主軸（zhóu）與（yǔ）測頭單元連接在加工中心上的應用

為了使國產主軸單元更好（hǎo）地應用於（yú）加工中心，通（tōng）過對機床典型工況的分析，確定主軸部件所能承受的最大切削力。利用有限元分析軟件對加工中心箱體（tǐ）結構進行優化，安裝熱傳感器並（bìng）進（jìn）行係統熱（rè）補償，有效提（tí）高了整機的剛度和（hé）精度。結合易貝機床整體主軸獨特的氣幕保護和錐孔吹掃功能，設計了主軸幹氣和錐孔保護氣動係統，最大限度地保證了（le）主軸的可靠（kào）性和穩定性。

關（guān）鍵詞（cí）:國產主軸單元；最大切削力；有限元分析；係（xì）統熱補償；空氣（qì）幕保護

0簡介

我國（guó）機床行（háng）業近年來（lái）取得（dé）了長足（zú）進步，但核心功能部件與歐（ōu）美品牌存在一定差（chà）距。主軸係統性能與機床的加工精度密切（qiē）相關，是機床最重要的功（gōng）能部件。主軸（zhóu）單元的動靜態性能對加工精（jīng）度和運行（háng）可靠性有很（hěn）大影響。

本文詳細闡述了國產立式加工中心（xīn）主（zhǔ）軸的設計和應用方案。機床樣機試製完（wán）成（chéng）後（hòu），進行了大量（liàng）的（de）熱補償和可靠性試驗，總結了一些問題並反饋給主軸部件配套單位(北（běi）京（jīng）易貝（bèi）機床廠（chǎng）)，為其後續改進和批量生產提供了理論依據。建設質量優良、結構先進的機床功能部件，是提高我國機床工業整體水平的重要組成部分，是確保製造業核（hé）心競（jìng）爭力和產（chǎn）業結構升級的必由之路。

2.機床主軸功（gōng）能部件（jiàn）的設計

2.1主（zhǔ）軸功能部件氣動係統的設計

氣動（dòng）設計是（shì）這個主軸係統的關（guān）鍵部件，直聯主軸的氣路複雜，對（duì）氣流的壓力和幹燥度都有要求。如圖4所示，主氣源通過氣動三聯件4分成三路:一路接壓力檢測開關5，監測整個係統的壓力，過低機器會（huì）報警；第一路連接到盤式刀庫，刀庫上設有控製刀套轉動的電磁換向閥（fá）；最後一條路徑在進入聚合物（wù）幹燥器（qì）6之前分成三（sān）條路徑。第一路通過電磁閥7控製主軸箱上竹筒的加工和吹風，起到清洗（xǐ）和冷卻工件的作用。第二路連接（jiē）氣液轉換刀缸9，將氣壓轉換成油壓控製鬆刀，同時控製主軸拉（lā）刀和主軸錐孔（kǒng）吹氣；第三路經聚合物幹燥器6過濾後，再由調壓閥（fá）3和電磁閥2依次控製錠子上的空氣幕保護功能。

2.2主軸功能部件的結構設計

主軸係統的質量直接影響到整個機床的性能（néng）。不同於以往傳統的分體式結構，從圖5中可（kě）以看出，伺服電機1直接與主軸箱2相連，減少了中間環節，提高了主軸（zhóu）係統的整體精度和剛度（dù）。主軸（zhóu）箱采用高強度鑄鐵，經過多次時效處理，有效抑製了加工過程中切削力引起的（de）變形和應力。外冷卻管3集成在主軸箱右側，結構緊湊，為加工提供大流量冷卻液。Z軸導軌防護罩4由不鏽鋼製成，運行穩（wěn）定可（kě）靠，保護立柱導軌的硬化表（biǎo）麵不受極端工作條件的損壞。壓板和鑲塊5配合塑料貼刮技術，摩擦阻力小，承載能力高，精度保持時間長。

高強度螺母座（zuò）6配合大扭矩交流伺服電機和滾珠絲杠直接（jiē）傳動，保持零件加工的高精度；導軌和滾珠絲杠副采用中央集中自動稀油潤滑，每個節點配有定量分油器7台。定時定量向各潤滑部位注油，保證各滾動麵均勻潤（rùn）滑，有效降低摩擦阻（zǔ）力，提高運動精度，保（bǎo）證滾珠絲杠副和導軌（guǐ）的使用壽命。高剛性聯軸器8連（lián）接（jiē）主軸和電機，確（què）保主軸在（zài）高速運轉過程中能夠穩定可靠地傳遞扭矩。

