关于一种卧式铣镗加工中心高刚性主轴的探讨

乔宇

摘 要 针对现有卧式铣镗加工中心的铣轴与镗轴配合间隙大，主轴刚性不足的情况，设计了一种新的主轴结构并提供了其制造方法，采用灌胶技术解决了铣轴和镗轴的配合精度只靠机加，间隙较大的问题，可同时满足高转速、高精度、高刚性的要求。

关键词 高刚性；主轴；灌胶技术

数控卧式铣镗加工中心作为一种通用型机床，广泛应用于多个行业。随着机械制造水平的不断提高和新兴市场的需求，对于机床主轴的刚性、精度和转速有了更高的要求[1]。卧式铣镗加工中心的铣轴与镗轴配合，在国外多采用由精密磨削加工控制配合间隙，实现精密配合，但由于国内的机械加工水平有限，虽然可以实现精密磨削，但配合间隙范围较大，如果间隙较大，影响配合精度和主轴转速；间隙过小，装配困难，影响镗轴的进给运动[2-3]。由于传统工艺中的诸多不足，本文提出了一种新的高刚性主轴方案。

1 高刚性主轴结构

本文这种数控卧式铣镗加工中心的主轴结构，主要由铣轴，镗轴，铜套，前、后轴承，轴承座，内外隔套，浇铸树脂组成。镗轴套装在铣轴内，通过键连接，镗轴可在丝杠带动下在铣轴内沿轴向自由滑动。铣轴前端镶有铜套，铜套的内孔、主轴后端的内孔与镗轴小间隙配合，铣轴内孔的中间部位有浇铸树脂，进一步消除间隙。

该卧式铣镗加工中心的高刚性主轴结构如图1所示，镗轴1套装在铣轴8内，键15通过螺钉固定在空心主轴8上，在镗轴1上开有长键槽，键15的两侧与镗轴1上的长键槽小间隙配合，配合间隙0～0.01mm。空心主轴8内的镗轴1在丝杠带动下沿轴向自由滑动，并通过键15连接可以在空心主轴8和镗轴1间传递扭矩，一起旋转。铣轴8的前端镶有铜套2，材质为CuSn12-C，铜套2的内孔与镗轴1的外表面精密磨削，铜套2的内孔与镗轴1的外表面的配合间隙为0.008～0.012mm，铣轴8后端与镗轴1的配合间隙同样为0.008～0.012mm。铣轴8和镗轴1的间隙灌入浇铸树脂9从而减小配合间隙。铣轴8前、后端均有前轴承4、后轴承11，前轴承4为一对25°接触角的精密角接触球轴承，背靠背布置，轴承4之间有等高的内外隔套5和6，在外隔套6上沿周向开有八个润滑孔，每个轴承对应四个润滑孔，混合后的油气从润滑孔喷出给轴承润滑。前轴承4由压盖3通过螺钉固定在前轴承套7内。后轴承11为一对25°接触角的精密角接触球轴承，背靠背布置，轴承之间有等高的内外隔套13和12，在外隔套12上沿周向开有八个润滑孔，每个轴承对应四个润滑孔，混合后的油气从润滑孔喷出给轴承润滑。后轴承11由锁紧螺母14通过空心主轴8上的螺纹固定在后轴承套10内。

2 高刚性主轴的制造及装配方法

镗轴与铣轴的制造方法：机加铣轴内孔中间部位扩径，并且加工成粗糙表面，粗糙度12.5，与镗轴之间预留2～3mm的间隙；机加镗轴外表面，粗糙度要求高于1.6；机加铣轴内孔粗糙度12.5，两种粗糙度要求是相差悬殊是为了能与浇铸树脂牢固的粘接在一起，而對镗轴1外表面的粗糙度要求只是高于1.6，是为了在隔离剂帮助下不粘连、且能与铜套精密配合。

装配前预先在镗轴外表面涂抹隔离剂，隔离剂与浇铸树脂互不相溶，防止浇铸树脂与镗轴粘连。将镗轴装入铣轴内孔，在装配位置的配合间隙中用浇铸树脂填充预留的间隙：由于浇铸树脂初始状态为液态，可完全消除镗轴和空心主轴的配合间隙。浇铸树脂主要成分为环氧树脂与固化剂，按质量比100：11混合，在20℃左右，灌入铣轴，填充过程应该在25分钟内完成，以确保浇铸树脂为液态，具备良好的流动性，保证与镗轴和铣轴充分接触；铣轴和镗轴垂直放置，以利于排除空气；浇铸树脂将在空气作用下逐渐固化，继续保持20℃左右恒温14至15小时，完全固化，与铣轴牢固结合在一起，然后除去镗轴表面的隔离剂。尽管隔离剂的层厚度极薄，却要利用去除这极薄的厚度而形成小间隙，镗轴才能在铣轴内轴向滑动。固化后浇铸树脂层达到稳定的物理性能：抗压强度可达到125N/mm2，肖氏硬度可达到85（HRC59），弹性模量4000N/mm2，膨胀系数45×10-6m/℃，最大工作温度可以达到50℃，以上物理特性接近金属材料的性能，有足够的强度和刚性满足主轴工作的需要。

3 结束语

本文所设计的高刚性主轴的主要特点是在铣轴的前端镶有铜套，铣轴内的镗轴可沿轴向自由滑动、镗轴与铣轴通过键连接传递扭矩，一起旋转。通过精密角接触球轴承的布置和油气润滑方式，保证了主轴有足够的刚性、转速和旋转精度，浇铸树脂的使用保证了主轴和镗轴间的小配合间隙，提高了配合精度，降低了镗轴伸出后的悬垂误差。经过样机试验验证，这种高刚性主轴能满足机床高速、高刚性、高精度的性能要求。

参考文献

[1] 郭琳娜，郑天池，曹冠，等.高速切削机床关键技术研究与分析[J].机械设计与制造，2018，（02）：210-212.

[2] 王海涛，李初晔.提高主轴整体质量的设计方法研究及应用[J].制造技术与机床，2013，（4）：137-140.

[3] 李晓华.加工中心、高速精密数控铣床的主轴设计[J].机械制造，2003，41（1）：20-21.