論述臥式機床主軸組件的優化設計

【摘 要】數控機床技術是現代生產信息化、自動化發展過程的必然產物，數控機床技術有力的提高了關鍵生領域內的生產效率。然而，數控機床各項組件中最為關鍵的部件就是主軸部件，機床中主軸部件動態性能的好壞會直接影響到整個數控機床對于產品進行加工的性能的質量。本文章通過對選用彈簧的阻尼單元進行模擬軸承的約束實驗，分析論述了如何優化數控機床主軸組件的優化設計問題。

【關鍵詞】臥式機床；主軸部件；優化設計

0.引言

數控機床技術在日常生產過程中，極大的提高了工廠企業的工作生產效率，解放了廣大職工的雙手，但是為了進一步地提高數控機床加工技術重要關鍵部件設計的可靠性和安全性，一般而言，加工設計人員在進行關鍵部位的部件產品設計的具體過程中，會對所有產品的性能要進行必要的評價，從而更近一步地對其進行一定的設計改進。數控機床中的關鍵部件就是主軸部件，主軸部件的動態性能好與壞直接影響著數控機床加工性能的優劣，所以說對主軸部件的動態特性進行一定的理論分析和研究具有著不可低估的現實指導意義。

1.關于臥式機床技術理論的分析

在我國國內，近年來關于數控機床技術中臥式機床理論的研究還比較少，一些先進的理論技術經常是被國外所壟斷的。因此，加快我國的數控人才培養和理論建設迫在眉睫。

目前，國內普遍應用的一套臥式數控車床技術就是BW60HS系列車床高速加工技術。而這套車床加工技術的設計、制造、維修技術及工具以及應用技術都完全來源于德國，機床部的一些關鍵零部件（如：電主軸、數控轉臺、滾珠絲杠、線性導軌、軸承、絕對式光柵尺測量系統、液壓系統、潤滑系統、氣動系統、數控系統及驅動控制系統、刀庫等）均采用德國進口的一些國際知名品牌。BW60H系列高速臥式加工中心，具有高速度、高精度、高效率以及高可靠性的特點，是目前國內乃至國際上都遙遙領先的現代化數控機床技術，其技術用用極其廣泛，它能夠應用于儀表、摩托車、液壓件、汽車、模具、航空等行業領域，更是加工箱體、殼體、閥體、連桿類零部件加工以及軸類零件端面加工的理想加工設備。

2.臥式機床主軸組件技術性能分析

2.1主軸部件橫態性能分析

對于主軸部件的橫態分析應結合所有能體現整個主軸部件的振動特性每一個階的模態振型來進行展開。在開展這一項工作的時候，要求工作人員具備相當高的專業技術水準。對于每一步的技術操作都要求精確嚴密。因此，我們可以采取限制每一個彈簧外側的硬點所有自由度的技術方式，通過對整個主軸部件進一步地采取模態分析的專業步驟來進行，這樣的話，我們就可以得出主軸部件所有階的無阻尼自由振動振型和固有頻率。

2.2主軸部件有限元模型的建立

德國的BW60HS 系列高速臥式加工中心的主軸組件主要包括同步帶輪、傳動皮帶輪、主軸、液壓卡盤和鎖緊螺母。彈簧的建模步驟第一步就是在軸承的外圈建立4個相對比較均布的關鍵點位，然后再在內圈的具體位置再建立4個硬點位，連接這兩個相應的硬點和關鍵點。第二步就是把這些鏈接直線劃分成為不同的彈簧單元。在整個模型中通常都是在前支撐設有4根徑向的彈簧，后支撐設計4根徑向的彈簧，在前支撐一般都會設有4根軸向的彈簧，主要是用于模擬角的接觸球軸承所承受的軸向力，所以共計就是12根彈簧。第三步再輸入整個主軸部件材料的相關屬性，這其中鋼材料結構有液壓卡盤、液壓油缸和主軸，而皮帶輪的材料一般都是選用鑄鐵即可。