3.機床主軸功能部件的熱補償及（jí）可靠性（xìng）試驗

3.1主軸係（xì）統熱誤差的原（yuán）因

溫升引起的熱誤差占總誤差的（de）40%~60%，是影響加工精度的（de）主要因素。如圖6所示，當主軸高速旋轉時，主（zhǔ）軸軸承內（nèi）外圈高速摩擦（cā）產生大量（liàng）熱量，改變主（zhǔ）軸（zhóu）的空間姿態（tài），產（chǎn）生熱（rè）伸長、熱傾（qīng）斜、熱漂（piāo）移等（děng）變形，進而引起刀具與工件的相對位置發生變化，導致工件加工精（jīng）度變差。

3.2溫度測量

VMC850L立式加工中心的三個進給軸上各布置兩個溫度傳感器，一個靠（kào）近X、Y、Z軸的絲杠螺母位置（zhì），另一個遠離絲（sī）杠電（diàn）機端；在機（jī）床主（zhǔ）軸和底座（zuò）上分別安裝兩個溫度傳感器(環境溫度)，采集相應的（de）溫度場信息並反饋給誤差補償係統（tǒng），實現全閉環熱定位誤差（chà）的實時補（bǔ）償。溫度傳感器在數控機床上的安（ān）裝如圖7所示。

3.3數控係（xì）統補（bǔ）償（cháng）功（gōng）能分（fèn）析

根據（jù）機床工（gōng）況和關鍵（jiàn）點溫度預測熱誤差，數控係統反向調整機床坐標係原點或進給軸（zhóu）參數，抵消或減小（xiǎo）熱誤（wù）差。智能補償模塊采集機床（chuáng）熱敏感點的實時溫度，根據補償模型計算補償參（cān）數，並將（jiāng）補（bǔ）償參數傳輸給PLC，然後PLC通過通信接口將補償參數寫入數（shù）控係統，改變CNC中的熱誤差補償參數，實現熱誤差補償。

測量機床主軸熱漂移的五點法，記錄主軸在（zài）X方向（xiàng）的熱變形數據，具（jù）有補償主（zhǔ）軸（zhóu）在空（kōng）轉和不補償各5 min熱誤差的功能。補（bǔ）償後的熱漂（piāo）移明顯減（jiǎn）小，補（bǔ）償效果良好。

3.4主軸最（zuì）大扭矩和功率測試

在機床的恒扭矩區選擇主軸轉速n = 400 r/min，用直（zhí）徑D0 = 80 mm的（de）六齒YG6硬質合金鋼立銑刀進行銑削實驗，通過改（gǎi）變進給速度或切削（xuē）深度，使機床達到設計的最大扭矩t = 70n·m，在此實驗過程中，主軸和過載保護裝置工（gōng）作正常可靠。

在（zài）機床（chuáng）恒功率區選取（qǔ）主軸轉速n = 1550 r/min，用直徑D0 = 28 mm的四齒硬質合金鋼端銑刀進行銑削試驗。通過（guò）改變進給速度或切削深度，機床可以達到（dào）設計的最大功率11 K W，在這個測試過程（chéng）中，主軸也正常可靠地工作。

根據GB/T 18400.2-2010《加工中心檢驗條件第（dì）2部分:立式或萬（wàn）能主軸（zhóu）頭機床垂直主軸(垂直Z軸（zhóu）)幾何精度檢驗》中的G10、G11項，對負載試驗後的主軸單（dān）元精（jīng）度進（jìn）行（háng）複驗，測得精度優於國家標準。

4.結論。

隨（suí）著數控加工（gōng）中（zhōng）心自身功能需求的擴（kuò）大，需要與（yǔ）之匹配的功（gōng）能部件的水平也不得不（bú）大大提高，甚至很多功能都需要通過功能部件來增加和（hé）完善。通過本次主軸（zhóu）功能部件在（zài）加工（gōng）中心的應用（yòng）試驗，可以（yǐ）充分了解和挖掘（jué）國產功能部件的性能和特點，為（wéi）今後功能部件的改進和品牌提升奠定基礎。在國外競爭麵前不受約束，是中（zhōng）國（guó）基礎製造業的重中之重。當機床投放市場，麵向最終用戶時，主軸等功能部件對機床的精度（dù）維護、可靠（kào）性和穩定性起著很大的作用（yòng）。隨著國產零部件質（zhì）量和匹（pǐ）配（pèi）度（dù）的提高，機床行業也將煥發出新的活力，國產（chǎn）機床（chuáng）整體性價比將大幅提升。