主軸關鍵技術及其在縱切機床上的應用

郭 生 林旭堯 王 喆

（沈陽機床股份有限公司沈一車床廠，遼寧沈陽110142）

隨著現代工業的跨越式飛速發展，傳統的加工理念已不能滿足人們對加工精細化、專業化、批量化、自動化的要求，在這樣的背景下，復合加工技術應運而生，而其中的代表之一就是縱切機床。縱切機床屬機、電、氣一體化產品，適用于IT、電子、通訊、家電、微特電動機、航天、汽車、摩托車、鐘表、醫療、軍工、漁具、玩具、五金等行業的細長軸類零件的各種高精度、多批量、外形復雜的精密復合加工，可同時一次裝夾完成車﹑銑﹑鉆﹑鏜﹑攻等復合加工。主軸對于縱切機床來說是至關重要的功能部件，本文以某款縱切機床的主軸單元為例，對主軸關鍵技術進行了分析及研究。

1 主軸單元的組成及關鍵技術

主軸系統是機床最重要的部件之一。在生產加工過程中，由主軸系統振動產生的位移在非共振狀態下占機床總位移的30%～40%，共振狀態時則高達60%～80%。數控機床主軸系統大都采用模塊化設計，被稱為主軸單元，由專業廠家進行生產和開發［1］。機床主軸單元是一套功能性組件，由主軸本體、套筒、軸承、密封、潤滑、冷卻、夾緊機構等組成，它們既是獨立的又是相互聯系、不可分割的。雖然目前機械主軸單元無法達到與電主軸相同的極限轉速，但目前也可達到過萬的轉速及較高的精度控制，且價格適中、加工維修相對簡單，符合目前我國機械加工的市場需求。機床主軸單元囊括了高速軸承技術、冷卻技術、動平衡技術、精密制造與裝配技術及電動機傳動技術等，是多種復雜技術運用的綜合體現。

1.1 主軸精度的影響因素

機床主軸為中空結構，軸頸直徑由前至后逐漸遞減，這種結構能夠得到足夠的止推面且便于裝配。同時為保證主軸的剛性和耐磨性，需對主軸進行熱處理。主軸加工精度不高會影響整個主軸單元裝配質量，使運轉時產生振動及發熱現象。影響主軸精度的因素有內錐孔、軸頸、定位基面、鍵槽及螺紋等。主軸軸頸與軸承內圈要嚴格按廠家要求的尺寸公差進行配合，軸頸的形狀誤差也會影響主軸的回轉精度;鎖緊螺母的端面垂直度也影響軸承運轉精度，從而影響主軸單元的回轉精度。

1.2 主軸軸承布置

實現主軸單元高速化和精密化的關鍵是軸承的布置。機床廠對同一尺寸規格的高速機床，一般會分“高速型”和“高剛度型”兩大類型，前者主要用于航空航天等工業加工輕合金、復合材料和鑄鐵等零件;后者主要用于模具制造、汽車工業中高強度鋼或耐熱合金等難加工材料和鋼件的高效加工［2］。

軸承分為兩大類:角接觸球軸承和圓柱滾子軸承。角接觸球軸承特點是旋轉精度高、極限轉速高，具有接觸角，可承受徑向載荷和單向軸向載荷;在承受徑向載荷時會產生軸向分力，需2個或2個以上成組使用;軸承性能依據接觸角、預緊、組合形式不同而不同。圓柱滾子軸承特點是只能承受徑向載荷，滾子與內外圈軌道線性接觸，承載能力強。徑向游隙決定預緊，影響溫升、剛度和壽命。

高剛性主軸設計時通常前端布置圓柱滾子軸承與雙向推力角接觸球軸承，后端布置單列或雙列圓柱滾子軸承;高速、高精度主軸設計時通常選用角接觸球軸承，前端采用2個、3個或4個成組使用，后端通常采用2個軸承背靠背布置。

軸承使用時內部需要預加載荷，預加載荷不僅可消除軸承的軸向游隙，還可以提高軸承剛度、主軸旋轉精度，抑制振動和鋼球自轉時的打滑現象等。

1.3 主軸軸承潤滑

主軸在高速運轉狀態下須采用正確的潤滑方式來控制軸承的溫升，來確保機床工藝系統的精度和穩定性。潤滑方式包括油氣潤滑、油霧潤滑、脂潤滑等，油潤滑可以使軸承獲得更高的轉速，但是潤滑管路的設計及制造復雜，成本較高。潤滑方式的選擇與軸承的轉速、負荷、容許溫升及軸承類型有關。

