BT40型高速、高精度直联式加工中心机械主轴单元研制探究

黄利银

（长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410014）

主轴单元部件的功能是带动并支撑刀具或器件，传递器件使其运动、承受削力以及驱动运行等完成这种成形表面荷载运动地重要部件。主轴单元的性能高低，可以影响到车间机床器件的质量好坏和生产率的高低，它的动、静态性能基本上可以决定整个机床动、静态性能高低。近些年，瑞士、美国、加拿大、日本、英国、意大利、德国等一大批工业类强国不同程度地斥巨额资产开发此技术。主轴单元作为重要部件，一定要具备高精度、高速运行的特征，在进行一系列精准的设计与生产后，将主轴部件批量生产和出口，对提高我国国产直联式加工中心的生产品质有着举足轻重的意义。

1 国内外对于主轴单元的研究现状及分析

高速、高精度主轴的设计理论从1980年才从实验室走进社会，近几年来，开始在工业上对高速、高精度主轴单元进行研究、加工、试验、分析结果，并渐渐地在汽车、航空等领域应用推广。在国际领域，高速大功率的电动主轴技术在不断发展，转动速率飞速提高，这类器件的其它各项性能和参数也在不停地提高改进，这使得机床可加工地范围更大了。高速、高精度加工不仅可以缩少切割时间，数据更加精确，这一定会成为以后加工技术更为先进的发展趋势，因此高速、高精度的加工是各个工业强国重要的研究课题。目前，美国、德国、日本等国家处于研究领先地位。精度的保持和可靠还是这类主轴另外的两个极其重要的标准。而作为重要器件的主轴单元，我国跟其他工业强国的差距仍然很大，在性能和指标上与其他国家的加工厂商相比较，主要有这几个方面的差距：

（1）主轴是控制机床关键切割轴，当高速地运行、转动时，会生成大量的热量，因为温度的变化和分布不均，造成轴承的预紧力量变化，增加器件磨损程度，因此需要分析和探讨以达到最为合适的数值。

（2）主轴单元优化结构的设计上，使用现代设计方式来精准地运算高速、高精主轴单元的性能和精度方面的问题仍有局限性。

（3）高速、高精度主轴单元的安装、配置条件有限制，很多必要的工艺方式还在探索的阶段，所以仍需要可靠的、科学的方式来保证准确性。

2 主轴单元重要关键技术研究

2.1 单元轴承的组合方式的设计与论证

主轴是高速且精度高的单元，可以知道四列的轴承组合不但可以达到高速运转要求，还可以保持主轴单元高刚度的特性。四列轴承组合通常是两个两个串联起来，这样就能同时承担和负荷不同方向上轴承的负荷量。如同是相同内部间隙话，它的刚度和预紧力大约是串联起来的2倍之高，能够承受住的负荷量也大了。轴承单元都需要预紧环节，为的是提升轴承在旋转时刚度和精度；同时防止产生压痕，造成这个滚动体产生滑动，机械主轴采用的是定压预紧，原因是定压预紧更适合高速度，而不是很适合高刚度的要求。且预紧力越大的话，就更容易造成轴承单元发热。因此，采取轻预紧就可以满足本主轴单元的要求。

2.2 机械主轴固有的频率探测与分析

所有的机床在运行的时候，主轴会受到静态的作用力，也会受到比如因为主轴单元平衡力不够、切割材料硬度、切割过程中产生自我震动、不连续的切割造成不均等情况，会造成很大地干扰，这样主轴就会自我振动。为保证机床运行的安全性，主轴的转速要远远高于或低于它临界的转速值。运用近似值的方式来计算主轴单元固有频率。通常情况下，无阻尼和有阻尼系统产生的固有频率，其数值会比较相近，就用无阻尼系统固有的频率来算有阻尼系统固有频率的近似值。在运用有限元的分析方式来运算主轴单元数值时，可忽略有无阻尼产生的影响。

2.3 密闭方式、冷却方式的方案论证

由于机械主轴的转速高，所有轴承都需要进行冷却后，才能确保器件在高速运转时可以保持正常。冷却方式有两种：空气冷却、液体冷却。将套筒外圈加上循环的沟槽，加入过滤后的水来进行液体冷却。机械主轴器件必须要密封起来，在轴承高速运行时，任意很微小的灰尘进到轴承的内部后，就会引发轴承的振动，更甚者会造成轴承咬死的状况。所以采用前后放置迷宫垫来对机械进行密封，并采用将前压盖进行加气的密封结合起来的方式密闭冷却。这样将两种密闭方式结合起来就可以很有效地防止油液和灰尘进入到轴承单元的内部。

