數控車銑復合車床主軸部件的設計研究

付川川

摘要：隨著機床行業(yè)制造裝配水平的不斷發(fā)展，數控車銑復合立式車床在機械加工中越來越扮演者極其重要的角色，提高加工效率，主軸部件對數控車銑復合切削機床的加工精度起著非常重要的作用，從而使機床的加工能力推動著加工工藝的發(fā)展。本文通過數控車銑復合立式車床主軸部件的設計應用研究，對實際的生產有一定的參考價值。

Abstract： With the continuous development of the manufacturing and assembly level of the machine tool industry， CNC turning and milling vertical lathes are playing an increasingly important role in machining， improving processing efficiency， and the machining accuracy of spindle components on CNC turning and milling cutting machine toolsIt plays a very important role， and the processing capability of the machine tool promotes the development of processing technology.This article has a certain reference value for actual production through the design and application research of the spindle components of the CNC turning-milling composite vertical lathe.

關鍵詞：主軸部件;數控復合機床;傳動

Key words： spindle parts;CNC compound machine tools;transmission

中圖分類號：TG502? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0068-02

0? 引言

數控車銑復合立式車床是復合加工機床的一種典型機床，它具有復合的機床的特點，可以經過一次裝夾零件進行多種工序的加工，大大的提升了加工效率和加工精度，降低了操作者的工作強度，具體來說，數控車銑復合切削機床很好的結合了立車與龍門銑床的加工特點，并且運用數控技術可以提高自動化程度來實現銑平面，車削回轉體零件的表面，實現鉆、擴孔等加工。同時具有車、銑、鏜等復合功能的車床復合切削機床可以完成大部分的加工工序。目前較為先進的車銑復合車床可以實現五軸聯動，其主軸結構也較為復雜，作為機床制造業(yè)的高端機床，可以用于生產汽車、航空航天等主要結構形狀復雜與精度要求高的零件。

1? 立式車銑復合車床的整體結構分析

立式車銑復合車床的整體結構由六部分組成，分別為基礎部件、數控系統(tǒng)、主軸部件、進給系統(tǒng)、換刀裝置以及輔助設備?；A部分主要指的是床身底座，其強度、剛度、穩(wěn)定性和吸振性影響了立式車銑復合機床的性能，它承受著加工中心的靜態(tài)負載和在加工過程中的動態(tài)負載。通常，床身是采用鑄鐵材料的零部件，工藝相對簡單，鑄鐵的剛度較好，而且能夠吸振。數控系統(tǒng)是實現自動化加工的核心，作為機床的大腦，往往決定機床加工的性能、穩(wěn)定性與可靠性，包括了數控裝置、伺服系統(tǒng)、PLC等。主軸部件與普通機床不同，立式車銑復合機床綜合了車削主軸和銑削主軸的功能。當車削主軸準停鎖緊時，可以在確定的角度對工件進行銑削操作，所以車銑復合加工中心可以實現工序集中，減少生產周期。但是，立式車銑復合機床的主軸相對普通的數控主軸有了更為嚴格的設計要求。進給系統(tǒng)以伺服電機為動力源，通過滾珠絲杠控制車削刀架的進給，因此，較高加工精度的立式車銑復合機床需要使用精度高的絲杠和先進的控制系統(tǒng)。換刀裝置可以節(jié)約加工過程中的輔助時間，實現加工中心的自動化程度。輔助設備完成冷卻，排削的功能，雖然沒有直接參與切削，但對提高加工質量起到重大影響。

2? 主傳動系統(tǒng)的功能要求

車銑復合加工機床有極高的加工準確性及豐富的工作形式，軍工、航天、航空等需要車銑復合機床加工其中的復雜以及精度高的零部件。當機床主軸固定，工作臺旋轉時，工作臺則起到了C軸的作用，可以對工件進行銑削。當機床車工件時主軸只做扭轉運動，對主軸扭轉的位置不進行控制。作為C軸進行銑削加工時，工作臺驅動扭矩比較小，但是作為車削運動旋轉時，機床需要的驅動扭矩較大。這樣，機床就具有更大的調速范圍并實現無極調速。

