精密直联式主轴系统的结构设计

２０１８年５月第４６卷第１０期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＭａｙ２０１８Ｖｏｌ ４６Ｎｏ １０ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ １０ ００５收稿日期：２０１７－０６－２２基金项目：国家科技重大专项资助项目（２０１６ＺＸ０４００４⁃００２）作者简介：王自强（１９８３ ），男，学士，工程师，主要研究方向为大型精密机床设计与开发㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｚｑ２００３４７０２＠１６３ ｃｏｍ㊂通信作者：李江艳，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊａｎｅｏｌ＠ｓｉｎａ ｃｏｍ㊂精密直联式主轴系统的结构设计王自强，刘继佼，陈忠良，寸花英，李江艳（沈机集团昆明机床股份有限公司，云南昆明６５０２０３）摘要：对不同类型的主轴系统进行分析对比，确定直联式主轴为高精度数控卧式坐标镗床的主轴系统类型；从机床实际的加工工艺需求出发，计算得到不同加工方式下的最大切削力学参数，以此为基础完成主电机与主轴轴承的选型计算；根据主轴系统的功能与精度要求进行结构设计，从而完成精密直联式主轴的完整设计㊂样机的试制与应用验证表明，该直联式主轴的精度与性能水平达到设计要求㊂关键词：直联式主轴；结构设计；坐标镗床中图分类号：ＴＨ１３３ ３６㊀㊀文献标志码：Ｂ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１８）１０－０２３－３ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＤｉｒｅｃｔ⁃ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＳｐｉｎｄｌｅＳｙｓｔｅｍＷＡＮＧＺｉｑｉａｎｇ，ＬＩＵＪｉｊｉａｏ，ＣＨＥＮＺｈｏｎｇｌｉａｎｇ，ＣＵＮＨｕａｙｉｎｇ，ＬＩＪｉａｎｇｙａｎ（ＳｈｅｎｊｉＧｒｏｕｐＫｕｎｍｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，ＫｕｎｍｉｎｇＹｕｎｎａｎ６５０２０３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ；ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔ⁃ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｏｂｅｕｓｅｄｉｎｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＣＮＣｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｊｉｇｂｏｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｕｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｍａｉｎｍｏｔｏｒａｎｄｓｐｉｎｄｌｅｂｅａｒｉｎｇｓｗａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｄｅｓｉｇｎｅｄｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｄｉｒｅｃｔ⁃ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｌｅｖｅｌｔｈｒｏｕｇｈｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｓｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｒｅｃｔ⁃ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｐｉｎｄｌｅ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ；Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｂｏｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ㊀㊀主轴系统是数控机床最主要的关键核心功能部件，对机床的加工精度和整体性能具有最直接的影响；其功能是实现刀具㊁砂轮或工件旋转，以去除材料的方式进行零件加工［１］㊂因此，在机床的实际设计中，选择合理的主轴结构和科学的设计方法，对提升机床性能㊁控制生产成本均有至关重要的意义㊂机床主轴系统的设计是一个复杂和繁琐的过程，下文将针对精密数控卧式坐标镗床的主轴系统，阐述作者在主轴系统设计中的具体思路㊂１㊀主轴系统的类型与特点数控卧式镗铣机床的主轴系统若以机械结构和主电机的联接形式进行划分，可分为４类：电机直联式㊁同步带式㊁齿轮式和电主轴［２］㊂直联式主轴通过联轴器将主轴末段与主电机输出轴直接相联，传动链短，结构简单，能够实现无间隙传动与电机功率扭矩的高效传递，具有机械效率高㊁回转精度高㊁刚性好及振动小的特点；但相应地，它对主电机及关键配件的性能水平㊁零件加工与装配精度要求均会提高㊂同步带式主轴通过同步带传递电机和主轴之间的功率与扭矩，具有结构紧凑㊁装配简单㊁惯性小和响应快等优势，同时也均有同步带张紧力不易控制㊁低速时重切削能力差㊁主轴高速运转时振动与噪声相比于直联式主轴较大等缺点㊂齿轮式主轴是应用范围最广的传统主轴形式，在电机与主轴之间通过齿轮系传递功率和扭矩，能够传递极高的扭矩，具有优良的重切削性能；但主轴转速不易提升，高速时噪声较大㊂电主轴为电机与主轴融合的产物，实现了机电驱动的一体化，具有高转速㊁低振动㊁动态性能好及有利于产品模块化设计等优点；相对于其他类型的主轴，它对控制㊁润滑和冷却系统的要求较为严格，制造与维护成本较高，同时重切削能力表现较弱，因而通常用于有高转速高精度要求㊁机床规格不大的场合㊂高精度数控卧式坐标镗床主要应用于具有高精度要求的孔㊁平面及复杂轮廓曲面的精加工，对加工精度及稳定性具有极高要求，转速适中，切削余量较小㊂在上述４种主轴系统中，直联式主轴最能契合其性能要求，因而其主轴系统采用直联式结构设计㊂２　参数计算及选型２ １㊀主轴切削力学参数计算高精度数控卧式坐标镗床的加工对象主要为铸件的孔㊁面元素，因而可根据孔㊁面的最大切削工艺要求，分别对铣削㊁镗削和钻削加工条件下主轴所需的切削力㊁切削力矩和切削功率进行计算，从而为主轴系统的后续设计计算和配件选型提供基础㊂表１为所设计机床对主轴系统最大切削加工工艺要求；其中，加工材料为ＨＴ３００，加工刀具为硬质合金刀具㊂此外，为了提高精铣时零件加工精度和表面加工质量，主轴最高转速设计为６０００ｒ／ｍｉｎ㊂表１㊀最大加工工艺要求加工方法名称工艺参数铣削刀具参数及铣削用量铣刀直径ｄ０／ｍｍ１２５铣刀齿数Ｚ６切削转速ｎ／（ｒ㊃ｍｉｎ－１）５００每齿进给量ａｆ／（ｍｍ㊃齿－１）０．２５铣削深度ａｐ／ｍｍ２．５铣削宽度ａｅ／ｍｍ１００镗削刀具参数及铣削用量镗孔直径ｄ／ｍｍ２００转速ｎ／（ｒ㊃ｍｉｎ－１）２６０每转进给量ｆ／ｍｍ０．２切削深度ａｐ／ｍｍ２．５钻削刀具参数及铣削用量钻孔直径ｄ／ｍｍ３０转速ｎ／（ｒ㊃ｍｉｎ－１）３００进给量Ｓ／（ｍｍ㊃齿－１）０．２㊀㊀通过查询手册［３］，可计算出不同加工方式下的切削力㊁切削扭矩和切削功率，如表２所示㊂表２㊀切削参数计算结果加工方法切削力／Ｎ切削扭矩／（Ｎ㊃ｍ）切削功率／ｋＷ铣削２０９９１３１６．８７镗削６７５６８１．