2.4 主轴单元高速速运行时源性能的技术研究

主轴会产生热变形，这样一来，不只是会影响到机床在加工器件时的精度，还会影响到了各个主轴上轴承器件的预载量，从而也会影响到加工好的机床使用寿命长短。高速运行中的主轴器件，其热源来自于电机和运转中地轴承所产生的热。因为轴承内部地摩擦，使其生出热能，温度升高便影响到了轴承单元的预载量。但是不一样的转速在旋转时，主轴的热膨胀和刚度会伴随着进行非线性的变化。但是在相对稳定的状态下，主轴单元有冷却的时候其刚度是没有进行冷却时的6～7倍之多。造成主轴单元失效的重要原因就是轴承的高温，所以说主轴运行产生的热伸长影响零器件加工的精度。在对高速运行的主轴进行结构上设计时，就采用将后端浮动和将前端固定的结构形式。将主轴元件的的轴向、径向通通固定住，并在主轴的后端采用圆滚轴承，使轴承内部的圈子、滚子能和主轴一同沿滚道在外圈进行移动。

2.5 机构主轴的调整与配置

一个主轴器件中重要的零件有：拉杆、主轴、锁紧螺母、迷宫垫、套筒、隔套以及前后压盖等零件。

主轴单元零件在机床加工完毕后即可装配。在装配之前，将零件进行彻底清洗。一定要保证除去器件小孔内的铁屑，但要是通孔器件，就要保证这个孔一定是通的，而且没有杂物。轴承要依不同的型号进行针对性的、专门的清洗环节。在产品出口前，都对轴承单元的表面涂油以防锈，防止在轴承地运输中或者存储时，可能会有尘埃落入以及产生锈蚀。取出元件后，要先使用汽油或者煤油清洗防锈油。清洗可分成精洗、粗洗。清洗时，可轻转轴承，在清洗槽中使用专用刷子除掉轴承单元表面污物，而清洗槽里的清洗液一定要保持干净。清洗完毕后，进行晾干，再进行润滑脂的填充。采用专用注脂器，填充轴承总空间体积的2%。填充润滑脂的方式是：先在轴承的每个球间隙，使用专用小针管匀量填充进润滑脂。再轻轻地转动单元轴承，让润滑脂在每个球中间、架持内部、滚道表面等地方，将润滑脂在轴承单元内部均匀填充。而对于同轴承元件接触到的零件都要在装配之前对尺寸进行检查。轴承座和轴都要洗涤洁净，不能有眼睛可见的毛边、毛刺和伤痕等瑕疵。确保轴承的内圈和外圈尺寸正确。进行测量的时候应该在恒温的室内，且要到轴承的温度跟室内环境温度相同时再进行。最后检查其余的零件，其主要还是检查器件表面质量，不能有眼睛可以看到的瑕疵。且前面和后面的压盖应该进行尺寸检查，相隔两圈平行程度必须在0.003mm以内，这样就不会造成轴承元件的噪音、倾斜或造成精度不准确等问题。

3 对机械主轴器件的各种性能进行检测

3.1 动态回转类性能测验

动态回转类性能检测是为了确认主轴单元在工作时的转速以及在核定载荷情况时运行的主轴轴向位置和径向位置是否会随着载荷量的变化而变化。动态回转测试的是机械主轴器件应该是已经进行过饱和试验后的机械主轴。单元主轴应该在试验以前地运行速度是由低到高，并对其预热。加工高速、高精度的主轴单元应按照旋转的敏感方向对主轴进行安装和配置移位传感器件来进行性能测试。主轴单元的系统，其动态特征会影响到机床整体切割性能，它可以决定机床切削的稳定性及抗振性。所以主轴单元需要在动态具有很好的特性，以确保在各种条件的工艺制作下，数字控制机床可以自动进行切削和加工，而且还有很高的精度以及更高的生产率。

3.2 升温测试

测试是为了探究在规定的情况下，主轴运行时部分单元高于或低于冷却液温度时相应的变化，以记录主轴伸缩长短随着温度变化产生地变化。在试验前后要对主轴单元进行防护，使检验主轴的空间足够，同时允许空气可以自由地流通。本单元主轴的检测方法是在套筒外圆上附着温度计。试验时，温度计应该紧紧地贴于轴承外圆面上，防止受到冷却介质在轴承周围造成的影响。主轴在进行检测时，应首先将主轴进行冷却，然后调整转速到规定的转速，使主轴的各个部分元件升温到稳定的温度，每10分钟记录一下检测主轴的冷却介质和轴承单元的温度。被测主轴单元陆续在60min的温度变化保持在0.5℃以内，主轴的升温情况稳定。

4 结语

对于如今国内外对主轴的研究、工程的需求量和中国对于主轴器件研究的缺陷，本论文用BT40型的直联式加工中心使用主轴作为机械单元的对象进行研究，从方案设计、论证、检测、分析等多个方面对主轴单元进行研究。通过理论设计了此主轴的机械单元，由此再进行装配和调试，最后通过试验来确保主轴按规定能正常运行。由于转速高所以选择直联式的结构，BT型刀柄是目前用得比较多的，40型的刀柄满足了对常规孔加工地范围。轴承经过各种对比检测后，选择四联式组合与刚性 预紧的方式。润滑方式也采取的是油脂去润滑的方法，高速且环保。在检测完毕后，实际生产的产品同理论上推测数据的差值里面，找出缺陷再完善。经过专业单位鉴定后，此机械主轴符合所有设计要求。