的種類和熱處理方式無關。因此在選擇鋼材時應首先選用價格便宜的中碳鋼（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度耐磨性時，才考慮選擇合金鋼。當主軸軸承采用滾動軸承時，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 鋼主軸軸頸仍進行高頻淬火（48HRC 54HRC ） 。當采用滑動軸承時，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行高頻淬火；對大直徑主軸（ 350 400mm ）也可用火焰淬火來提高其表面硬度；對手較大沖擊的主軸，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，需經滲氮和感應加熱淬火。3.3 加工中心主軸結構設計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增大。軸承的直徑越大，同等級精度軸承的公差值也越大，要保證主軸的旋轉精度就越困難。[2]（2）主軸內孔直徑。主軸的內孔直徑用于通過刀具夾緊裝置固定刀具、 傳動氣動或液壓卡盤等。主軸孔徑越大，主軸部件的相對重量也越輕。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到主軸前端面之間的距離，見圖3。 它對主軸組件剛度影響較大。 根據分析和實驗，縮短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此，設計時在滿足結構要求的前提下，盡量縮短懸伸量a。[3]3.3.3 主軸最佳跨距L的選擇主軸的支承跨距L。主軸前支承點至主軸后支承點之間的距離稱為跨距L， 見圖3。主軸組件的支承跨距對主軸本身剛度和對支承剛度有著很大的影響。跨距L對綜合剛度 K的影響不是單向的。如L較大，則主軸變形較大；如 L較小，則軸承的變形對主軸前端的位移影響較大。所以， L有一個最佳值， L太大或太小，都會降低綜合剛度。主軸的支承跨距存在著最佳跨距 L0， 可使主軸組件前端位移最小。主軸組件由于受結構限制以及保證主軸組件的重心落在兩支承之間，實際的支承可大于最佳的支承跨距。為了確定最佳跨距L0 和前懸伸a之比L0/a，可先求出3.3.4 主軸徑向剛度的驗算通過經驗公式驗算設計主軸結構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選用B級，而普通精度加工中心主軸前支承軸承則選用 C級。主軸后支承軸承，則選用比前支承軸承低一級精度的軸承。`傳動軸支承，選用D級或 E級。 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，主軸受熱時向后延伸，使前端的變形小，精度高。3.4.2主軸常用動軸承的類型。主軸常用動軸承的類型有四種：（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整。主軸軸承的結構配置 主軸軸承的結構配置主要取決于主軸的轉速特性的速度因素和主軸的剛度要求。主軸軸承結構配置形式主要由下面兩種。 適應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，是現有精工機床主軸結構中剛性最好的一種。這種配置形式主要適用于大中型臥式加工中心主軸和強力切削機床主軸。既要高剛性又要高速度是，可以把60 接觸角的標準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 46117 型角接觸球軸承組合配置形式。如果后支承采用3182100 型調心雙圓柱滾子軸承，更能加強主軸剛性。[2]適應高速要求的軸承配置形式 前支撐采用三個超精密級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，能保證較高的回轉精度。三個軸承的組合形式，根據載荷大小和最高轉速以及結構設計要求，可以在三個軸承間加個隔套，也可以使單個軸承都靠在一起的結構形式。 后支承結構，有兩個角接觸球軸承支承。 也有一個 3182100 型調心圓柱滾子軸承支承的。由于在運轉中發熱，主軸必然產生熱膨脹。為了吸收這個熱膨脹，希望后支承能在軸向移動。 3182100型調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緊，軸向不能移動，容易使軸承受損。因此從提高后支承剛性和適應主軸熱脹時后端能夠自由移動這一要求來說，后部支承采用3182100型軸承為好。[2]3.5主軸準停裝置自動換刀精工機床主軸組件設有準停裝置，其作用是使主軸每次都準確地停止在固定的周向位置上，以保證換刀時主軸上的端面鍵能對準刀夾上的鍵槽，同時使每次裝刀時刀夾與主軸的相對位置不變，提高刀具的重復安裝精度，從而提高孔加工時孔徑的一致性。本設計采用機械準停系統，具體結構如圖4所示。4.加工中心的發展改進方向隨著科學技術的發展，加工中心融入更多高新技術。它結合了機械技術、 電子技術、 計算機軟件技術、 氣動技術、 現代化控制技術理論、 測量及傳感技術以及通訊診斷、 刀具和應用編程技術。 使它朝著高效、 精密、 可靠、 穩定的方向發展。 具體表現為以下幾方面：（1）高速高效、 高精度、 高可靠。新一代數控加工中心采用高速主軸單元（電主軸，轉速 15000r/min 100000r/min） 、高速且高加 / 減速度的進給運動部件（快移速度 60m/min120m/min，切削進給速度高達 60m/min） 、 高性能精工和伺服系統以及精工工具系統實現高速高效。為了滿足客戶的需求，精密級加工中心的加工精度則從 （3 5） um提高到 （1 1.5）um。現代加工中心還通過采用更高集成度的電路芯片，利用大規模或超大規模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數量，提高可靠性。 （2）模塊化、 智能化、 柔性化。 機床結構模塊化，精工功能專門化使機床性能比顯著提高。 CNC系統的發展使加工中心向智能化、 柔性化迅速發展。 （3）開放性體系結構。開放性體系結構可通過升擋或剪裁構成各種檔次的精工系統，又可通過擴展構成不同類型精工加工中心的精工系統。 （4）網絡化。加工中心的網絡化將能夠更及時地進行生產信息統計和反饋。（5）行業化。行業化指加工中心的零部件有專門的生產廠家。5.結語隨著時代的進步，客戶要求的提高，加工中心也在不斷地向前發展。為了實現加工中心主軸轉速的超高速，陶瓷軸承開始走進人們的視眼。陶瓷軸承是指軸承滾動體是用陶瓷材料制成，而內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體，主要是因為它具有如下特性：一是重量輕，是軸承鋼的1.5倍。 所以它具有離心力小，動摩擦力小，預緊力穩定，彈性變形小，剛度高的特點。轉速愈高，則由滾動體引起的離心力和慣性滑移亦隨之增高。采用陶瓷滾動體，可大大減少離心力和慣性滑移，有利于進一步提高主軸轉速，其主軸最高轉速可達50000。 但由于還存在價格昂貴和有關壽命、 可靠性的實驗數據尚不充分等問題，還需要進一步實驗和完善。不過，其今后有很大的發展前途。為了實現更高速的加工，人們對加工中心的優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構，采用集成交流伺服電機直接驅動，并增加強力的冷卻和潤滑系統設計。