基于剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓技術(shù)的立式加工中心 主軸部件的研發(fā)

鄺錦富 莫持標(biāo)

（1.廣東今科機(jī)床有限公司，江門 529090；2.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系，江門 529090）

立式加工中心主軸部件是機(jī)床的核心部件之一，直接決定機(jī)床的技術(shù)水平和加工精度。經(jīng)多年研究，目前已開發(fā)了多種型號(hào)的數(shù)控機(jī)床，其中主軸是核心研發(fā)部件之一。原先的傳統(tǒng)立式加工中心機(jī)床主軸部件，軸承采用剛性預(yù)壓或彈性預(yù)壓技術(shù)。主軸工作一段時(shí)間后，溫度升高產(chǎn)生熱脹冷縮，主軸軸承預(yù)壓力減少或消失，導(dǎo)致主軸部件的精度發(fā)生改變，直接影響加工精度。為了解決上述問題，經(jīng)過較長時(shí)間的研究與實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一種剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓技術(shù)的主軸部件，解決了主軸軸承預(yù)壓力減少或消失的問題，使機(jī)床主軸在工作過程中保持相對穩(wěn)定的加工精度。此主軸部件應(yīng)用在生產(chǎn)上，效果甚佳，提升了機(jī)床質(zhì)量檔次，生產(chǎn)的產(chǎn)品深受用戶喜歡。

1 復(fù)合預(yù)壓技術(shù)的立式加工中心主軸部件研發(fā)

為了提高立式加工中心主軸部件回轉(zhuǎn)精度，避免主軸工作時(shí)發(fā)生竄動(dòng)，對主軸軸承的剛性預(yù)壓技術(shù)或彈性預(yù)壓技術(shù)存在的問題，創(chuàng)新與改進(jìn)主軸軸承預(yù)壓技術(shù)，即主軸軸承預(yù)壓采用剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓技術(shù)。

1.1 復(fù)合預(yù)壓技術(shù)主軸部件的總體結(jié)構(gòu)

原來的主軸部件軸承采用剛性預(yù)壓技術(shù)，圖1是主軸部件改進(jìn)前的裝配圖。主軸工作時(shí)，主軸溫度升高會(huì)產(chǎn)生熱伸長，且熱伸長一般大于其他零件的熱伸長，導(dǎo)致原來對軸承的預(yù)壓力變小甚至為零。主軸工作時(shí)可能發(fā)生竄動(dòng)，使得主軸回轉(zhuǎn)精度降低。

圖1 剛性預(yù)壓主軸部件裝配圖

現(xiàn)在原來結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研發(fā)復(fù)合預(yù)壓技術(shù)的立式加工中心主軸部件，圖2是主軸改進(jìn)后的裝配圖，其基本結(jié)構(gòu)簡述如下。

圖2是一種剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓技術(shù)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(gè)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(cè)被軸體6覆蓋，軸承4的外圈與彈性墊5連接，彈性墊5內(nèi)安裝有彈性工件11，用于產(chǎn)生彈性預(yù)壓力，彈性工件11設(shè)置于中間隔10之外，中間隔10設(shè)置于軸芯15與軸體6之間。

圖2 剛?cè)釓?fù)合預(yù)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(nèi)圈，使軸承產(chǎn)生剛性預(yù)壓力。

改進(jìn)主軸部件后，增設(shè)彈簧墊和彈簧，見圖2序號(hào)5、11。彈簧墊開有16個(gè)軸向小孔，安裝16個(gè)彈簧，同時(shí)要改進(jìn)軸體的結(jié)構(gòu)，以便安裝彈簧墊與彈簧，使軸承增加了彈性預(yù)壓[1]。

主軸部件改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)組成即剛性預(yù)壓主軸部件，見圖3。主軸部件改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)組成即剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓主軸部件，見圖4，增加了彈簧墊5和彈簧11。

圖3 剛性預(yù)壓主軸部件的結(jié)構(gòu)組成

1.2 彈簧墊的設(shè)計(jì)

