BT40型高速、高精度直聯(lián)式加工中心機(jī)械主軸單元研制探究

黃利銀

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410014）

主軸單元部件的功能是帶動(dòng)并支撐刀具或器件，傳遞器件使其運(yùn)動(dòng)、承受削力以及驅(qū)動(dòng)運(yùn)行等完成這種成形表面荷載運(yùn)動(dòng)地重要部件。主軸單元的性能高低，可以影響到車間機(jī)床器件的質(zhì)量好壞和生產(chǎn)率的高低，它的動(dòng)、靜態(tài)性能基本上可以決定整個(gè)機(jī)床動(dòng)、靜態(tài)性能高低。近些年，瑞士、美國、加拿大、日本、英國、意大利、德國等一大批工業(yè)類強(qiáng)國不同程度地斥巨額資產(chǎn)開發(fā)此技術(shù)。主軸單元作為重要部件，一定要具備高精度、高速運(yùn)行的特征，在進(jìn)行一系列精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)后，將主軸部件批量生產(chǎn)和出口，對(duì)提高我國國產(chǎn)直聯(lián)式加工中心的生產(chǎn)品質(zhì)有著舉足輕重的意義。

1 國內(nèi)外對(duì)于主軸單元的研究現(xiàn)狀及分析

高速、高精度主軸的設(shè)計(jì)理論從1980年才從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)社會(huì)，近幾年來，開始在工業(yè)上對(duì)高速、高精度主軸單元進(jìn)行研究、加工、試驗(yàn)、分析結(jié)果，并漸漸地在汽車、航空等領(lǐng)域應(yīng)用推廣。在國際領(lǐng)域，高速大功率的電動(dòng)主軸技術(shù)在不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)動(dòng)速率飛速提高，這類器件的其它各項(xiàng)性能和參數(shù)也在不停地提高改進(jìn)，這使得機(jī)床可加工地范圍更大了。高速、高精度加工不僅可以縮少切割時(shí)間，數(shù)據(jù)更加精確，這一定會(huì)成為以后加工技術(shù)更為先進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)，因此高速、高精度的加工是各個(gè)工業(yè)強(qiáng)國重要的研究課題。目前，美國、德國、日本等國家處于研究領(lǐng)先地位。精度的保持和可靠還是這類主軸另外的兩個(gè)極其重要的標(biāo)準(zhǔn)。而作為重要器件的主軸單元，我國跟其他工業(yè)強(qiáng)國的差距仍然很大，在性能和指標(biāo)上與其他國家的加工廠商相比較，主要有這幾個(gè)方面的差距：

（1）主軸是控制機(jī)床關(guān)鍵切割軸，當(dāng)高速地運(yùn)行、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)生成大量的熱量，因?yàn)闇囟鹊淖兓头植疾痪?，造成軸承的預(yù)緊力量變化，增加器件磨損程度，因此需要分析和探討以達(dá)到最為合適的數(shù)值。

（2）主軸單元優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方式來精準(zhǔn)地運(yùn)算高速、高精主軸單元的性能和精度方面的問題仍有局限性。

（3）高速、高精度主軸單元的安裝、配置條件有限制，很多必要的工藝方式還在探索的階段，所以仍需要可靠的、科學(xué)的方式來保證準(zhǔn)確性。

2 主軸單元重要關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 單元軸承的組合方式的設(shè)計(jì)與論證

主軸是高速且精度高的單元，可以知道四列的軸承組合不但可以達(dá)到高速運(yùn)轉(zhuǎn)要求，還可以保持主軸單元高剛度的特性。四列軸承組合通常是兩個(gè)兩個(gè)串聯(lián)起來，這樣就能同時(shí)承擔(dān)和負(fù)荷不同方向上軸承的負(fù)荷量。如同是相同內(nèi)部間隙話，它的剛度和預(yù)緊力大約是串聯(lián)起來的2倍之高，能夠承受住的負(fù)荷量也大了。軸承單元都需要預(yù)緊環(huán)節(jié)，為的是提升軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)剛度和精度；同時(shí)防止產(chǎn)生壓痕，造成這個(gè)滾動(dòng)體產(chǎn)生滑動(dòng)，機(jī)械主軸采用的是定壓預(yù)緊，原因是定壓預(yù)緊更適合高速度，而不是很適合高剛度的要求。且預(yù)緊力越大的話，就更容易造成軸承單元發(fā)熱。因此，采取輕預(yù)緊就可以滿足本主軸單元的要求。

