數控車銑切削（xuē）機床金屬（shǔ）主（zhǔ）軸部件設計研究

數控車銑（xǐ）切削機床以其高（gāo）效（xiào）、環保等優（yōu）點（diǎn）被廣泛應用在機械加工（gōng）中，主軸部件的運轉影響著數控車銑機床的效率，研究數控車銑切削機床金屬（shǔ）主（zhǔ）軸部件設計。在數控車銑切削機床金屬主軸（zhóu）部件設計中（zhōng），通過（guò）繪製金屬主軸部件結構（gòu）圖，為後續（xù）零件製作打好基礎。製作彈性環連接皮帶輪，維（wéi）護主軸的平衡性。關聯機床金屬主軸（zhóu）相鄰件穩定程度，確（què）定其與多個組件的連接關聯性能（néng）。穩定碟刹位置完成主軸部件設計（jì），完成數控機床的切削工序。通（tōng）過實驗論（lùn）證分析，本文方法設計的（de）金（jīn）屬主軸部件的振動（dòng）頻率與數控車銑（xǐ）機床的運行狀態基本一致，產品（pǐn）的加工符合檢驗標準，本文（wén）方（fāng）法具有（yǒu）實用性。

關鍵詞 ：數控機床 ；數控車銑切削機床 ；主軸部件 ；金屬主軸部件設計 ；切削力 ；滾動軸承

我國是製（zhì）造業大（dà）國，製造行業在經濟發展中（zhōng）起著推動作用，數（shù）控機床作為製造行業的關鍵組成（chéng）部分，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。數控機（jī）床是現代製造技術與數字技（jì）術結（jié）合而成的產物，隨著現代化科（kē）技水平不斷提高，我國（guó）數控機床的主（zhǔ）軸部件製（zhì）作也在不斷優化升（shēng）級，使用精度越來（lái）越高，並逐漸向環保、智能的方向發展。

數控車銑切削機床的機械加工方法是利用多（duō）刀切削的方式進行的，它的生產效率較高（gāo），因此對主軸的轉速等（děng）設計要求嚴格。高（gāo）速切削已在世（shì）界範圍內廣泛使用，但我國的研（yán）究還始終處於發展階段，數控機床技術精度的提高對國家（jiā）的各個（gè）領域都有著積極地影響，尤其是精密器械和高精（jīng）度的醫療設備（bèi），數控機床（chuáng）的發展能夠為科研的進（jìn）步提供獨特（tè）的優勢。

主軸（zhóu）部件（jiàn）是整個數控機床的重要部件（jiàn）之一，也是影響機床安全運行，保證機床功能的（de）重要因素（sù），因此（cǐ）本文對數控車銑切削機床的金屬主軸部件進行設計，分析其性能，保證軸承設計（jì）的精確度，使本文設計金屬（shǔ）主軸部件能（néng）夠（gòu）滿足當前數（shù）控車銑切削機床的加工要求，控製切削力，避免在操作（zuò）過程中產生誤差（chà），從而保證加工質量達到預期效果，為日後（hòu）的主軸部件設計研究提供一定的參考。

1、數控車銑（xǐ）切削（xuē）機床金屬主軸（zhóu）部件設計

    1.1繪製金屬主軸部件結構（gòu）圖

數控車銑切削機（jī）床（chuáng）作為高精（jīng）尖（jiān）工業的基礎依仗，對多種製造裝備也提供了加工基礎支撐，在高密度和高精（jīng）度的工作原則下，其內部的主軸裝置（zhì）對工作（zuò）的（de）完整度（dù）對造成（chéng）一定影響，若主軸出現問題（tí）或設計精度不（bú）夠的情況下，會造成後續加工精（jīng）度不良的後果，影響機床加工的安全運行，由此（cǐ）對數控車銑切削（xuē）機床的主軸部件進（jìn）行設計。此次選擇金屬材（cái）質的主軸最為設計（jì）材（cái）料，主（zhǔ）軸部件作為構成（chéng）數控車銑切削機床的（de）關鍵部分之一，它包括主軸、軸承、皮帶輪等許多零件。主（zhǔ）軸部件的質量影響著數控車銑機床的加工質量，主軸的轉速決定著（zhe）數控車銑機（jī）床的（de）工作效率，因此主軸部件的設計至關重要，在設計中需要滿足作業（yè）精度（dù），受熱穩定、剛度好的要求（qiú）。

