數控（kòng）車銑切削機床金（jīn）屬主軸部件設計研究（jiū）

我國是製（zhì）造業大國，製造行業在經濟發展中起著推動作用，數控機床作為製造行業的關鍵組成（chéng）部分（fèn），對其自身的質量有著較高的要求，因此在對關鍵部件的設計上，需要嚴格控製機床結構，保證機床的動力學性能（néng）。數（shù）控機床是現代製造技術與數字技術結合而成的產物，隨著（zhe）現代（dài）化科技水（shuǐ）平不斷提高，我國數控機床的主軸部件製作（zuò）也在不斷優化升級，使用精度越來越高，並逐漸向環（huán）保、智能（néng）的方向發展。

數（shù）控車銑切削機（jī）床的機（jī）械加工（gōng）方法是利用多刀切削（xuē）的方式進行的，它的生產效率較高，因此對主軸的轉（zhuǎn）速（sù）等設（shè）計要求嚴格。高速（sù）切削已（yǐ）在世界範圍內廣泛使用，但我國的研究還始終處於發展階段，數控機床技術精度的提高對國家的（de）各個領域都有著積極地影響，尤其是精密器械和高精度的醫（yī）療（liáo）設備，數控機床的發展能夠為科研的進步提（tí）供（gòng）獨特的優（yōu）勢。

主軸部件是（shì）整個數控（kòng）機床的重要部件之一，也是影響機床安（ān）全運行，保證機床功能的重要因素，因此本文對數控（kòng）車銑切削機床的金（jīn）屬主軸（zhóu）部（bù）件進行設計，分析其性能，保證軸承設計（jì）的精確度，使本文設計金屬主軸部（bù）件能夠滿足當前數控車銑切削機床的加（jiā）工要（yào）求，控製切削力，避免在（zài）操（cāo）作過程中產生誤差，從而保證加工質量達到預期效果，為日後的主軸部件設計研究提供一定的參考。

1、數控車（chē）銑切削機床金屬主軸（zhóu）部件（jiàn）設計

    1.1繪製金屬主軸部件結構圖

數控車銑切削機床作為高精尖工業的基礎依仗，對多種製造裝備也提供了加工基礎支撐，在高密度和（hé）高（gāo）精度的工作原則下，其內（nèi）部的主（zhǔ）軸裝置對工作的完整度對造成一定影響，若（ruò）主軸出現（xiàn）問（wèn）題或設（shè）計精度不夠的情況下（xià），會造成後續加工精度不良的後果，影（yǐng）響機床加工的安全運行，由此對數控車銑切削（xuē）機床的主軸部件進行設計。此次選擇金屬材質的主軸最為設計材料，主軸部（bù）件作為構成數控車銑切削機床的關鍵部分之（zhī）一，它包括主軸（zhóu）、軸承（chéng）、皮帶輪等許多零件。主軸部件的質量影響著數控車銑機床（chuáng）的加（jiā）工（gōng）質量，主軸的轉速決（jué）定著數控車銑機床的工作效率，因此主軸（zhóu）部件（jiàn）的設計至關重要，在設計中需要滿足（zú）作業精度，受熱穩定、剛度好的（de）要（yào）求。

根據圖中內容可知，在機床（chuáng）金屬主（zhǔ）軸的部（bù）件設（shè）計中，需要確定主軸轉（zhuǎn）子和帶輪的（de）相對位置，並根據數控機（jī）床的切削力度安置（zhì）拉刀杆的位置。通過拉刀（dāo）杆的理想安裝位置在其相鄰位置進行位移傳感器的（de）安裝，運用多個蝶形彈簧（huáng）控（kòng）製拉刀杆的前進和後退距離。本文主（zhǔ）軸的前支承運用角（jiǎo）接觸球軸承，後支承運用深溝球軸承，是軸（zhóu）向能夠靈活（huó）調節，與主軸的冷熱軸的延（yán）伸方向相匹配，控製主軸在運行中受到熱量的影（yǐng）響而產生的偏差，通過在主軸前支承安裝螺母，改變軸向與徑向的間距。為了穩定主（zhǔ）軸在運行狀態下的主軸溫度，在主（zhǔ）軸外部采用冷卻結構。在主軸設計中，主軸和皮帶輪的連接影響著主（zhǔ）軸部件的平衡狀態，因此在這一環節的研究設計是非常必要的。主軸分度定位鎖（suǒ）緊的穩定性影響著數控車銑切削機床的加工質（zhì）量和性能，因此需要設計（jì）碟刹結構穩定主軸部件的振動（dòng）頻率。在確定好數控機床的金屬主軸部件（jiàn）結構組（zǔ）成後，對其（qí）內部的連接組件進行（háng）依次確定（dìng），其中每個組件需要在皮帶的連接作用下進行相連，通過製作具有彈性的連接皮帶輪進行皮帶安置，以此完成相鄰組件（jiàn）的安裝工作。