2.2 機(jī)械主軸固有的頻率探測(cè)與分析

所有的機(jī)床在運(yùn)行的時(shí)候，主軸會(huì)受到靜態(tài)的作用力，也會(huì)受到比如因?yàn)橹鬏S單元平衡力不夠、切割材料硬度、切割過程中產(chǎn)生自我震動(dòng)、不連續(xù)的切割造成不均等情況，會(huì)造成很大地干擾，這樣主軸就會(huì)自我振動(dòng)。為保證機(jī)床運(yùn)行的安全性，主軸的轉(zhuǎn)速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于或低于它臨界的轉(zhuǎn)速值。運(yùn)用近似值的方式來計(jì)算主軸單元固有頻率。通常情況下，無阻尼和有阻尼系統(tǒng)產(chǎn)生的固有頻率，其數(shù)值會(huì)比較相近，就用無阻尼系統(tǒng)固有的頻率來算有阻尼系統(tǒng)固有頻率的近似值。在運(yùn)用有限元的分析方式來運(yùn)算主軸單元數(shù)值時(shí)，可忽略有無阻尼產(chǎn)生的影響。

2.3 密閉方式、冷卻方式的方案論證

由于機(jī)械主軸的轉(zhuǎn)速高，所有軸承都需要進(jìn)行冷卻后，才能確保器件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以保持正常。冷卻方式有兩種：空氣冷卻、液體冷卻。將套筒外圈加上循環(huán)的溝槽，加入過濾后的水來進(jìn)行液體冷卻。機(jī)械主軸器件必須要密封起來，在軸承高速運(yùn)行時(shí)，任意很微小的灰塵進(jìn)到軸承的內(nèi)部后，就會(huì)引發(fā)軸承的振動(dòng)，更甚者會(huì)造成軸承咬死的狀況。所以采用前后放置迷宮墊來對(duì)機(jī)械進(jìn)行密封，并采用將前壓蓋進(jìn)行加氣的密封結(jié)合起來的方式密閉冷卻。這樣將兩種密閉方式結(jié)合起來就可以很有效地防止油液和灰塵進(jìn)入到軸承單元的內(nèi)部。

2.4 主軸單元高速速運(yùn)行時(shí)源性能的技術(shù)研究

主軸會(huì)產(chǎn)生熱變形，這樣一來，不只是會(huì)影響到機(jī)床在加工器件時(shí)的精度，還會(huì)影響到了各個(gè)主軸上軸承器件的預(yù)載量，從而也會(huì)影響到加工好的機(jī)床使用壽命長短。高速運(yùn)行中的主軸器件，其熱源來自于電機(jī)和運(yùn)轉(zhuǎn)中地軸承所產(chǎn)生的熱。因?yàn)檩S承內(nèi)部地摩擦，使其生出熱能，溫度升高便影響到了軸承單元的預(yù)載量。但是不一樣的轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸的熱膨脹和剛度會(huì)伴隨著進(jìn)行非線性的變化。但是在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，主軸單元有冷卻的時(shí)候其剛度是沒有進(jìn)行冷卻時(shí)的6～7倍之多。造成主軸單元失效的重要原因就是軸承的高溫，所以說主軸運(yùn)行產(chǎn)生的熱伸長影響零器件加工的精度。在對(duì)高速運(yùn)行的主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)時(shí)，就采用將后端浮動(dòng)和將前端固定的結(jié)構(gòu)形式。將主軸元件的的軸向、徑向通通固定住，并在主軸的后端采用圓滾軸承，使軸承內(nèi)部的圈子、滾子能和主軸一同沿滾道在外圈進(jìn)行移動(dòng)。

2.5 機(jī)構(gòu)主軸的調(diào)整與配置

一個(gè)主軸器件中重要的零件有：拉桿、主軸、鎖緊螺母、迷宮墊、套筒、隔套以及前后壓蓋等零件。

主軸單元零件在機(jī)床加工完畢后即可裝配。在裝配之前，將零件進(jìn)行徹底清洗。一定要保證除去器件小孔內(nèi)的鐵屑，但要是通孔器件，就要保證這個(gè)孔一定是通的，而且沒有雜物。軸承要依不同的型號(hào)進(jìn)行針對(duì)性的、專門的清洗環(huán)節(jié)。在產(chǎn)品出口前，都對(duì)軸承單元的表面涂油以防銹，防止在軸承地運(yùn)輸中或者存儲(chǔ)時(shí)，可能會(huì)有塵埃落入以及產(chǎn)生銹蝕。取出元件后，要先使用汽油或者煤油清洗防銹油。清洗可分成精洗、粗洗。清洗時(shí)，可輕轉(zhuǎn)軸承，在清洗槽中使用專用刷子除掉軸承單元表面污物，而清洗槽里的清洗液一定要保持干凈。清洗完畢后，進(jìn)行晾干，再進(jìn)行潤滑脂的填充。采用專用注脂器，填充軸承總空間體積的2%。填充潤滑脂的方式是：先在軸承的每個(gè)球間隙，使用專用小針管勻量填充進(jìn)潤滑脂。再輕輕地轉(zhuǎn)動(dòng)單元軸承，讓潤滑脂在每個(gè)球中間、架持內(nèi)部、滾道表面等地方，將潤滑脂在軸承單元內(nèi)部均勻填充。而對(duì)于同軸承元件接觸到的零件都要在裝配之前對(duì)尺寸進(jìn)行檢查。軸承座和軸都要洗滌潔凈，不能有眼睛可見的毛邊、毛刺和傷痕等瑕疵。確保軸承的內(nèi)圈和外圈尺寸正確。進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候應(yīng)該在恒溫的室內(nèi)，且要到軸承的溫度跟室內(nèi)環(huán)境溫度相同時(shí)再進(jìn)行。最后檢查其余的零件，其主要還是檢查器件表面質(zhì)量，不能有眼睛可以看到的瑕疵。且前面和后面的壓蓋應(yīng)該進(jìn)行尺寸檢查，相隔兩圈平行程度必須在0.003mm以內(nèi)，這樣就不會(huì)造成軸承元件的噪音、傾斜或造成精度不準(zhǔn)確等問題。

