高速精密加工中心電主軸的加工技術(shù)研究

李有新　王全順　李陽

摘 要：電主軸是高速精密加工中心的核心部件，是影響機(jī)床可靠性的重要部件。從電主軸的熱處理方式、機(jī)加工工藝、組裝工藝和運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)方面對(duì)電主軸加工技術(shù)作了深入研究。

關(guān)鍵詞：電主軸；熱處理；動(dòng)平衡；運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.072

電主軸是高速精密加工中心中最主要的核心部件之一，決定著高速精密加工中心的可靠性。高速精密電主軸自身的精度要求為μm級(jí)，比如主軸錐孔對(duì)軸徑的徑向跳動(dòng)跟部為0.002 mm，距主軸端面300 mm處0.005 mm，主軸支撐軸徑圓度為0.001～0.002，主軸軸徑精度等級(jí)為IT2級(jí)等。電主軸自身的精度誤差和微量的變形是控制的關(guān)鍵，因此，電主軸加工技術(shù)應(yīng)從熱處理方式、加工工藝方案、檢測(cè)方法、裝配工藝和運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)等方面研究。

1 熱處理

主軸材料選用12CrNi3合金滲碳鋼，其在淬火低溫回火或高溫回火后都具有良好的綜合力學(xué)性能，且低溫韌性高、缺口敏感性低、切削加工性能良好、退火后硬度低、塑性好。

采用鍛造毛坯，熱處理方法為：鍛造后進(jìn)行正火處理→出車后進(jìn)行高溫時(shí)效處理→主軸軸頸、主軸7∶24錐孔進(jìn)行滲碳處理，滲碳層深度為1.7 mm→主軸軸頸、主軸7∶24錐孔進(jìn)行淬火處理，淬火硬度為HRC59，并進(jìn)行主軸熱處理、切片實(shí)驗(yàn)→進(jìn)行噴砂處理（左端凸鍵部分和各空刀槽處噴細(xì)砂）→主軸粗磨后進(jìn)行油中定性處理→電主軸錠子加熱和主軸進(jìn)行熱裝配。

2 機(jī)加工工藝

內(nèi)藏式高速電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了主軸加工工藝的特殊性。為了避免電主軸在熱裝轉(zhuǎn)子過程中發(fā)生熱變形而造成回轉(zhuǎn)精度損失或因裝配誤差而造成主軸轉(zhuǎn)子組件不平衡，電主軸轉(zhuǎn)子必須先與機(jī)床主軸裝配在一起，再進(jìn)行精加工。

主軸各軸徑、內(nèi)孔（包括錐孔）留精磨量，上芯軸，找正：按轉(zhuǎn)子內(nèi)徑實(shí)測(cè)值配磨外圓，要求過盈量在0.07～0.09 mm的范圍內(nèi)。

將平衡盤和轉(zhuǎn)子與主軸一起熱裝，并熱裝電機(jī)轉(zhuǎn)子：將平衡盤與轉(zhuǎn)子一同加熱（加熱溫度為180～200 ℃，并保溫1 h，將轉(zhuǎn)子從加熱爐中取出時(shí)，必須確認(rèn)轉(zhuǎn)子的溫度是否在允許加熱的溫度范圍內(nèi)）；將主軸提前垂直安放在平臺(tái)上的支撐具上，加熱后的平衡套、主軸轉(zhuǎn)子和平衡盤依次熱裝至主軸上（待工件冷卻后轉(zhuǎn)機(jī)加）；半精磨、精磨轉(zhuǎn)子（含平衡盤）、主軸內(nèi)孔、軸頸和7∶24錐孔（7∶24錐孔要在軸線A—B基準(zhǔn)的徑向跳允差主軸端面處0.001 5 mm，距主軸端300 mm處0.004 mm）。

3 電主軸部件的組裝工藝

內(nèi)藏式高速電主軸的最高轉(zhuǎn)速達(dá)12 000 rpm，采用前端完全固定，后端浮動(dòng)的軸承支承方式，其總裝配圖如圖1所示。前端四列背對(duì)背前角接觸球軸承，主軸的徑向和軸向全部固定，后端選用圓柱滾子軸承，軸承內(nèi)圈、滾子可與主軸一起沿著外圈滾道作軸向移動(dòng)，減小了熱伸長對(duì)主軸的影響，精度保持性好。根據(jù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，裝配中要解決的關(guān)鍵問題是軸承預(yù)緊力、前后軸承的溫升、主軸的動(dòng)平衡、定子和冷卻套的熱裝、油氣潤滑裝置和冷卻套的防漏等，并確定裝配工藝規(guī)范。