    1.2 製（zhì）作彈性環連接皮帶輪

皮帶輪作為連（lián）接主軸和其他相鄰組件的關鍵部件之一，能夠將主軸和其他具備切削工藝的組件進行聯係，完成對不同性質材料的切削工作，為（wéi）主要的數控機床切削構件。作為連接不同組件的關鍵環節，其連接點的位置是控（kòng）製強度的主要因素，可以對不（bú）同的主軸部件的切削力度進行控製，主軸與皮帶輪的連接度是影響主軸平衡性的（de）關鍵，如果連接強度不夠，則會使主（zhǔ）軸與皮帶輪接觸點（diǎn）的承受（shòu）力過於集中，在兩者之間產生（shēng）間隙（xì），影響皮帶輪的穩定性能，導致皮帶（dài）輪在運轉過（guò）程中發生偏離，主軸產生振動，影響機（jī）床的加工質量。以此為基礎（chǔ）利用（yòng） BIM 技術手段，將金屬主軸部件的相（xiàng）關參數導（dǎo）入至計算機中，通過數控機床的不（bú）用切削角度和力度，進行連接點位的皮帶輪輔助彈性參（cān）數信息設計，根據大數據下的數控機床工作切削度，對各加工單位的工藝標準進行平均整合，綜合考慮（lǜ）符合大多數加工（gōng）行業的行為標準（zhǔn）。考慮到以（yǐ）上因素，本（běn）文通過彈性環的製作將主軸與（yǔ）皮帶輪進行連接，主軸與皮帶輪的連（lián）接和動作使由彈性環的摩擦力實現的，因此在這一過程中不會產生對主軸和皮帶輪的磨損。同時，製作串聯（lián）的彈性環可以應對成倍的載荷，彈性（xìng）環（huán）通過擰緊螺紋的軸向壓緊力均勻分布在各（gè）彈（dàn）性（xìng）環上，將（jiāng）可能產生間隙的（de）位置進行縮短和拉近，使內環與主軸緊密（mì）相連，外環與皮帶輪充（chōng）分接觸，通過（guò）多環串聯（lián）的（de）方式建立皮帶輪與（yǔ）主軸的連接。由於在連接過程中（zhōng）第一（yī）對彈性環所受到的（de）壓緊（jǐn）力和負荷最大，因此設計單側（cè）軸向的彈性環最多為 3 對，雙側軸向的（de）彈（dàn）性環最多為 6 對。彈性環若在工作過程中產生局部變形，會出現皮帶輪與主軸的難以拆卸的現象，因此在彈性環製作完成後需要對彈性環進行校核，以檢驗彈性環在連接皮帶輪和主（zhǔ）軸的性能。

