主軸單元關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

林旭堯，譚智，王喆

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110142）

0 引言

隨著高速加工技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,各工業(yè)部門特別是航天、航空、汽車、摩托車和模具加工等行業(yè),對(duì)高速度、高精度數(shù)控機(jī)床的需求與日俱增［1］。機(jī)床主軸作為機(jī)床核心功能部件之一，它的性能對(duì)工件的加工質(zhì)量和機(jī)床效率產(chǎn)生直接影響。

主軸單元主要由主軸、套筒、軸承、隔套、密封蓋、帶輪等組成，是軸承布置、潤(rùn)滑、冷卻、動(dòng)平衡等技術(shù)的綜合運(yùn)用。本文對(duì)主軸單元關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，并以某款主軸單元為例介紹了主軸關(guān)鍵技術(shù)在設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用。

1 主軸單元關(guān)鍵技術(shù)

1.1 主軸軸承布置技術(shù)

實(shí)現(xiàn)主軸單元高速化和精密化的關(guān)鍵是軸承的應(yīng)用。機(jī)床廠對(duì)同一尺寸規(guī)格的高速機(jī)床一般會(huì)分兩大類型，即“高速型”和“高剛度型”分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。前者主要用于航空、航天等工業(yè)加工輕合金、復(fù)合材料和鑄鐵等零件；后者主要用于模具制造、汽車工業(yè)中高強(qiáng)度鋼或耐熱合金等難加工材料和鋼件的高效加工［2］。因此，主軸單元設(shè)計(jì)過程中要根據(jù)實(shí)際情況考慮各種各樣的因素，包括：精度、剛度、可用空間、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、密封。目前在高速主軸單元采用較多的支承軸承主要有：陶瓷軸承、動(dòng)靜壓軸承和磁懸浮軸承［3］。對(duì)于高速高精度主軸，可以選用極限轉(zhuǎn)速較高的精密角接觸球軸承，對(duì)于高剛性主軸，可以選擇圓柱滾子軸承。

機(jī)床主軸為取得較高的剛度一般需要對(duì)軸承施加預(yù)緊，軸承的預(yù)緊可分為定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。定位預(yù)緊是指采用隔套調(diào)整軸承內(nèi)外圈厚度差來施加的預(yù)緊，在主軸回轉(zhuǎn)過程中，離心力引起的軸承內(nèi)圈膨脹、內(nèi)外圈的溫度差等因素會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)部的滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道之間的接觸應(yīng)力增大，預(yù)緊力增加，使軸承壽命降低，極端情況容易發(fā)生軸承磨損或燒傷。定壓預(yù)緊是通過圓柱彈簧、液壓等方式對(duì)軸承施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，在使用過程中即使軸承的相對(duì)位置發(fā)生變化，預(yù)緊力也能基本保持不變。因此主軸在需要較高剛度的場(chǎng)合適用定位預(yù)緊，需要較高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合適用定壓預(yù)緊。

1.2 主軸潤(rùn)滑技術(shù)

為了減少軸承內(nèi)部摩擦和磨損，延長(zhǎng)軸承壽命，需要對(duì)軸承采取潤(rùn)滑。軸承的潤(rùn)滑方式分為脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑兩種，對(duì)于潤(rùn)滑方式的選擇，取決于主軸的工作條件（負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等）。脂潤(rùn)滑具有低成本、免維護(hù)的特點(diǎn)，是廣泛使用的方法。但是為了使主軸達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速以及在工作中保持較低的溫度，需要采用油潤(rùn)滑。油潤(rùn)滑又可以分為油浴潤(rùn)滑、滴油潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑。油氣潤(rùn)滑指的是潤(rùn)滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承［4］，冷卻效果好，污染小，是目前廣泛使用的油潤(rùn)滑方式。

1.3 主軸冷卻技術(shù)