根據圖中內容可知，在（zài）機床金屬（shǔ）主軸的部件（jiàn）設計中，需（xū）要確定主軸（zhóu）轉子和帶輪的相對位置，並根據數控（kòng）機床的切削力度安（ān）置拉刀杆的位置。通（tōng）過拉刀杆的（de）理想安（ān）裝位置在其相（xiàng）鄰位置進行位移傳感器的安裝，運用多個蝶形彈（dàn）簧控製拉刀杆的前進和後退距離（lí）。本文主軸的前支承運用（yòng）角接觸球軸承，後支承運用深溝球軸（zhóu）承，是軸向（xiàng）能（néng）夠靈活調節，與（yǔ）主軸的（de）冷熱軸的延伸（shēn）方向相匹配，控製主（zhǔ）軸在運行中受到熱量的影響而（ér）產生的（de）偏差，通過在主（zhǔ）軸前支（zhī）承安裝（zhuāng）螺母，改變軸向與徑向的間距。為了穩（wěn）定主軸在運（yùn）行狀態下的主軸溫度，在主軸外部采用冷卻結（jié）構（gòu）。在主軸設計中，主（zhǔ）軸和皮帶輪的連接影響（xiǎng）著（zhe）主軸部件（jiàn）的平衡狀態，因此在這一環節的研（yán）究設計是（shì）非常必要的。主軸分度定位鎖緊的穩定性影響（xiǎng）著數控車銑切削機床的加（jiā）工質量和性能，因此需要設計碟刹（shā）結構（gòu）穩定主（zhǔ）軸部件的振動（dòng）頻率。在確定好數控機床（chuáng）的金屬主軸部件（jiàn）結構組成後，對其內部的連接組件進行依次確定，其中每個組件需要在（zài）皮帶的（de）連接作用下進行相連，通（tōng）過製（zhì）作（zuò）具有彈性的連接皮帶輪進行皮帶安置，以此完成相鄰組件的安裝工作。

    1.2 製作彈性環連接（jiē）皮帶輪

皮帶輪作為連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（qiē）削（xuē）工作（zuò），為主（zhǔ）要的（de）數控機床切削構（gòu）件。作為（wéi）連接不（bú）同組件（jiàn）的關鍵環節，其連接點（diǎn）的位置是（shì）控製強度的主要因素，可以（yǐ）對不（bú）同的（de）主軸部件的切削力度進行控製，主軸與皮帶輪的（de）連接度是影響主軸平衡性的關鍵，如果連接（jiē）強度不夠（gòu），則會使主軸與皮帶輪接觸點的承受力過於集中，在兩者之間產生（shēng）間隙，影響皮（pí）帶輪的穩定性能，導致皮帶輪在運（yùn）轉過程中發生偏離，主軸產（chǎn）生振動，影響機床的加工質量。以此為基礎利（lì）用 BIM 技術手段，將金屬主軸部件的相關參數導入至計算機（jī）中，通過數控（kòng）機床的不用切削（xuē）角度和力度，進行連接點位的皮帶輪輔助彈性參數信息設（shè）計，根據大數據下的數控機床工（gōng）作（zuò）切（qiē）削度，對各加工單位的工藝標準進行平均整合，綜合考慮符合大多（duō）數加工行業的行為標準。考慮到以上因素，本（běn）文通過彈性環的製（zhì）作將主軸與皮帶輪進行連接，主軸（zhóu）與皮帶輪的連接（jiē）和動作（zuò）使由（yóu）彈性環的摩擦力實現的，因此在這（zhè）一過程中不會產生對主軸和皮帶輪的磨損（sǔn）。同時，製作串聯的彈性環可以應（yīng）對成倍的載荷，彈性環通過擰緊螺（luó）紋的軸向壓緊力均勻分布在各彈性環上，將可能產生間隙的位置進行縮短和拉近，使內環與主軸緊密相（xiàng）連，外環與皮帶（dài）輪充分接觸，通過多環串聯的方式建立皮（pí）帶輪與主軸的連接（jiē）。由於（yú）在連接過程中（zhōng）第（dì）一對彈性環所受到的壓緊力和負（fù）荷最大，因此設計單側軸向的彈性環最多為 3 對，雙側軸向的彈性環最多為 6 對。彈性環若在工作過程中產生局部變形，會（huì）出現皮帶輪與主軸的難以拆卸的（de）現象，因（yīn）此在彈性環製作（zuò）完（wán）成後需要對彈性環進行校（xiào）核，以檢驗彈性環在連接皮帶輪和主軸的性能。

