主軸箱加工精度對(duì)數(shù)控車床主軸溫度及溫升的影響

王連成

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)得到了迅猛發(fā)展，很多機(jī)械制造廠都已經(jīng)開始大量使用數(shù)控車床。而在數(shù)控車床生產(chǎn)的過程中，主軸箱的加工精度會(huì)對(duì)數(shù)控車床主軸的溫度以及溫升造成很大的影響。本文首先進(jìn)行了主軸箱的加工精度概述，然后重點(diǎn)探討了主軸箱加工精度對(duì)數(shù)控車床主軸溫度及溫升的影響。

關(guān)鍵詞：主軸箱;加工精度;數(shù)控車床;主軸溫度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.013

2020年我國(guó)要基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，從而進(jìn)一步鞏固我國(guó)制造業(yè)大國(guó)的地位，并且大幅度提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平。制造業(yè)發(fā)展過程中，一項(xiàng)重要的組成部分就是高檔數(shù)控車床，不斷開發(fā)出具有柔性、高效、高速以及精密的數(shù)控車床。數(shù)控車床制造過程中，主軸箱的加工精度會(huì)直接影響到數(shù)控車床主軸的溫度以及溫升，本文將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析[1]。

1 主軸箱加工精度對(duì)數(shù)控車床主軸溫度及溫升的影響

本文主要以典型的主軸箱為例來分析主軸箱加工精度對(duì)主軸溫度以及溫升的影響。主軸箱的典型結(jié)構(gòu)為前端固定后端游動(dòng)，并且在裝配過程中一般由法蘭盤、鎖緊螺母對(duì)軸承施加一定的預(yù)緊力，這樣就使得軸承的游隙無限接近于零，甚至?xí)蔀樨?fù)值，有利于提高數(shù)控車床主軸的剛性。要想消除各零部件在加工過程中由于誤差產(chǎn)生的相互干涉，需要一些零件能夠具備彈性變形的能力。而要想克服零件的彈性變形產(chǎn)生的力，從而提高數(shù)控機(jī)床主軸的剛性，需要在各支撐件上產(chǎn)生反作用力。數(shù)控機(jī)床工作過程中，主軸會(huì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)候這些反作用力就會(huì)做功并且產(chǎn)生較大的熱量，從而導(dǎo)致數(shù)控車床主軸的溫度以及溫升升高。而產(chǎn)生這些力的主要因素就是主軸箱在加工過程中存在一些加工誤差[2]。

對(duì)主軸前后軸承孔誤差進(jìn)行分析的時(shí)候，可以將主軸簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行分析，并且假設(shè)a為前后軸承的跨距，M為軸線的偏差，如果主軸要能夠產(chǎn)生大小為M的彈性變形，那么其會(huì)產(chǎn)生的反作用力就是F1，根據(jù)相關(guān)公式可以求出F1。

F1=6EIM/2a3

I=π（D4-d4）/64

此公式中，E代表的是主軸所使用鋼的彈性模量，I為主軸的慣性矩，d為主軸的內(nèi)徑，D為主軸的外徑。將兩個(gè)公式進(jìn)行疊加就能夠計(jì)算出F1的大小。

F1=6*200*π（D4-d4）M/128a3

=30.26（D4-d4）Ma3

軸承孔定位面對(duì)前后軸承的公共軸線的垂直度也會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，并且會(huì)產(chǎn)生一些反作用力。為了消除這個(gè)誤差的存在，軸承的外環(huán)就會(huì)出現(xiàn)較大的彈性變形。進(jìn)行分析的過程中，我們可以假設(shè)軸線和定位面的夾角為，軸承外環(huán)的平均直徑是d1，軸承外環(huán)的寬度為A，假設(shè)這種誤差產(chǎn)生的作用力為F2，那么就可以根據(jù)相關(guān)的公式求出F2。