3.1 確定軸承預(yù)緊力

主軸軸承預(yù)緊力與機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、剛度和載荷有關(guān)，軸承預(yù)緊力的增加可提高主軸的剛度，但軸承滾道摩擦、損耗等會(huì)產(chǎn)生熱量。如果熱量無法及時(shí)散發(fā)，則會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床精度，因此，軸承預(yù)緊力應(yīng)通過測(cè)試或試驗(yàn)確定。根據(jù)多次反復(fù)試驗(yàn)，并參考國內(nèi)外電主軸軸承預(yù)緊力的研究結(jié)果，確定預(yù)緊量為0.002～0.005 mm。通過實(shí)測(cè)同組同向軸承內(nèi)、外環(huán)高低差值，可確定內(nèi)、外隔套的高低差，并通過精密配研得出，隔套兩端面平行度允差為0.002 mm。

3.2 主軸的裝配

主軸的裝配如圖2所示。

主軸裝配的具體流程有以下8步：①主軸軸承與主軸軸頸配合公差過盈為0.002～0.005 mm，可通過主軸與主軸軸承實(shí)測(cè)值配磨保證；②軸承安裝前涂SBU15鋰基潤滑脂，填充量為軸承游隙的1/3；③安裝軸承前，主軸應(yīng)垂直固定在操作平臺(tái)的支撐具上，并根據(jù)機(jī)加提供的標(biāo)記確定主軸錐孔對(duì)應(yīng)軸線跳動(dòng)的高點(diǎn)，且軸承內(nèi)環(huán)高點(diǎn)裝配時(shí)應(yīng)與此點(diǎn)對(duì)齊，并與軸承外環(huán)標(biāo)志對(duì)齊；④安裝時(shí)，必須用軸承加熱工具加熱安裝，加熱溫度為50 ℃；⑤軸承、隔套依次按標(biāo)記位置安裝在主軸上，并按順序用安裝套軸向平敲軸承和隔套，確保軸承各結(jié)合端面緊密貼合；⑥安裝隔套時(shí)，不僅要保證隔套自身油氣孔不堵，還必須保證在隔套油氣潤滑孔與套筒位置正確的前提下安裝主軸套筒；⑦安裝主軸螺母；⑧調(diào)整主軸組件的回轉(zhuǎn)精度。

圖3為主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)圖，由此可見，應(yīng)滿足如下要求：①主軸錐孔軸線的徑向跳動(dòng)的根部允差為0.002 mm；②距主軸端面300 mm處的差允為0.005 mm；③主軸的軸向竄動(dòng)允差為0.002 mm；④主軸后軸頸的徑向跳動(dòng)允差為0.02 mm。

3.3 主軸組件動(dòng)平衡

主軸組件的動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在主軸組件動(dòng)平衡方面，應(yīng)注意以下2點(diǎn)：①裝配主軸拉刀桿和相關(guān)旋轉(zhuǎn)零件，蝶形彈簧各面涂耐高壓含MoS2油脂，以提高蝶形彈簧接觸面間的耐磨性；②主軸組件動(dòng)平衡調(diào)整：主軸部件以前端支撐套和后端軸承外環(huán)為支撐，皮帶傳動(dòng)可對(duì)主軸部件進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整，并在電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端平衡盤上配重，從而保證主軸旋轉(zhuǎn)部件不平衡量為0.5 g。

4 主軸運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

主軸運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)分為以下5步：①在主軸箱試車具上進(jìn)行油氣潤滑裝置參數(shù)的調(diào)整，并檢測(cè)軸承溫度變化后的精度。②主軸應(yīng)從最低轉(zhuǎn)速起，依次進(jìn)行低、中、高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，時(shí)間不能<20 min，從而使主軸軸承達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)溫度，且應(yīng)在靠近主軸定心軸承處測(cè)量溫度和溫升，溫度不可超過60 ℃，溫升不能超過30 ℃。③主軸運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)平穩(wěn)，不應(yīng)存在尖叫聲和沖擊聲，主軸噪聲不應(yīng)超過78 dB。④主軸松拉刀機(jī)構(gòu)試驗(yàn)。松、拉刀力應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，用拉刀測(cè)試儀檢測(cè)主軸拉刀力，拉刀力滿足1 400～1 600 kg的要求，松拉刀主軸軸向移動(dòng)量不超過0.15 mm。⑤復(fù)檢主軸精度符合回轉(zhuǎn)精度的要求。

5 結(jié)束語

高速精密加工中心電主軸加工技術(shù)是一項(xiàng)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，每個(gè)企業(yè)都在不斷地實(shí)踐中根據(jù)自有的加工、檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)手段總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)上述步驟加工組裝的電主軸，經(jīng)過性能試驗(yàn)測(cè)試和用戶反饋，主軸錐孔對(duì)軸徑的徑向跳動(dòng)跟部為0.001 6 mm，距主軸端面300 mm處0.004 mm，主軸支撐軸徑的圓度為0.001 4，其精度指標(biāo)達(dá)到了高速精密加工中心的要求。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： The electric spindle is a core component of the high-speed precision machining centers， is an important component affecting the reliability of the machine. From spindle heat treatment， machining process， assembly process and running tests in terms of electric spindle machining techniques were studied.

Key words： electric spindle； heat treatment； balancing； running test