    1.3關聯機床（chuáng）金屬主軸相鄰件穩定（dìng）程度

根據數控機床彈性環連接皮帶的製作，在確定其與金屬主軸的連接點（diǎn）位置（zhì）後，對相關具有聯係性（xìng）的組（zǔ）件穩定程度進行關聯，以此確保金屬主（zhǔ）軸在切削過程中，與相鄰組件的穩（wěn）定程度。以數控機床金屬主軸的工作運行軌（guǐ）跡，在其進行切削（xuē）工藝過程（chéng）中建（jiàn）立對（duì）應坐標係，利用 BIM 技術進行主軸轉（zhuǎn）動的關聯位置定點，對能夠圍繞主軸金屬運動線路的相關構件（jiàn）進行標記，按照轉動的（de）聯動順序進行依次組裝。由於數控機床（chuáng）的切削加工，屬於一個（gè）複雜（zá）的多麵性工作流程，在內（nèi）部金屬主軸構件和其他相關構件（jiàn）的連接形式（shì）上，要分成不同的類型，避免穩定關聯（lián）過（guò）程中出現切削運動的誤（wù）差。將數控機床的金（jīn）屬主軸連接按照刀（dāo）具的運行角度，進（jìn）行多個類別關（guān）聯程度的劃分，在主軸拉刀杆的推進過程中（zhōng），受彈簧的給進速度會產生切削（xuē）誤差，通過 BIM 機床坐標（biāo）軸的運行匹配方式，建立對（duì）應運行（háng）補償模型，對相連組件的運行軌跡進（jìn）行分布，完成關聯機床金屬主軸和（hé）相鄰組件的穩定（dìng）係數確定。以金屬主軸的拉刀杆（gǎn）作為坐標中心，在機床切削開始時其運行軌跡按照橫坐標的數值（zhí）進行行進，對應的關聯組件位置由縱坐標數據來標記，當兩個行進的切削數值能夠形成正相關（guān）關係時，表示相連組件能夠和拉刀杆的切削軌跡重合，保證數控（kòng）機床在切削過程中不會出現給進速度的誤差，使得相（xiàng）鄰組件和金（jīn）屬主軸能夠保持穩定的（de）運行狀態。在此基礎上對彈性環的連接形式加以確定，通過各（gè）部分組件（jiàn）的運行管理（lǐ）程度，確定金屬主軸的穩定碟刹位（wèi）置，用於數控機床的切削進度控製。

    1.4 穩定碟刹位置完成主軸部件設計

碟刹部件能夠通（tōng）過（guò）鎖緊力將主軸（zhóu）固定，起到製動的功（gōng）能。由於碟刹部件不能實現對任意角度的分度，並且結構複雜，在操作流程上也具（jù）有一定的難度，一（yī）旦操作不當就會（huì）影響數控機床（chuáng）的作業精度，因此在主軸部件設計（jì）中，需要對碟刹位置進行重點研究，通過（guò）分級的（de）角度（dù）鎖（suǒ）緊，穩定碟刹位置，使其不受角（jiǎo）度的限製，能夠與其他部件相配合（hé）。

碟刹部件通（tōng）過油缸頂出導杆刹車，在油（yóu）缸頂出時隻存（cún）在（zài）一個動力源，油缸活塞會在接（jiē）觸到刹車盤後停止活動，刹（shā）車銷軸能夠將主軸產生的推力（lì）轉移到刹車盤上，在此過程中能夠產生較大摩擦力（lì）矩，使油缸釋放熱量，起到抱緊主軸的作用。因此（cǐ），穩定碟刹位置需要將刹車銷軸對應分（fèn）布在刹車盤兩側，避免刹車（chē）盤在受到銷軸的推（tuī）力後加大彎矩。碟（dié）刹位置的變化影響著碟刹部件的製動效能，使（shǐ）液壓油在換（huàn）向閥中正常通過，按照標（biāo）示方（fāng）向到（dào）達閥芯位置，帶（dài）動活塞推動（dòng）刹車銷軸是使碟刹部件正常運行（háng）的前提（tí），通過壓緊力使刹車盤穩定，主軸（zhóu）保持靜止，完成切削工序實現主軸部件的設計和應用。

至此，在（zài）分析數控機床的金屬主軸切削作用下，通過（guò）對金（jīn）屬主軸部（bù）件結構圖的（de）繪製，對各（gè）個相關組件進行位（wèi）置確定（dìng），利（lì）用（yòng）皮帶的連接形式，製作連接皮帶的彈性環輪（lún），對主軸的平衡性進行維護。設置機床金屬主軸（zhóu）與相鄰件的關聯穩定程度，確定其與多（duō）個組件的連接關聯性能，在穩定碟刹位置的定（dìng）點中進行切削進度（dù）控製，完（wán）成數控機床的主軸部（bù）件設計。