彈簧墊需要專門設(shè)計(jì)制造，有16個(gè)軸向小孔，可安裝16個(gè)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(jìn)

因增設(shè)了彈簧墊，對軸體的結(jié)構(gòu)要作相應(yīng)的改進(jìn)，以便安裝彈簧墊，見圖2與圖4的序號(hào)6。

圖4 剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓主軸部件的結(jié)構(gòu)組成

1.4 剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓技術(shù)主軸部件的工作原理

第一，當(dāng)主軸處在低轉(zhuǎn)速、大余量切削時(shí)，因主軸轉(zhuǎn)速低，主軸溫升不大，主軸伸長小，此時(shí)剛性預(yù)壓和彈性預(yù)壓共同發(fā)生作用，對軸承產(chǎn)生壓緊力。

第二，當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，主軸軸芯溫升提高，主軸伸長增加。在剛性預(yù)壓減弱時(shí)，此時(shí)在彈簧作用下，彈性預(yù)壓發(fā)生作用，能保持對軸承的壓緊力，避免軸承預(yù)壓力消失，避免主軸回轉(zhuǎn)精度明顯下降或發(fā)生竄動(dòng)。

第三，主軸受熱伸長時(shí)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?cè)釓?fù)合預(yù)壓技術(shù)主軸部件與改進(jìn)前的比較

2.1 與剛性預(yù)壓技術(shù)主軸部件比較

圖1是改進(jìn)前軸承預(yù)壓采用剛性預(yù)壓技術(shù)的裝配情況。主軸軸承如單純采用剛性預(yù)壓技術(shù)，主軸工作時(shí)因?yàn)橹鬏S軸芯溫度升高產(chǎn)生熱伸長，且熱伸長大于其他零件的熱伸長，導(dǎo)致原來對軸承的預(yù)壓力變小甚至為零，主軸回轉(zhuǎn)精度降低甚至發(fā)生竄動(dòng)。同時(shí)，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(yù)壓技術(shù)主軸部件比較

主軸軸承單純采用彈性預(yù)壓技術(shù)時(shí)（即只有彈性預(yù)壓沒有剛性預(yù)壓），當(dāng)主軸處在低速、大余量切削時(shí)，因切削力大，與剛性預(yù)壓相比，彈性預(yù)壓剛性弱。當(dāng)采用大切削用量時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)精度同樣會(huì)降低，嚴(yán)重時(shí)主軸會(huì)被卡住，導(dǎo)致加工中心機(jī)床不能正常工作[4-5]。

3 結(jié)語

立式加工中心機(jī)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(dú)基于剛性預(yù)壓或彈性預(yù)壓進(jìn)行工作。采用剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓技術(shù)，相比于傳統(tǒng)技術(shù)，不管主軸處在低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速，主軸部件均能夠保持對軸承壓緊，避免軸承預(yù)壓力明顯變化，能有效提高立式加工中心主軸部件的回轉(zhuǎn)精度，避免主軸部件在工作時(shí)發(fā)生竄動(dòng)。主軸受熱伸長時(shí)，向上延伸，不影響刀尖位置。剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓技術(shù)能有效提高機(jī)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(shí)間的研究與實(shí)踐表明，剛?cè)釓?fù)合預(yù)壓技術(shù)的立式加工中心主軸部件解決了主軸軸承預(yù)壓力減少或消失的問題，使機(jī)床主軸在工作過程中保持相對穩(wěn)定的加工精度。此主軸部件應(yīng)用在生產(chǎn)上，效果甚佳，提升了機(jī)床質(zhì)量的檔次，且生產(chǎn)的產(chǎn)品深受用戶喜歡。本研發(fā)技術(shù)不僅應(yīng)用在立式加工中心的主軸部件上，還可推廣應(yīng)用在其他機(jī)床的主軸部件上，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值，能提升我國機(jī)床裝備的技術(shù)水平和競爭力。