1.4 主軸單元密封技術

主軸的密封分接觸式和非接觸式兩種。接觸式密封通過密封蓋來實現，非接觸式密封通過迷宮結構或甩油槽實現。甩油槽結構是在端蓋內圈開矩形環槽，隔套外圈開鋸齒形環槽，這樣即使有液體進入也可以靠主軸傳動的離心力把液體沿斜面甩到端蓋空腔內，再由空腔下方的排水孔流出主軸，這兩種密封形式都能夠起到很好的防水和防塵效果。

1.5 主軸單元動平衡技術

高速旋轉的主軸，由于傳動部件的質量分布不均勻、形狀不對稱、加工裝配誤差等因素，使主軸轉動時就產生了不平衡的離心力，從而使整個主軸單元出現振動和噪聲，降低軸承及整個主軸系統的使用壽命，進而影響整個主軸系統的動態工作精度。

在設計過程中要嚴格要求零件精度，遵循零件對稱原則，同一圓周上螺紋孔深度保持一致，盡量減少不平衡因素。同時還要設計動平衡調整環節，在主軸組裝后在動平衡機上進行動平衡測量，通過調整環節修正不平衡量，調整方式包括增重平衡、去重平衡、平衡塊平衡。

增重平衡是在主軸旋轉部件上開有增重孔，調節動平衡時根據不平衡位置向質量輕的方位增加一定配重，如頂絲、螺栓等。去重平衡是在主軸不平衡的位置去掉一部分重量來實現圓周上的平衡，常用的作法是在圓周上根據需要鉆孔。平衡塊平衡是在主軸旋轉部件上開一個環形槽，槽內安裝有平衡塊，通過調整平衡塊的位置來調整主軸的不平衡量。高速主軸單元通常動平衡需要達到G0.4。

2 主軸單元開發實例

下面針對某款縱切機床的主軸單元，介紹主軸關鍵技術在主軸單元研發過程中的應用。該機床要求主軸極限轉速8 000 r/min，主要用于棒料工件的半精加工及精加工。因此機床主軸采用同步帶傳動，主軸與電動機采用1∶1傳動，結構緊湊，傳動精度高。縱切機床主軸屬于高速、高精度主軸，因此軸承應選用極限轉速較高的精密角接觸球軸承，為達到較高的轉速，選用接觸角為15°的角接觸球軸承，并采用背對背結構布置來增加對軸向力的承受。前端軸承布置為固定形式，后面軸承布置為浮動形式，能夠很好地解決主軸及軸承發熱帶來的主軸伸長問題和變形問題。軸承采用輕預緊，最高轉速可達10 880 r/min，可滿足要求。采用脂潤滑方式，結構簡單，便于維修。滑套處的回轉精度不會對主軸回轉精度造成影響，因此采用帶密封圈的精密深溝球軸承。主軸前端采用迷宮式密封結構，下方帶有排水孔，防止液體進入主軸內部。主軸前端帶輪及后端卡爪支座上留有動平衡孔，可以通過向孔內增加配重的形式來調整主軸的動平衡，簡單方便。

棒料的夾緊與松開是依靠主軸前端的夾頭開閉來實現的;主軸夾緊組件由滑套、卡爪、推桿、推套、彈簧及夾頭組成。主軸夾緊時滑套氣缸帶動深溝球軸承外圈使滑套向后移動，卡爪順時針旋轉，卡爪下方向前移動，對推桿產生頂緊力，推桿推動推套將推套內的彈簧夾頭夾緊;主軸松開時氣缸帶動深溝球軸承向前移動，卡爪逆時針旋轉，對推桿的頂緊力消失，彈簧伸長，將推桿與彈簧夾頭脫離，彈簧夾頭松開。主軸單元結構如圖1所示。

3 結語

通過生產實踐，該主軸單元最高轉速可達到8 000 r/min，主軸前端徑向跳動0.003 mm，動平衡等級能夠達到G0.4，運行狀態平穩。高速、高精度機床是未來高檔數控機床的發展方向，主軸單元作為機床的核心功能部件，對其研究有著重要的意義。主軸單元是一套復雜的系統，影響其轉速、精度等因素很多，本文僅對縱切機床機械主軸結構設計中需要考慮的幾個重要因素進行了分析比較。縱切機床主軸單元研發在我國還屬于起步階段，隨著制造技術的不斷發展和新型功能部件的出現，相信未來縱切機床主軸單元的性能會得到進一步提升。

［1］張明華，劉強，袁松梅.主軸單元參數化建模、分析與優化設計［J］.機械科學與技術，2008（2）:225－229.

［2］曹巖，陳衛國，趙汝嘉.高速大功率鏜銑類加工中心電主軸開發［J］.制造技術與機床，2008（4）:47－52.