關于一種臥式銑鏜加工中心高剛性主軸的探討

喬宇

摘 要 針對現有臥式銑鏜加工中心的銑軸與鏜軸配合間隙大，主軸剛性不足的情況，設計了一種新的主軸結構并提供了其制造方法，采用灌膠技術解決了銑軸和鏜軸的配合精度只靠機加，間隙較大的問題，可同時滿足高轉速、高精度、高剛性的要求。

關鍵詞 高剛性；主軸；灌膠技術

數控臥式銑鏜加工中心作為一種通用型機床，廣泛應用于多個行業。隨著機械制造水平的不斷提高和新興市場的需求，對于機床主軸的剛性、精度和轉速有了更高的要求[1]。臥式銑鏜加工中心的銑軸與鏜軸配合，在國外多采用由精密磨削加工控制配合間隙，實現精密配合，但由于國內的機械加工水平有限，雖然可以實現精密磨削，但配合間隙范圍較大，如果間隙較大，影響配合精度和主軸轉速；間隙過小，裝配困難，影響鏜軸的進給運動[2-3]。由于傳統工藝中的諸多不足，本文提出了一種新的高剛性主軸方案。

1 高剛性主軸結構

本文這種數控臥式銑鏜加工中心的主軸結構，主要由銑軸，鏜軸，銅套，前、后軸承，軸承座，內外隔套，澆鑄樹脂組成。鏜軸套裝在銑軸內，通過鍵連接，鏜軸可在絲杠帶動下在銑軸內沿軸向自由滑動。銑軸前端鑲有銅套，銅套的內孔、主軸后端的內孔與鏜軸小間隙配合，銑軸內孔的中間部位有澆鑄樹脂，進一步消除間隙。

該臥式銑鏜加工中心的高剛性主軸結構如圖1所示，鏜軸1套裝在銑軸8內，鍵15通過螺釘固定在空心主軸8上，在鏜軸1上開有長鍵槽，鍵15的兩側與鏜軸1上的長鍵槽小間隙配合，配合間隙0～0.01mm。空心主軸8內的鏜軸1在絲杠帶動下沿軸向自由滑動，并通過鍵15連接可以在空心主軸8和鏜軸1間傳遞扭矩，一起旋轉。銑軸8的前端鑲有銅套2，材質為CuSn12-C，銅套2的內孔與鏜軸1的外表面精密磨削，銅套2的內孔與鏜軸1的外表面的配合間隙為0.008～0.012mm，銑軸8后端與鏜軸1的配合間隙同樣為0.008～0.012mm。銑軸8和鏜軸1的間隙灌入澆鑄樹脂9從而減小配合間隙。銑軸8前、后端均有前軸承4、后軸承11，前軸承4為一對25°接觸角的精密角接觸球軸承，背靠背布置，軸承4之間有等高的內外隔套5和6，在外隔套6上沿周向開有八個潤滑孔，每個軸承對應四個潤滑孔，混合后的油氣從潤滑孔噴出給軸承潤滑。前軸承4由壓蓋3通過螺釘固定在前軸承套7內。后軸承11為一對25°接觸角的精密角接觸球軸承，背靠背布置，軸承之間有等高的內外隔套13和12，在外隔套12上沿周向開有八個潤滑孔，每個軸承對應四個潤滑孔，混合后的油氣從潤滑孔噴出給軸承潤滑。后軸承11由鎖緊螺母14通過空心主軸8上的螺紋固定在后軸承套10內。

2 高剛性主軸的制造及裝配方法

鏜軸與銑軸的制造方法：機加銑軸內孔中間部位擴徑，并且加工成粗糙表面，粗糙度12.5，與鏜軸之間預留2～3mm的間隙；機加鏜軸外表面，粗糙度要求高于1.6；機加銑軸內孔粗糙度12.5，兩種粗糙度要求是相差懸殊是為了能與澆鑄樹脂牢固的粘接在一起，而對鏜軸1外表面的粗糙度要求只是高于1.6，是為了在隔離劑幫助下不粘連、且能與銅套精密配合。

裝配前預先在鏜軸外表面涂抹隔離劑，隔離劑與澆鑄樹脂互不相溶，防止澆鑄樹脂與鏜軸粘連。將鏜軸裝入銑軸內孔，在裝配位置的配合間隙中用澆鑄樹脂填充預留的間隙：由于澆鑄樹脂初始狀態為液態，可完全消除鏜軸和空心主軸的配合間隙。澆鑄樹脂主要成分為環氧樹脂與固化劑，按質量比100：11混合，在20℃左右，灌入銑軸，填充過程應該在25分鐘內完成，以確保澆鑄樹脂為液態，具備良好的流動性，保證與鏜軸和銑軸充分接觸；銑軸和鏜軸垂直放置，以利于排除空氣；澆鑄樹脂將在空氣作用下逐漸固化，繼續保持20℃左右恒溫14至15小時，完全固化，與銑軸牢固結合在一起，然后除去鏜軸表面的隔離劑。盡管隔離劑的層厚度極薄，卻要利用去除這極薄的厚度而形成小間隙，鏜軸才能在銑軸內軸向滑動。固化后澆鑄樹脂層達到穩定的物理性能：抗壓強度可達到125N/mm2，肖氏硬度可達到85（HRC59），彈性模量4000N/mm2，膨脹系數45×10-6m/℃，最大工作溫度可以達到50℃，以上物理特性接近金屬材料的性能，有足夠的強度和剛性滿足主軸工作的需要。

3 結束語

本文所設計的高剛性主軸的主要特點是在銑軸的前端鑲有銅套，銑軸內的鏜軸可沿軸向自由滑動、鏜軸與銑軸通過鍵連接傳遞扭矩，一起旋轉。通過精密角接觸球軸承的布置和油氣潤滑方式，保證了主軸有足夠的剛性、轉速和旋轉精度，澆鑄樹脂的使用保證了主軸和鏜軸間的小配合間隙，提高了配合精度，降低了鏜軸伸出后的懸垂誤差。經過樣機試驗驗證，這種高剛性主軸能滿足機床高速、高剛性、高精度的性能要求。

參考文獻

[1] 郭琳娜，鄭天池，曹冠，等.高速切削機床關鍵技術研究與分析[J].機械設計與制造，2018，（02）：210-212.

[2] 王海濤，李初曄.提高主軸整體質量的設計方法研究及應用[J].制造技術與機床，2013，（4）：137-140.

[3] 李曉華.加工中心、高速精密數控銑床的主軸設計[J].機械制造，2003，41（1）：20-21.