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加工中心BT40直聯式主軸單元研制探究

主軸單元部件的功能是帶動并支撐刀具或器件，傳遞器件使其運動、承受削力以及驅動運行等完成這種成形表面荷載運動地重要部件。主軸單元的性能高低，可以影響到車間機床器件的質量好壞和生產率的高低，它的動、靜態性能基本上可以決定整個機床動、靜態性能高低。近些年，瑞士、美國、加拿大、日本、英國、意大利、德國等一大批工業類強國不同程度地斥巨額資產開發此技術。主軸單元作為重要部件，一定要具備高精度、高速運行的特征，在進行一系列精準的設計與生產后，將主軸部件批量生產和出口，對提高我國國產直聯式加工中心的生產品質有著舉足輕重的意義。
1   國內外對于主軸單元的研究現狀及分析
高速、高精度主軸的設計理論從 1980 年才從實驗室走進社會，近幾年來，開始在工業上對高速、高精度主軸單元進行研究、加工、試驗、分析結果，并漸漸地在汽車、航空等領域應用推廣。在國際領域，高速大功率的電動主軸技術在不斷發展，轉動速率飛速提高，這類器件的其它各項性能和參數也在不停地提高改進，這使得機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間，數據更加精確，這一定會成為以后加工技術更為先進的發展趨勢，因此高速、高精度的加工是各個工業強國重要的研究課題。目前，美國、德國、日本等國家處于研究領先地位。精度的保持和可靠還是這類主軸另外的兩個極其重要的標準。而作為重要器件的主軸單元，我國跟其他工業強國的差距仍然很大，在性能和指標上與其他國家的加工廠商相比較，主要有這幾個方面的差距：
（1）主軸是控制機床關鍵切割軸，當高速地運行、轉動時，會生成大量的熱量，因為溫度的變化和分布不均，造成軸承的預緊力量變化，增加器件磨損程度，因此需要分析和探討以達到最為合適的數值。
（2）主軸單元優化結構的設計上，使用現代設計方式來精準地運算高速、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、科學的方式來保證準確性。
2   主軸單元重要關鍵技術研究
2.1   單元軸承的組合方式的設計與論證
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到高速運轉要求，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兩個串聯起來，這樣就能同時承擔和負荷不同方向上軸承的負荷量。如同是相同內部間隙話，它的剛度和預緊力大約是串聯起來的 2 倍之高，能夠承受住的負荷量也大了。軸承單元都需要預緊環節，為的是提升軸承在旋轉時剛度和精度；同時防止產生壓痕，造成這個滾動體產生滑動，機械主軸采用的是定壓預緊，原因是定壓預緊更適合高速度，而不是很適合高剛度的要求。且預緊力越大的話，就更容易造成軸承單元發熱。因此，采取輕預緊就可以滿足本主軸單元的要求。
2.2   機械主軸固有的頻率探測與分析
所有的機床在運行的時候，主軸會受到靜態的作用力，也會受到比如因為主軸單元平衡力不夠、切割材料硬度、切割過程中產生自我震動、不連續的切割造成不均等情況，會造成很大地干擾，這樣主軸就會自我振動。為保證機床運行的安全性，主軸的轉速要遠遠高于或低于它臨界的轉速值。運用近似值的方式來計算主軸單元固有頻率。通常情況下，無阻尼和有阻尼系統產生的固有頻率，其數值會比較相近，就用無阻尼系統固有的頻率來算有阻尼系統固有頻率的近似值。在運用有限元的分析方式來運算主軸單元數值時，可忽略有無阻尼產生的影響。
2.3   密閉方式、冷卻方式的方案論證
由于機械主軸的轉速高，所有軸承都需要進行冷卻后，才能確保器件在高速運轉時可以保持正常。冷卻方式有兩種：空氣冷卻、液體冷卻。將套筒外圈加上循環的溝槽，加入過濾后的水來進行液體冷卻。機械主軸器件必須要密封起來，在軸承高速運行時，任意很微小的灰塵進到軸承的內部后，就會引發軸承的振動，更甚者會造成軸承咬死的狀況。所以采用前后放置迷宮墊來對機械進行密封，并采用將前壓蓋進行加氣的密封結合起來的方式密閉冷卻。這樣將兩種密閉方式結合起來就可以很有效地防止油液和灰塵進入到軸承單元的內部。
2.4   主軸單元高速速運行時源性能的技術研究