3 對(duì)機(jī)械主軸器件的各種性能進(jìn)行檢測(cè)

3.1 動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)類性能測(cè)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)類性能檢測(cè)是為了確認(rèn)主軸單元在工作時(shí)的轉(zhuǎn)速以及在核定載荷情況時(shí)運(yùn)行的主軸軸向位置和徑向位置是否會(huì)隨著載荷量的變化而變化。動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)測(cè)試的是機(jī)械主軸器件應(yīng)該是已經(jīng)進(jìn)行過飽和試驗(yàn)后的機(jī)械主軸。單元主軸應(yīng)該在試驗(yàn)以前地運(yùn)行速度是由低到高，并對(duì)其預(yù)熱。加工高速、高精度的主軸單元應(yīng)按照旋轉(zhuǎn)的敏感方向?qū)χ鬏S進(jìn)行安裝和配置移位傳感器件來進(jìn)行性能測(cè)試。主軸單元的系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特征會(huì)影響到機(jī)床整體切割性能，它可以決定機(jī)床切削的穩(wěn)定性及抗振性。所以主軸單元需要在動(dòng)態(tài)具有很好的特性，以確保在各種條件的工藝制作下，數(shù)字控制機(jī)床可以自動(dòng)進(jìn)行切削和加工，而且還有很高的精度以及更高的生產(chǎn)率。

3.2 升溫測(cè)試

測(cè)試是為了探究在規(guī)定的情況下，主軸運(yùn)行時(shí)部分單元高于或低于冷卻液溫度時(shí)相應(yīng)的變化，以記錄主軸伸縮長短隨著溫度變化產(chǎn)生地變化。在試驗(yàn)前后要對(duì)主軸單元進(jìn)行防護(hù)，使檢驗(yàn)主軸的空間足夠，同時(shí)允許空氣可以自由地流通。本單元主軸的檢測(cè)方法是在套筒外圓上附著溫度計(jì)。試驗(yàn)時(shí)，溫度計(jì)應(yīng)該緊緊地貼于軸承外圓面上，防止受到冷卻介質(zhì)在軸承周圍造成的影響。主軸在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)首先將主軸進(jìn)行冷卻，然后調(diào)整轉(zhuǎn)速到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，使主軸的各個(gè)部分元件升溫到穩(wěn)定的溫度，每10分鐘記錄一下檢測(cè)主軸的冷卻介質(zhì)和軸承單元的溫度。被測(cè)主軸單元陸續(xù)在60min的溫度變化保持在0.5℃以內(nèi)，主軸的升溫情況穩(wěn)定。

4 結(jié)語

對(duì)于如今國內(nèi)外對(duì)主軸的研究、工程的需求量和中國對(duì)于主軸器件研究的缺陷，本論文用BT40型的直聯(lián)式加工中心使用主軸作為機(jī)械單元的對(duì)象進(jìn)行研究，從方案設(shè)計(jì)、論證、檢測(cè)、分析等多個(gè)方面對(duì)主軸單元進(jìn)行研究。通過理論設(shè)計(jì)了此主軸的機(jī)械單元，由此再進(jìn)行裝配和調(diào)試，最后通過試驗(yàn)來確保主軸按規(guī)定能正常運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)速高所以選擇直聯(lián)式的結(jié)構(gòu)，BT型刀柄是目前用得比較多的，40型的刀柄滿足了對(duì)常規(guī)孔加工地范圍。軸承經(jīng)過各種對(duì)比檢測(cè)后，選擇四聯(lián)式組合與剛性 預(yù)緊的方式。潤滑方式也采取的是油脂去潤滑的方法，高速且環(huán)保。在檢測(cè)完畢后，實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品同理論上推測(cè)數(shù)據(jù)的差值里面，找出缺陷再完善。經(jīng)過專業(yè)單位鑒定后，此機(jī)械主軸符合所有設(shè)計(jì)要求。