    1.3關聯機床（chuáng）金屬主軸相鄰（lín）件穩定程度

根據數（shù）控機（jī）床彈性環（huán）連接皮帶的製作，在確定其與金屬主軸的連接點位置後，對相關（guān）具有聯係性的組件穩定程度進（jìn）行關聯，以此確保（bǎo）金屬主軸（zhóu）在切削過程中，與相鄰（lín）組件（jiàn）的穩定程（chéng）度（dù）。以數控機床（chuáng）金屬主軸的工作（zuò）運行軌跡，在其進行（háng）切（qiē）削工藝過程中建立對應坐標係，利用 BIM 技術進行主軸轉動的關聯位置定點，對能夠圍繞主軸金屬（shǔ）運動線路的相關構件進行標記，按照轉動的聯動順序（xù）進行依次組裝。由於數（shù）控機床的（de）切削加工，屬於一個複雜的多麵性工作流程，在內部金屬主軸構件和其他相關構件的連接（jiē）形式上，要分成不同的類（lèi）型，避免穩定關聯過程（chéng）中出現切削運動的誤差。將數控機床的金屬主軸連（lián）接按照刀具的運行角度，進（jìn）行多（duō）個類（lèi）別關聯程度的劃分，在主軸拉刀杆的推進過程中，受彈簧的給進速度會產生（shēng）切削誤差，通（tōng）過 BIM 機床坐標軸的運行匹配方（fāng）式，建立對應運行補償模型（xíng），對相連組件的運行軌跡進行（háng）分布，完成關聯機床金屬主軸和相鄰組件的穩定係數確定。以金屬主軸的拉刀杆作為坐標中心，在機床切削（xuē）開始時其運行軌跡按照橫坐標的數值進行行進，對應的關聯組件位置由縱坐標數據來標記，當兩個行（háng）進的切削數值能夠形成正相關關（guān）係時，表示相連組件能（néng）夠和拉刀（dāo）杆的切削軌跡重合，保證數控機床在切削過程中不會出現給進速度的（de）誤差，使得相鄰組件和金屬主軸能夠保持（chí）穩定的運（yùn）行狀態（tài）。在此基礎上對（duì）彈性環的連接形式加以確定，通過各部分組件的運行管理（lǐ）程度（dù），確定金屬主軸的穩定碟刹位（wèi）置，用於數控機床的（de）切削進度控製。

    1.4 穩定碟刹位置完成主軸部件設計

碟刹部件能夠（gòu）通（tōng）過鎖緊力將主軸固定，起到（dào）製動的功能。由於碟刹部件不能實（shí）現對任意角（jiǎo）度的分（fèn）度，並且結構複雜，在操作流（liú）程上（shàng）也具有一定的難度，一旦操作不（bú）當就會影響數控機床的（de）作業精度，因（yīn）此在主軸（zhóu）部件設計中，需要（yào）對（duì）碟刹位置進行重（chóng）點研究（jiū），通過分級的角度鎖緊，穩定碟刹位置，使其不受角度的限製，能夠與其他（tā）部件相配合。

碟刹部件通過油缸頂出導杆刹（shā）車，在油缸頂（dǐng）出（chū）時隻存在一個（gè）動力源，油缸活（huó）塞會在接觸到刹車盤後停止活動，刹車（chē）銷軸能夠將主軸（zhóu）產生的推力轉（zhuǎn）移到刹車盤（pán）上（shàng），在此（cǐ）過程中能夠產生較大摩擦力矩，使（shǐ）油缸釋放熱量，起（qǐ）到抱緊主（zhǔ）軸的作用。因此，穩定碟（dié）刹位置需要將刹車銷軸對應分布在刹車盤兩側，避免刹車盤在受到銷軸的（de）推力後加大彎矩。碟刹位置的變化影響著碟刹部件的製動效能，使液壓油在換向閥中正常通（tōng）過，按照標示方向到達閥芯位置，帶動活塞推（tuī）動刹車銷軸是（shì）使碟刹部件正常運（yùn）行的前提，通過壓緊力使（shǐ）刹車盤穩定，主軸（zhóu）保持靜止，完成切削工序實現主軸部件的設（shè）計（jì）和應用。

至此，在分析（xī）數控機床的（de）金屬主軸切削作用下，通過對金屬（shǔ）主軸部件結（jié）構圖的繪製（zhì），對各（gè）個相關組件進行位置確定，利用皮帶（dài）的連接形式，製作連接皮帶的彈（dàn）性環輪，對主軸的平衡（héng）性進行維（wéi）護。設置機床金屬主軸（zhóu）與相鄰件的關（guān）聯穩定程度（dù），確定其與多個組件的連接關聯性能，在穩定碟刹（shā）位（wèi）置的定點中進行切削進（jìn）度控製（zhì），完（wán）成數（shù）控機床的主軸部件設計。

