基于剛柔復合預壓技術的立式加工中心 主軸部件的研發

鄺錦富 莫持標

（1.廣東今科機床有限公司，江門 529090；2.江門職業技術學院 機電技術系，江門 529090）

立式加工中心主軸部件是機床的核心部件之一，直接決定機床的技術水平和加工精度。經多年研究，目前已開發了多種型號的數控機床，其中主軸是核心研發部件之一。原先的傳統立式加工中心機床主軸部件，軸承采用剛性預壓或彈性預壓技術。主軸工作一段時間后，溫度升高產生熱脹冷縮，主軸軸承預壓力減少或消失，導致主軸部件的精度發生改變，直接影響加工精度。為了解決上述問題，經過較長時間的研究與實踐，設計了一種剛柔復合預壓技術的主軸部件，解決了主軸軸承預壓力減少或消失的問題，使機床主軸在工作過程中保持相對穩定的加工精度。此主軸部件應用在生產上，效果甚佳，提升了機床質量檔次，生產的產品深受用戶喜歡。

1 復合預壓技術的立式加工中心主軸部件研發

為了提高立式加工中心主軸部件回轉精度，避免主軸工作時發生竄動，對主軸軸承的剛性預壓技術或彈性預壓技術存在的問題，創新與改進主軸軸承預壓技術，即主軸軸承預壓采用剛柔復合預壓技術。

1.1 復合預壓技術主軸部件的總體結構

原來的主軸部件軸承采用剛性預壓技術，圖1是主軸部件改進前的裝配圖。主軸工作時，主軸溫度升高會產生熱伸長，且熱伸長一般大于其他零件的熱伸長，導致原來對軸承的預壓力變小甚至為零。主軸工作時可能發生竄動，使得主軸回轉精度降低。

圖1 剛性預壓主軸部件裝配圖

現在原來結構的基礎上，研發復合預壓技術的立式加工中心主軸部件，圖2是主軸改進后的裝配圖，其基本結構簡述如下。

圖2是一種剛柔復合預壓技術的立式加工中心主軸部件，包括軸芯15、軸承4、軸體6和與軸承4（共有4個軸承）所匹配相接的中間隔10，軸承4與軸芯15緊密連接且外側被軸體6覆蓋，軸承4的外圈與彈性墊5連接，彈性墊5內安裝有彈性工件11，用于產生彈性預壓力，彈性工件11設置于中間隔10之外，中間隔10設置于軸芯15與軸體6之間。

圖2 剛柔復合預壓主軸部件裝配圖

軸體6與彈性墊5軸向支撐軸承4的外圈，中間隔10軸向支撐軸承4的內圈，使軸承產生剛性預壓力。

改進主軸部件后，增設彈簧墊和彈簧，見圖2序號5、11。彈簧墊開有16個軸向小孔，安裝16個彈簧，同時要改進軸體的結構，以便安裝彈簧墊與彈簧，使軸承增加了彈性預壓[1]。

主軸部件改進前的結構組成即剛性預壓主軸部件，見圖3。主軸部件改進后的結構組成即剛柔復合預壓主軸部件，見圖4，增加了彈簧墊5和彈簧11。

圖3 剛性預壓主軸部件的結構組成

1.2 彈簧墊的設計

彈簧墊需要專門設計制造，有16個軸向小孔，可安裝16個彈簧，其零件圖見圖5。

圖5 彈簧墊零件圖

彈簧可選購，見圖4的局部放大圖G。

1.3 軸體的改進

因增設了彈簧墊，對軸體的結構要作相應的改進，以便安裝彈簧墊，見圖2與圖4的序號6。

圖4 剛柔復合預壓主軸部件的結構組成

1.4 剛柔復合預壓技術主軸部件的工作原理

第一，當主軸處在低轉速、大余量切削時，因主軸轉速低，主軸溫升不大，主軸伸長小，此時剛性預壓和彈性預壓共同發生作用，對軸承產生壓緊力。

第二，當主軸高速回轉時，主軸軸芯溫升提高，主軸伸長增加。在剛性預壓減弱時，此時在彈簧作用下，彈性預壓發生作用，能保持對軸承的壓緊力，避免軸承預壓力消失，避免主軸回轉精度明顯下降或發生竄動。

第三，主軸受熱伸長時向上延伸，不影響刀尖位置，能有效提高立式加工中心的加工精度[2-3]。

2 剛柔復合預壓技術主軸部件與改進前的比較

2.1 與剛性預壓技術主軸部件比較

圖1是改進前軸承預壓采用剛性預壓技術的裝配情況。主軸軸承如單純采用剛性預壓技術，主軸工作時因為主軸軸芯溫度升高產生熱伸長，且熱伸長大于其他零件的熱伸長，導致原來對軸承的預壓力變小甚至為零，主軸回轉精度降低甚至發生竄動。同時，主軸熱伸長向下延伸，影響刀尖位置，也直接影響加工精度。

2.2 與彈性預壓技術主軸部件比較

主軸軸承單純采用彈性預壓技術時（即只有彈性預壓沒有剛性預壓），當主軸處在低速、大余量切削時，因切削力大，與剛性預壓相比，彈性預壓剛性弱。當采用大切削用量時，主軸回轉精度同樣會降低，嚴重時主軸會被卡住，導致加工中心機床不能正常工作[4-5]。

3 結語

立式加工中心機床的主軸及軸承要求較高要求。目前，市面上的加工中心的主軸軸承一般單獨基于剛性預壓或彈性預壓進行工作。采用剛柔復合預壓技術，相比于傳統技術，不管主軸處在低轉速還是高轉速，主軸部件均能夠保持對軸承壓緊，避免軸承預壓力明顯變化，能有效提高立式加工中心主軸部件的回轉精度，避免主軸部件在工作時發生竄動。主軸受熱伸長時，向上延伸，不影響刀尖位置。剛柔復合預壓技術能有效提高機床的加工精度，對立式加工中心主軸核心部件具有重要的意義。較長時間的研究與實踐表明，剛柔復合預壓技術的立式加工中心主軸部件解決了主軸軸承預壓力減少或消失的問題，使機床主軸在工作過程中保持相對穩定的加工精度。此主軸部件應用在生產上，效果甚佳，提升了機床質量的檔次，且生產的產品深受用戶喜歡。本研發技術不僅應用在立式加工中心的主軸部件上，還可推廣應用在其他機床的主軸部件上，具有重要的應用價值和推廣價值，能提升我國機床裝備的技術水平和競爭力。