2、 實驗論證分（fèn）析

     2.1選擇實驗對象

本（běn）文在研究數控機床（chuáng）的金屬主（zhǔ）軸切削作用下（xià），設計了一個新的金屬主軸（zhóu）裝置，為（wéi）驗證此次設計對象（xiàng）具有應用價值，利（lì）用實驗測試的方式，檢驗其在數控機床切削工作（zuò）中的有效性。為保證實驗環境的真實性，在對金屬主軸測試中選擇實地檢測進行效果驗證，已完成不同切削方式下金屬主軸對切削工作的效果研究。數控機（jī）床（chuáng）的金屬主軸在切（qiē）削過程中，其（qí）切削強度和速度能夠對機床（chuáng）產生振動頻率，振動頻率越高產生的切削振動紋路越標準。本文將使用本文（wén）部件的數控車銑切（qiē）削機床為實驗對象，選取了（le）兩種不同的切削方式加工齒（chǐ）輪進行實驗，得到 2 組實驗（yàn）數據（jù），測試機床產生振（zhèn）動的頻率。第一種切削方（fāng）式為外圓車（chē）削（xuē），測設設備采（cǎi）用外圓車刀，第二種切削方式為橫向切（qiē）斷麵，測試設備為硬質合金切（qiē）刀。

根據表中內容，對不同的切（qiē）削方式進行參數設置，為保證不同工藝形式下此次（cì）設計的金屬主軸均能夠滿（mǎn）足切削要求，按照（zhào）同樣的主軸轉速和給進速度進行測試。由於機床在實際（jì）切削過程中具有特定的運動軌跡，為保證相同加工零件（jiàn）的振動紋路（lù）測試效果，對兩個（gè）切削方式的下刀深（shēn）度進行設置，均以 8mm 的深度進行切削控製，且每個（gè）組別的實（shí）驗切削次數不少 50 次，保證所（suǒ）得數據的真實性。

     2.2  機床切削過程與結果分析

根據上述設置的數控機床切削參數進行測試，對不同切削方式的（de）工藝結果進行采樣，以隨機采樣的方式，設定其采樣頻率（lǜ）為（wéi） 1800Hz，並將加速度傳感器安（ān）裝於機床坐（zuò）標係 Y 軸，進行機床振動的速度頻譜分析。

（a）為外圓切（qiē）削 Y 相加速度頻譜圖，（b）為橫向切削（xuē） Y 向加速度頻譜圖。當切削寬（kuān）度（dù）逐漸變大時，機床的振動頻率會逐步提升，主軸是引起（qǐ）切削（xuē）振動的主要部件，根據再生顫振原理可知，振動的頻率與機床整體結（jié）構固有頻率相關（guān）。根據頻譜波形圖得到機床發生振動的頻率如表 2 所示。

2 組實驗所的振動頻率（lǜ）在 170Hz ～ 220Hz 的（de）範圍內，其平均值為 195Hz，結合頻譜波形情況可知，機床（chuáng）在120Hz 和 200Hz 兩個頻（pín）率值下的狀態薄弱，其振動結（jié）果（guǒ）與機床（chuáng）運行（háng）狀態是比較吻（wěn）合的。在切削實驗（yàn）結束（shù）後檢驗加工的齒輪成品如圖 3 所示。

齒（chǐ）輪孔麵製作均勻，齒輪之間可以高度重合，內孔及端麵符合產品加工檢驗標（biāo）準，機床的加工性能達到了設（shè）計要求。通過對金屬主軸部件的設計，數（shù）控車銑切削機床在應用中（zhōng）具有較好的加工性（xìng）能。綜合測試結果可知（zhī） ：在選用不同的切削方式下，對本文（wén）設（shè）計（jì）的金（jīn）屬主軸進（jìn）行切削測試，其能夠（gòu）將數控（kòng）機床工作時的振（zhèn）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（xìng）能，符合（hé）實際的生產需求，能夠在數控機床中進行推廣應用。

3、 結語

隨著數控機床技術的不斷更新與升級，車銑切削機床在工業製造（zào）中發揮著積極的作（zuò）用，本文以滿足數控車銑切削（xuē）機床的性能為立足點（diǎn），設計了金屬主軸部件，取得了一定的成果，但仍然存在（zài）著諸多不足，有（yǒu）待於進一（yī）步深入（rù）研（yán）究（jiū）。如在研究中沒有充分考慮軸承運轉狀態（tài）下，熱量對於軸承變化的影響，對（duì）於（yú）主軸結構的參數的研究上還不夠全麵，沒（méi）有考慮到主軸全部結構的尺寸以及承受力，在今後的研究與應用中需要進一步（bù）完（wán）善和改進。

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