2、 實驗論證分析

     2.1選擇實驗對象

本文在研究（jiū）數控機床的金屬主軸切削作用下，設計了一個新的金屬主軸（zhóu）裝置，為驗證此次設計對象具有應（yīng）用價值，利用實驗測試的方式，檢驗其在數控機床切削工作中的有效性。為（wéi）保（bǎo）證實驗環（huán）境的真實（shí）性，在對金屬（shǔ）主軸測試中選擇實地檢測進行效果（guǒ）驗證，已完成不同（tóng）切削方式下金屬主軸對切削工作的效果（guǒ）研究。數控機床的金屬主軸在切削過程中（zhōng），其切削強（qiáng）度和速度能夠對機床產生（shēng）振動頻率，振動（dòng）頻率越高產生的切削振動紋路越標準。本文將使用本文部件的數控車銑切削（xuē）機床為實驗對象（xiàng），選取了兩種不同的切削方式加工（gōng）齒（chǐ）輪進行實驗，得到 2 組實驗數據（jù），測試機床產生振動的頻（pín）率。

根（gēn）據表中（zhōng）內容，對不同的切削方式進行參數設置，為保證不同工藝（yì）形式下此次設計的金屬主軸均能夠滿足切削要求，按照同樣的主（zhǔ）軸轉速和給進速度進行測試。由於機床在實際切（qiē）削過程中具（jù）有特定的運動軌跡，為保證相同加工零件的振動紋路測試效果，對（duì）兩個切削方式的下刀深度進行設置，均以 8mm 的深度進行切削控製，且（qiě）每個組（zǔ）別的實驗切削次數不（bú）少 50 次，保證（zhèng）所得數據的真實性。

     2.2  機床切削過程與結果分析

根據上（shàng）述（shù）設置的數控機（jī）床切削參數進行測試，對不同切削方式的工藝結果進（jìn）行采樣，以隨機采樣的方式，設定其采樣頻率為（wéi） 1800Hz，並將加速度傳感器（qì）安裝於機床坐標係 Y 軸，進行機床振動的速度頻譜分（fèn）析。振動頻率的計算公式如下 ：

     運轉數控車銑切削機床，得到兩種切削方式下的機床顫振（zhèn）情況如圖 2 所示（shì）。

由圖 2 可知，（a）為（wéi）外（wài）圓切削 Y 相加速度頻譜圖（tú），（b）為橫向切削 Y 向加速度頻（pín）譜圖。當切削寬度逐漸（jiàn）變大時，機床的振動頻率會逐步提升，主（zhǔ）軸是引起切削振動的主（zhǔ）要部件，根（gēn）據再生顫振原理可（kě）知，振動的頻率與機（jī）床整體結構固有頻率相關。根據（jù）頻譜波形圖得到機床發生振（zhèn）動（dòng）的頻率（lǜ）如表（biǎo） 2 所示。

 表 2  機（jī）床切削實驗振（zhèn）動頻率

由表 2 可知，2 組實驗所的振動頻率在 170Hz ～ 220Hz 的範圍內，其平均值（zhí）為 195Hz，結合頻（pín）譜波形情況可知，機床在120Hz 和 200Hz 兩個頻率值（zhí）下的狀態薄弱，其振動結（jié）果與機床運行狀態是比較吻（wěn）合的。在切削實驗結束後檢驗加工的齒輪成品如圖 3 所示。

由圖 3 可（kě）知，齒輪孔麵製作均勻，齒輪之間可以高度重合，內孔及端（duān）麵符合（hé）產品加工檢驗標準，機床的加工（gōng）性能達（dá）到了設計要求。通過（guò）對（duì）金屬主軸部件的設計，數控車銑切削機床在應用中具有（yǒu）較好的加工性能。綜（zōng）合（hé）測試結果可知 ：在選用不同的切削（xuē）方式下，對本文設計的金屬主軸進行切削測試，其能夠（gòu）將數控機床工作時的振動頻率控製在有效範（fàn）圍內，保證機床的加工成品具備良好性能，符（fú）合實（shí）際的生產需求，能夠在數控（kòng）機床中進行推廣應用。

3、 結語

隨著數控機床技（jì）術的不斷更新與升級（jí），車銑切削機床在工業製造中發揮著（zhe）積極的作用，本文以（yǐ）滿足數控車銑切削機（jī）床的性能為立足點，設計了金屬主軸部件，取得了一定的成果，但（dàn）仍然存在著（zhe）諸多不足，有待於進一步深入研究。如（rú）在研究中沒有充分考慮軸承運轉狀態（tài）下，熱（rè）量對於軸承變化的（de）影響，對於主軸結構的（de）參數的（de）研究（jiū）上還不夠全麵，沒有考慮到主軸全部結構的尺寸以及承受力，在今後的（de）研究與應用中需要（yào）進一步完善和改進。