實現C軸功能的方式通常有三種，第一種是電機直接安裝在主軸上;第二種是伺服主軸電機經減速器驅動;第三種是用進給伺服電機經減速器驅動，這里設計采用的是第一種，把電機直接安裝在主軸上，因為電主軸和電機是接觸的，所以電主軸傳動比比較小，傳動結構之間的誤差徹底的消除了，其工件表面的加工精度和質量都會比其他方式或者機床的高很多，其實不僅這些小的零件的加工，包括一些復雜或者體積比較大的零件也可以實現它的功能。

3? 立式車銑復合車床主軸部件傳動方案的選擇

3.1 齒輪傳動方式

作為機械傳動方式的重要形式一齒輪傳動，應用的場合十分廣泛，能夠實現較大功率的機械運作狀態(tài)。齒輪傳動具有傳動效率高、結構緊湊、機械工作壽命長和傳動比固定的特點，但是，在實際齒輪制造以及安裝要求需要很高的精度導致成本較高，而且傳動距離受到限制，不宜有太遠距離的跨度。

3.2 帶傳動方式

帶傳動也是常見的傳動方式，一種典型的撓性傳動形式。帶輪之間通過傳動帶實現動力傳遞。目前主要由兩種形式的帶傳動一平帶、V帶、多楔帶和同步帶。帶傳動相對于齒輪傳動，其結構簡單、傳動平穩(wěn)和成本低，最為重要的性質它可以緩沖吸振，具有過載保護的功能。而同步帶相比于V帶，又有類似齒輪的特性，它可以保證固定的傳動比，實現定比傳動。

3.3 電主軸傳動方式

目前機械加工朝著高速切削的方向發(fā)展，于是出現-一種較為新型的傳動形式，將電機與機床的主軸設計為一體結構，成為獨立的電主軸動力系統(tǒng)，電主軸大大降低了主軸結構的復雜程度，主軸作為轉子，可以實現高速轉動。電主軸相比其他的傳動方案，它具有結構簡單，質量輕，轉動慣量小，動平衡性能較好的特點，可以實現高速切削，可以提高機床的工件加工精度。

3.4 速度剛度型的主軸支承

方案的前支承是三個角接觸球軸承，后支承采用雙列圓柱滾子軸承。其中兩個角接觸軸承呈大口朝外的配置，可以承受較大的軸向力，還有一個與其他兩個背向布置，可以得到很大的支承跨距，有利于提高抵抗主軸的顛覆力矩的能力和結構剛度。

3.5 主軸支承方案的分析比較與確定

根據對上述的三種支承方案的分析，速度型的支承方式可以滿足主軸的高速運轉時的工作性能，但是在主軸受熱膨脹時會導致軸承卡死，而且角接觸球軸承的滾子以點接觸，磨損嚴重，使用壽命較短。剛度型支承方案可以實現機床的較大承載能力，但是其運轉速度受到限制。結合前兩種方案的速度剛度型具有良好的綜合性能，能夠在較高承載的情況下，實現高速加工。綜上所述，本設計車銑復合加工中心的支承方式采用速度剛度型的支承方案。

4? 主軸的潤滑與密封裝置

車銑復合加工中心在切削時，主軸處于較高的轉速狀態(tài)，會使的主軸部件（尤其主軸軸承）加快磨損和熱變形，以致主軸運動的精度嚴重下降，加工的工件的質量難以達到設計標準。而且，在數控車銑復合立式車床的外部，會有雜質進入主軸部件內部，也會加大零部件的磨損。因此，在主軸的設計中，關于主軸潤滑和密封的裝置設計是必不可少的。