F2=6EI1A/2（tgd1）3

I1=π（D14-d24）/64

此公式中，軸承使用鋼的彈性模量為E，軸承外環(huán)的慣性矩為I1，軸承外環(huán)的外徑為D1，軸承外環(huán)的內(nèi)徑為d2，將兩個(gè)公式進(jìn)行疊加就能夠求出F2。

F2=6*200*π（D14-d24）A/（tgd1）3

=30.26（D14-d24）A/（tgd1）3

這樣，通過F1和F2就能夠求出總的作用力，假如數(shù)控車床主軸的轉(zhuǎn)速是n，使用鋼的摩擦系數(shù)為，這樣就能夠計(jì)算出力所做的功：W=πFnd2。

以某數(shù)控車床主軸為例，假設(shè)其轉(zhuǎn)速為2000r/min，A為46mm，d1為240mm，d2為240mm，D1為260mm，a為650mm，d為100mm，D為170mm，將這些數(shù)值代入到上述的公式中，我們就能夠計(jì)算出主軸上的反作用力所做的功為0.18kW。根據(jù)能量守恒定律，這些所做的功最后都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，從而?dǎo)致數(shù)控機(jī)床的主軸溫度以及溫升得到增加。因此，數(shù)控車床在運(yùn)行過程中，要想保證主軸能夠高速穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采取一些有效的措施來提高主軸箱的加工精度。

2 提高主軸箱加工精度的有效措施

2.1 保證箱體材質(zhì)以及切削余量均勻合理

對(duì)主軸箱加工精度影響比較大的一個(gè)因素就是切削力的變化。因此在選擇加工工藝的過程中需要保證箱體的切削余量以及毛坯材質(zhì)要能夠均勻合理。必要的時(shí)候可以使用熱處理工藝來對(duì)毛坯進(jìn)行處理，這樣能夠保證材料具有相同的機(jī)械性能，并且進(jìn)行劃線的時(shí)候要保證主軸孔等的切削余量要和孔壁的厚度保持一致并且均勻。

2.2 將粗加工和精加工分開

進(jìn)行主軸箱加工的過程中，為了保證其加工精度，需要將粗加工和精加工分開，防止由于切削過程中產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致熱變形。主軸箱在粗加工過程中，會(huì)產(chǎn)生一些切削熱，并且不同的部位存在著不同的溫升。如果薄壁處的金屬比較少，那么其溫度就升高的比較快，如果薄壁處的金屬比較多，那么溫度就升高的比較慢。如果在進(jìn)行精鏜的過程中主軸箱沒有完全冷卻，那么就會(huì)導(dǎo)致薄壁處的溫度比較高并且出現(xiàn)較大的熱變形。要想消除這種熱變形帶來的影響，就需要將粗加工和精加工分離開來。主軸箱的箱體屬于薄壁零件，因此在進(jìn)行裝夾的時(shí)候要使用合理的夾緊點(diǎn)以及夾緊力，防止由于彈性變形而對(duì)主軸箱的加工精度產(chǎn)生較大的影響。進(jìn)行精鏜工序的時(shí)候，需要合理設(shè)置各孔的位置偏差以及形狀偏差，以免由于誤差產(chǎn)生的零件同軸度超差，從而造成零件的浪費(fèi)。

3 結(jié)束語

制造業(yè)中一個(gè)重要的組成就是數(shù)控車床，影響數(shù)控車床主軸溫度以及溫升的主要因素就是主軸箱的加工精度。主要原因就是加工誤差會(huì)產(chǎn)生一些作用力，做功會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，進(jìn)而提高主軸的溫度以及溫升。

參考文獻(xiàn)：

[1]李志偉.基于熱-結(jié)構(gòu)順序耦合對(duì)機(jī)床主軸箱環(huán)境溫度的熱特性分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2017，30（02）：96-100.

[2]馬旭，張艷微，王躍武.某數(shù)控車床開展的主軸溫升及熱變形測(cè)試研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2017，48（08）：29.