3.數控機床技術對臥式機床主軸組件的技術要求

對主軸及其組件的基本要求有很多，如旋轉精度、剛度、精度保持性、耐磨性、抗震性、溫升和熱變形等等，本文僅僅就其中的旋轉精度和剛度進行一下技術分析。

3.1旋轉精度

主軸部件在工作過程中的旋轉精度的準確性，是對臥式數控機床生產出合格產品的硬性技術要求，主軸部件設計工作者要格外重視設計工作過程中的旋轉精度問題，務必保證設計出來的產品，符合各項技術指標的要求。旋轉精度主要取決于主軸、支承軸承、主軸箱上軸承孔等的制造、裝配和調整精度。顯然，若要保證主軸組件的旋轉精度，則必然對主軸支承軸頸的圓度、軸承滾道及滾子的圓度、主軸及其上的回轉零件的動平衡度、止推軸承的滾道及滾動體的誤差以及對主軸的主要定心面的徑向跳動和軸向竄動等提高較高的整體要求。

3.2剛度

考察研究臥式機床主軸部件的剛度情況，可以很好地了解整個機床工作過程中的各項技術參數，為保持整個車床穩定健康的工作狀態有著極其重要的影響。在進行此項技術操作的過程中，工作人員應該充分把握好實施力度，做到精確、精準、精細。

主軸組件的剛度，實際上是主軸軸承軸承座孔等的綜合反映，主軸自身的結構形狀和尺寸、滾動軸承的配置形式、背靠背，面對面，同向，混合等，數量，類型，預緊等都將直接影響其剛度，為了保證足夠的剛度，通常盡量使主軸前端的懸伸量縮短，主軸直徑增大，并通過計算求出支承軸承間的最佳跨距，進行預緊，采用合理的軸承及其相應的配置形式等措施，然而盡管如此，如果以上因素中的任和一項因素發生變化或者工作情況不合理，那么這也都將必然導致對產品進行加工的質量水平的下降，從而影響產品的整體合格率。

4.關于主軸部件實驗的研究

4.1激振試驗結果分析

根據主軸部件的正弦激振的結果，我們可以得出曲線為十振點在外加了10N的激力的共同作用之下的速度響應曲線。數據表明在320Hz～410Hz之間共出現了3個小峰值，出現這種情況的原因可能是因為機床的前支撐軸承預緊出現了間隙，理論上應該出現的是一個大峰值，對應整個主軸前端的液壓卡盤的擺動。參考波峰兩邊的曲線具體走向，一階的共振頻率一般都在400Hz左右，而10N激振力的共同作用之下的響應是35dB，0dB所對應的振動具體速度值是0.1mm/s。這個時段，動柔度：動剛度：F/D=5.528N/μm；D/F=0.1809μm/N。

4.2有限元分析結果驗證

在對主軸部件進行檢驗試驗工作過程中，設計工作人員通過對部件有限元的分析，研究了彈簧的阻尼單元的整體分布方式對整個分析結果的影響力和影響效果。建立了部件和主軸的有限元模型。通過選用彈簧的阻尼單元進行模擬軸承部分的約束，進一步分析了BW60HS系列高速臥式加工中心的主軸部件的動態特性；結合其動態激振試驗，模態分析的所有階試驗值和固有頻率值都比較接近，誤差有效地控制在了10%之內，諧響應分析中前兩階動剛度值是和試驗相吻合的，誤差還不到5%，從而驗證了有限元分析結果的準確性。

5.結語

綜上所述，通過對數控機床技術中的臥式機床主軸組件的優化設計技術的討論分析，可以很清楚的看到，主軸組件的優化設計研究工作對于提高機床整體運行效果和安全性有這極其重要的客觀性作用。因此，對于如何做好主軸部件的優化設計工作，對于目前國內的設計人員來說，是一個非常值得深思的課題。

【參考文獻】

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