4.1 主軸的潤滑

主軸潤滑會減少主軸運轉過程中的摩擦，帶走熱量，降低主軸的磨損和熱變形程度。目前，主軸的潤滑形式主要利用循環(huán)潤滑系統(tǒng)，具體有兩種形式：油氣潤滑方式和噴注潤滑方式B。油氣潤滑就是在一定時間間隔給主軸潤滑系統(tǒng)添加一定量的油霧。而噴注潤滑則是用恒溫大流量潤滑油對主軸軸承進行潤滑，同時對主軸有冷卻的功能，降低主軸的熱變形，提高主軸的運轉時的精度。

4.2 主軸的密封

主軸系統(tǒng)為了運轉平穩(wěn)，降低組件的磨損，往往會使用潤滑油以及油脂。然而，為了防止?jié)櫥土魇Ш屯饨珉s物（包括切削液、灰塵和切削等）進入主軸系統(tǒng)中，需要為主軸設計出相應的密封裝置。在設計過程中，需要綜合考慮主軸的轉速、零件空間布局、密封方向和經濟性。密封方式分為靜密封和動密封，因為主軸在運轉工作是處于運動的狀態(tài)，因此，主要考慮動密封的方式。

動密封主要由兩種，即接觸式和非接觸式。在主軸的高速工作時，非接觸式的密封方式更為合理，而在非接觸式的密封方式包括迷宮式、離心式、螺旋式、浮環(huán)式、全閉式和磁流式。在以上的密封方式中，迷宮式的密封方式主要用于旋轉軸上的潤滑油的密封，它與其他的密封（氈封和橡膠圈密封）相比，在主軸運轉時不易磨損，對主軸的轉動不產生影響。迷宮密封的機構有三種。但在一般情況下會聯合使用迷宮溝槽或者與其他的密封方式聯合配置，會達到更好的密封效果。

5? 主軸的材料選擇與熱處理

主軸的機械性能，包括強度、剛度和穩(wěn)定性，往往決定于主軸的材料選擇和熱處理方式。主軸要求具有較好的剛度，在主軸部件的連接處還要有足夠的硬度抵抗零件對其的磨損，而且主軸切削時會產生大量的熱量，所以要求主軸能夠抗熱變形。上述的這些性質要求，必須再設計主軸結構時選擇好符合要求的材料和熱處理方式。

5.1 主軸的材料

數控車銑復合立式車床具有較高的加工精度，這對主軸的剛度要求比較苛刻，而主軸的剛度則取決于使用材料的性能，彈性模量可以很好的描述材料的剛性。因此，要選擇彈性模量大的材料制造主軸，鋼材作為首選材料，鋼材之間的彈性模量差別不大。常用的鋼材有優(yōu)質合金鋼，其中45號鋼最為典型，對于精度要求較高的主軸可以考慮合金結構鋼（比如40Cr）。結合本設計的技術要求選擇40Cr作為數控車銑復合立式車床的主軸材料。

5.2 主軸的熱處理

數控車銑復合立式車床的主軸在工作運轉時，要承受工件重量與主軸的自重，在支撐端要有較高的接觸強度和耐磨性。為了提高工件的定位精度，對于軸端面的定位表面要求表面質量高和硬度大。于是可以對主軸進行局部熱處理，本設計在上述的材料選擇部分已經說明，采用40Cr作為主軸材料。合金結構鋼可以經過化學熱處理，比如滲碳處理和滲氮處理。

6? 結束語

綜上所述數控車銑復合立式車床的主軸機械結構設計過程中，需要根據設計要求擬定數控車銑復合立式車床的主軸機械結構方案，并且對于所提出的方案作出客觀的評估，結合本設計的自身設計需求再進行結構優(yōu)化。綜合考慮結構、安裝簡易程度、結構穩(wěn)定性和達到設計精度的簡易程度等方面的因素進行選擇，實現最優(yōu)的設計方案。

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