８钻削７６６３６１４㊀㊀从计算结果可以看出：机床铣削加工时主轴的动力输出达到最大，钻孔加工时主轴的轴向抗力最大㊂２ ２㊀主电机选型主电机的选型是以实际切削加工所需扭矩为基础开展的；直联式主轴的传动比为１ʒ１，因而主轴的功率扭矩即为电机的功率扭矩㊂以ＳＩＥＭＥＮＳ系统为例，通过专用电机选型软件计算，并考虑低转速区间扭矩范围，确定主电机型号为１ＰＨ８１３７⁃１ＡＤ０２型，其电机特性曲线如图１所示［４］㊂图１㊀主电机特性曲线对比主电机特性曲线与主轴铣削加工的动力参数要求可知：在５００ｒ／ｍｉｎ时，主轴运转于电机恒扭矩区间，输出扭矩值为１６２Ｎ㊃ｍ＞１３１Ｎ㊃ｍ，满足切削扭矩要求；此时电机功率约为８ ５ｋＷ＞６ ８７ｋＷ，同时满足功率要求㊂此外，电机最高转速可达８０００ｒ／ｍｉｎ，满足主轴最高转速为６０００ｒ／ｍｉｎ的设计要求㊂２ ３㊀主轴轴承选型主轴轴承的选型计算需综合考虑轴承的配对安装形式㊁切削加工方式以及实际使用中不同加工方式的时间占比，以加工过程中的切削力为基础展开㊂为满足主轴系统的精度要求，主轴轴承选用ＩＳＯ２精度等级的精密角接触球轴承，采用ＱＢＣ的布置形式，两个轴承串联为一组，前㊁后两组轴承背对背安装，使主轴具有较大的支撑跨距，从而提升主轴的刚度及抗震性㊂通过计算，最终选定ＳＫＦ主轴轴承［５］，型号为７０２０ＣＥＰＡ９ＡＱＢＣＡ㊂选型计算结果如图２㊁图３所示㊂图２㊀主轴简化模型㊃４２㊃机床与液压第４６卷图３㊀主轴关键转速图结果表明：采用上述主轴轴承，主轴系统在转速范围内无共振点，且综合寿命较好㊂此外，轴承两端装有集成密封，并填充定量高质低黏度润滑脂，使主轴系统具有良好的密封与润滑性能，提升其热稳定性㊂３㊀结构设计主轴系统是机床完成刀具回转加工的执行机构，因而在结构上须同时实现主轴回转运动与刀具夹持定位的功能；由于对精度要求极高，因而它还应具有冷却结构㊂通过设计，得到直联式主轴系统的详细结构如图４所示，它主要由主轴㊁主轴轴承㊁轴承冷却套㊁松拉刀机构㊁膜片式联轴器和主电机等组成㊂图４㊀直联式主轴结构㊀㊀主轴采用７ʒ２４锥度的ＩＳＯ５０＃锥孔，按ＤＩＮ６９８７１刀柄标准规格设计；制造材料为合金结构钢，并渗氮处理，使主轴具有足够的耐磨性，能够实现其良好的精度保持性㊂此外，主轴孔径不超过外径的７０％，从而保证主轴具有较高的刚度［６］㊂主轴通过联轴器与主电机相联以传递功率扭矩，实现机床低转速区域的重切削，以及高转速区域的低发热高精度加工，并适用于产生反向推力的螺旋插补的稳定高精度加工㊂联轴器采用无背隙传递额定扭矩钢膜片式联轴器，主轴与电机轴通过涨紧套无间隙连接，强度高㊁扭转刚性好，且具有良好的装配工艺性㊂松拉刀机构主要由碟形弹簧拉刀杆和液压松刀油缸两部分组成，拉刀杆位于主轴内部，松刀油缸位于主轴后端㊂拉刀杆能够在碟形弹簧的弹性力作用下产生相对于主轴的反向位移，使拉爪向后收拢，实现常态下的刀具静态拉紧㊂松刀油缸能够在通电状态下推动拉刀杆产生相对于主轴的正向位移，使拉爪向前张开，实现刀具松开；同时，为保证自动换刀的流畅，松刀时的刀具顶出量一般设置为０ ２ １ｍｍ［７］㊂冷却套外轮廓面分布有螺旋状冷却槽，通过恒温冷却系统控制冷却介质在槽内循环流动，能够传导主轴轴承产生的热量，并均衡主轴系统内部的温度场分布，控制主轴温升与热变形，有利于热误差补偿的开展，提升主轴系统的精度与热稳定性㊂４㊀结论精密直联式主轴设计首先从机床的实际加工工艺需求出发，计算主轴所需的切削力学参数，进而在此基础上完成主电机与主轴轴承的计算选型；而后根据主轴系统的功能与精度要求，设计出详细的机械结构㊂通过国家专项中相关样机的试制与应用验证，结果表明：该结构的直联式主轴能够满足高精度数控卧式坐标镗床的设计与加工要求，具有很高的精度与性能水平㊂参考文献：［１］熊万里．我国高性能机床主轴技术现状分析［Ｊ］．金属加工（冷加工），２０１１（１８）：５－１１．［２］聂浩锋，李德恒．浅谈机床主轴的差异化特性［Ｊ］．科技与创新，２０１６（１１）：９４－９５．［３］张耀宸．机械加工工艺设计实用手册［Ｍ］．北京：航空工业出版社，１９９３：１３００－１３６６．［４］ＳＩＥＭＥＮＳ公司．ＳＩＭＯＴＩＣＳＭ⁃１ＰＨ８主电机选型手册［Ｍ］，２０１２．［５］ＳＫＦ公司．超精密轴承［Ｚ］，２０１４．［６］戴署．金属切削机床［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９３：１８７．［７］敖立文．现代机床高速主轴概述［Ｊ］．设备管理与维修２０１５（１）：６６－７０．㊃５２㊃第１０期王自强等：精密直联式主轴系统的结构设计㊀㊀㊀。