主軸會產生熱變形，這樣一來，不只是會影響到機床在加工器件時的精度，還會影響到了各個主軸上軸承器件的預載量，從而也會影響到加工好的機床使用壽命長短。高速運行中的主軸器件，其熱源來自于電機和運轉中地軸承所產生的熱。因為軸承內部地摩擦，使其生出熱能，溫度升高便影響到了軸承單元的預載量。但是不一樣的轉速在旋轉時，主軸的熱膨脹和剛度會伴隨著進行非線性的變化。但是在相對穩定的狀態下，主軸單元有冷卻的時候其剛度是沒有進行冷卻時的 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，所以說主軸運行產生的熱伸長影響零器件加工的精度。在對高速運行的主軸進行結構上設計時，就采用將后端浮動和將前端固定的結構形式。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，使軸承內部的圈子、滾子能和主軸一同沿滾道在外圈進行移動。
2.5   機構主軸的調整與配置
一個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。
主軸單元零件在機床加工完畢后即可裝配。在裝配之前，將零件進行徹底清洗。一定要保證除去器件小孔內的鐵屑，但要是通孔器件，就要保證這個孔一定是通的，而且沒有雜物。軸承要依不同的型號進行針對性的、專門的清洗環節。在產品出口前，都對軸承單元的表面涂油以防銹，防止在軸承地運輸中或者存儲時，可能會有塵埃落入以及產生銹蝕。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，可輕轉軸承，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，進行晾干，再進行潤滑脂的填充。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：先在軸承的每個球間隙，使用專用小針管勻量填充進潤滑脂。再輕輕地轉動單元軸承，讓潤滑脂在每個球中間、架持內部、滾道表面等地方，將潤滑脂在軸承單元內部均勻填充。而對于同軸承元件接觸到的零件都要在裝配之前對尺寸進行檢查。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。確保軸承的內圈和外圈尺寸正確。進行測量的時候應該在恒溫的室內，且要到軸承的溫度跟室內環境溫度相同時再進行。最后檢查其余的零件，其主要還是檢查器件表面質量，不能有眼睛可以看到的瑕疵。且前面和后面的壓蓋應該進行尺寸檢查，相隔兩圈平行程度必須在 0.003 mm 以內，這樣就不會造成軸承元件的噪音、傾斜或造成精度不準確等問題。
3   對機械主軸器件的各種性能進行檢測
3.1   動態回轉類性能測驗
動態回轉類性能檢測是為了確認主軸單元在工作時的轉速以及在核定載荷情況時運行的主軸軸向位置和徑向位置是否會隨著載荷量的變化而變化。動態回轉測試的是機械主軸器件應該是已經進行過飽和試驗后的機械主軸。單元主軸應該在試驗以前地運行速度是由低到高，并對其預熱。加工高速、高精度的主軸單元應按照旋轉的敏感方向對主軸進行安裝和配置移位傳感器件來進行性能測試。主軸單元的系統，其動態特征會影響到機床整體切割性能，它可以決定機床切削的穩定性及抗振性。所以主軸單元需要在動態具有很好的特性，以確保在各種條件的工藝制作下，數字控制機床可以自動進行切削和加工，而且還有很高的精度以及更高的生產率。
3.2   升溫測試
測試是為了探究在規定的情況下，主軸運行時部分單元高于或低于冷卻液溫度時相應的變化，以記錄主軸伸縮長短隨著溫度變化產生地變化。在試驗前后要對主軸單元進行防護，使檢驗主軸的空間足夠，同時允許空氣可以自由地流通。本單元主軸的檢測方法是在套筒外圓上附著溫度計。試驗時，溫度計應該緊緊地貼于軸承外圓面上，防止受到冷卻介質在軸承周圍造成的影響。主軸在進行檢測時，應首先將主軸進行冷卻，然后調整轉速到規定的轉速，使主軸的各個部分元件升溫到穩定的溫度，每10 分鐘記錄一下檢測主軸的冷卻介質和軸承單元的溫度。被測主軸單元陸續在 60 min 的溫度變化保持在 0.5 ℃ 以內，主軸的升溫情況穩定。
4   結語
對于如今國內外對主軸的研究、工程的需求量和中國對于主軸器件研究的缺陷，本論文用 BT40 型的直聯式加工中心使用主軸作為機械單元的對象進行研究，從方案設計、論證、檢測、分析等多個方面對主軸單元進行研究。通過理論設計了此主軸的機械單元，由此再進行裝配和調試，最后通過試驗來確保主軸按規定能正常運行。由于轉速高所以選擇直聯式的結構，BT 型刀柄是目前用得比較多的，40 型的刀柄滿足了對常規孔加工地范圍。軸承經過各種對比檢測后，選擇四聯式組合與剛性預緊的方式。潤滑方式也采取的是油脂去潤滑的方法，高速且環保。在檢測完畢后，實際生產的產品同理論上推測數據的差值里面，找出缺陷再完善。經過專業單位鑒定后，此機械主軸符合所有設計要求。

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