数控加工中心主轴的结构设计和改进

2014年第1期（总第447期

）上C H IN E SE &FO R E IG N E N T R E PR E N E U R S

1.前言

加工中心（M achining Center ，简称M C ）是能够实现多工序编程并能根据需求具备切换刀具功能的数控机床。它将铣床、镗床、钻床多种数控功能聚集在一台设备上，配备刀库和自动换刀装置，能够同时完成多道工序。由于其减少了工件装夹、产品和设备调整，节约了工件的转移时间，因此其效率比通用机床高出80%以上。

2.加工中心主传动系统的特点

加工中心主传动系统的组成主要分为主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件。加工中心的主传动优点为高转速、高回转精度、高机构刚性以及抗震性。加工中心的主轴系统具备以下特点：（1）主轴必须具有一定的调速范围并实现无级变速。（2）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。（3）升降速时间短，调速时运转平稳。（4）主轴组件要有较高的固有频率，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。（5）有自动换刀和刀具自动夹紧功能。（6）主轴具有足够的驱动功率或输出转矩。（7）主轴具有准停功能又称主轴定位功能（Spindle Specified Position Stop ）。

3.加工中心主传动系统设计

3.1变速系统设计

如要求主轴转速40r/min ～4000r/min ，电机功率4kw （1）选用直流电动机无级变速机构。

（2）主轴的计算转速。

（3）转速图的设计。

a.主轴要求的恒功率变速范围

b.电动机可达到的恒功率变速范围

电机功率4kw ，电机转速4000r/min ～320r/min ，额定转速为1330r/min 。

c.公比和传动级数的确定

一般变速箱有2级、3级、4级。选用，即分级变速箱为4级变速。公比

。

则分级变速箱的转速图如图1所示。变速箱有4种传动比（1/1）×（1/1）=（1/1）；（1/2）×（1/1）=（1/2）；（1/1）×（1/4）=（1/4）；（1/2）×（1/4）=（1/8）。传动比为1/1时，主轴转速为4000r/min ～1330r/min ；为1/2时，主轴转速为2000r/min ～667r/min ；为1/4时，主轴转速为1000r/min ～335r/min ；为1/8时，主轴转速为500r/min ～168r/min 。这四段用的全是电动机的恒功率区。168r/min ～40r/min 为恒转矩区。分级变速箱的结构如图1。

收稿日期：2014-01-02

作者简介：葛亚玺，（1987-），男，江苏江阴人，本科，研究方向：机械结构。

数控加工中心主轴的结构设计和改进

葛亚玺

（上海新跃联汇电子科技有限公司，上海200233）

摘要：加工中心是一种快速、高效的多功能数控机床，它的成熟和发展代表了国家工业设计和工业制造水平。本文通过加工中心主传动变速系统的设计、加工中心主轴组件结构的设计等两方面，就加工中心的主轴组件的结构设计和改进进行详细的阐述。

关键词：主轴组件；轴承；准停中图分类号：TH13

文献标志码：A

文章编号：1000-8772（2014）01-0208-03

图1分级变速箱结构图

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d.分级变速箱各轴齿数的选择

查《机床设计手册》[1]

，根据各齿轮间的转速比确定各个齿

轮的齿数。则分级变速箱内的结构及各个齿轮的齿数、模数如图2所示。

图2分级变速箱的机构及齿轮分布图

3.2加工中心主轴材料的选择及热处理

主轴材料的选择主要根据刚度、载荷情况、耐磨性、热处理变形大小等因素确定。主轴的刚度大小与材料的弹性模量E 有关，钢的E 值较大（E=2.1×107N/cm 2左右），所以主轴材料首先考虑钢材。而且钢的弹性模量E 的数值与钢的种类和热处理方式无关。因此在选择钢材时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢）。只有在高载荷和大冲击或者减少材料变形以及需要高强度耐磨性时，才考虑选择合金钢。

当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可以不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（48HRC ～54HRC ）。当采用滑动轴承时，为减少磨损，轴颈表面必须有很高的硬度。因此通常在轴颈处进行高频淬火；对大直径主轴（φ350～400mm ）也可用火焰淬火来提高其表面硬度；对手较大冲击的主轴，可用15或20钢，并在轴颈表面渗碳、淬火及回火。主轴材料常采用的有45钢、GCr15等，需经渗氮和感应加热淬火。

3.3加工中心主轴结构设计3.3.1初选主轴直径

（1）主轴直径。主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。[2]（2）主轴内孔直径。主轴的内孔直径用于通过刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，主轴部件的相对重量也越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。[2]3.3.2主轴悬伸量a 的确定

主轴悬伸量a 是指主轴前支承径向支反力的作用点到主轴前端面之间的距离，见图3。它对主轴组件刚度影响较大。根据分析和实验，缩短悬伸量可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时在满足结构要求的前提下，尽量缩短悬伸量a 。[3]3.3.3主轴最佳跨距L 的选择

主轴的支承跨距L 。主轴前支承点至主轴后支承点之间的距离称为跨距L ，见图3。主轴组件的支承跨距对主轴本身刚度

图3主轴跨距图

和对支承刚度有着很大的影响。

跨距L 对综合刚度K 的影响不是单向的。如L 较大，则主轴变形较大；如L 较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以，L 有一个最佳值，L 太大或太小，都会降低综合刚度。

主轴的支承跨距存在着最佳跨距L 0，可使主轴组件前端位移最小。主轴组件由于受结构限制以及保证主轴组件的重心落在两支承之间，实际的支承可大于最佳的支承跨距。

为了确定最佳跨距L 0和前悬伸a 之比L 0/a ，可先求出η。

式中：E-弹性模量，钢的E=2.1×107M Pa ；I ———主轴的截面惯性矩，I=0.05×（d 4-d 4i ），mm 4；d 、d i ———主轴的外径和孔径，mm ；K A ———前轴承的刚度，N/um ；A ———前悬伸量，mm 。

3.3.4主轴径向刚度的验算

通过经验公式验算设计主轴结构满足主轴径向刚度要求。3.4主轴轴承的选择

3.4.1主轴轴承精度的选择。精密加工中心主轴前支承应选用B 级，而普通精度加工中心主轴前支承轴承则选用C 级。主轴后支承轴承，则选用比前支承轴承低一级精度的轴承。`传动轴支承，选用D 级或E 级。通常，主轴轴承的轴向定位采用的是前端支承定位。这样前支承受轴向力，前端悬臂量小，主轴受热时向后延伸，使前端的变形小，精度高。

3.4.2主轴常用动轴承的类型。主轴常用动轴承的类型有四种：

（1）深沟球轴承；（2）角接触球轴承；（3）双列圆柱滚子轴承；（4）圆锥滚子轴承。

3.4.3主轴轴承的配置与调整。主轴轴承的结构配置主轴轴承

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