高速主軸單元，特別是電主軸單元，熱源主要由兩部分組成：電主軸和主軸軸承。大量的熱量會(huì)使主軸產(chǎn)生熱變形，影響主軸精度，也會(huì)影響軸承壽命。主軸單元冷卻可以采用兩種手段，一種是在主軸單元套筒外壁加工出冷卻水槽，通過外部冷卻介質(zhì)對(duì)主軸單元進(jìn)行冷卻，冷卻液在冷卻水槽內(nèi)流動(dòng)，迅速帶走主軸內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，保持主軸溫升在較低的范圍內(nèi)。另一種方法是采用油氣潤(rùn)滑，通過流動(dòng)的油氣，帶走主軸軸承的一部分熱量。

1.4 主軸動(dòng)平衡技術(shù)

不平衡有以下四種形式：靜不平衡、準(zhǔn)靜不平衡、力偶不平衡、動(dòng)不平衡［5］。由于主軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件材質(zhì)的不均勻、毛坯缺陷、加工和裝配等原因，使質(zhì)量分布不均勻，形成一定的偏心。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就產(chǎn)生不平衡的離心力，從而使整個(gè)主軸系統(tǒng)產(chǎn)生有害的振動(dòng)和噪聲，降低軸承及整個(gè)主軸系統(tǒng)的使用壽命，影響到整個(gè)主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作精度［6］。因此要求主軸單元?jiǎng)悠胶饩冗_(dá)到G1，高速精密電主軸動(dòng)平衡精度達(dá)到G0.4。調(diào)節(jié)主軸動(dòng)平衡的方式有增重法、去重法兩種，增重法是在主軸前后兩端設(shè)計(jì)平衡螺釘孔，調(diào)節(jié)主軸動(dòng)平衡時(shí)在需要增加質(zhì)量的位置安裝螺釘；去重法是在主軸前后兩端通過鉆孔去重來調(diào)節(jié)主軸動(dòng)平衡量。

2 主軸關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

某款數(shù)控車床主要用于軸類零件的半精加工及精加工，要求主軸最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min，鼻端徑向跳動(dòng)0.003 mm，采用皮帶傳動(dòng)。首先根據(jù)其精度高的特點(diǎn)，前端選用精度相對(duì)更高的高速精密角接觸球軸承，四聯(lián)組合背對(duì)背布置，承受加工時(shí)產(chǎn)生的軸向及徑向力，由于車削過程中切削力較大，因此采用定位預(yù)緊方式。為了克服主軸后端皮帶的徑向拉力，故后端采用徑向剛度更高的雙列圓柱滾子軸承。這樣主軸既能滿足高速、高精度的要求，同時(shí)具有較好的軸向及徑向剛度。經(jīng)過計(jì)算，軸承采用脂潤(rùn)滑時(shí)的極限轉(zhuǎn)速能夠滿足要求，因此主軸單元采用了免維護(hù)且成本更低的脂潤(rùn)滑方式。主軸前后端均設(shè)計(jì)了平衡螺釘孔，通過安裝平衡螺釘來調(diào)整主軸動(dòng)平衡。為了防止冷卻液入侵，主軸前后端均設(shè)計(jì)了迷宮密封結(jié)構(gòu)，并在前端密封蓋下方設(shè)計(jì)了排水孔。這款主軸單元由于沒有采用內(nèi)藏式電機(jī)，整體發(fā)熱量不大，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，沒有設(shè)計(jì)外部冷卻水套。主軸單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該款機(jī)床主軸經(jīng)測(cè)試，性能完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 主軸單元結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

高速、高精度機(jī)床是高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向，主軸作為機(jī)床的核心功能部件，對(duì)其研究有著重要的意義。主軸單元是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，影響其精度、剛性的因素很多，本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，介紹了主軸單元開發(fā)過程中需要考慮的因素，并進(jìn)行了分析比較，關(guān)于主軸精密制造、裝配等問題需要進(jìn)一步研究。

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