數（shù）控車銑切削機（jī）床（chuáng）金（jīn）屬主軸部件設計研究（jiū）

我國是製造業大國，製造行（háng）業在經濟發展中起著推動作用，數控（kòng）機床作為製造行業的關鍵組成部分，對其自身（shēn）的質（zhì）量有著（zhe）較高的（de）要求，因此在對關鍵部件的設計上，需要嚴（yán）格控製機床結構，保證機床的動力學性能。數控機床是現代製造技術與數（shù）字技術（shù）結合而成的產物，隨著現代化科技水（shuǐ）平不斷提高，我國數控（kòng）機床的主軸部件製作也在不斷優化升（shēng）級（jí），使用精度越（yuè）來越（yuè）高，並逐漸向環保、智能的方向發展。

數控車（chē）銑切削（xuē）機床的機械加工（gōng）方法是利（lì）用多刀切削的方式進行的，它的生產效率較高，因此對主（zhǔ）軸的轉速等設計要求嚴格。高速切削已在世界範圍內廣泛使用，但我（wǒ）國的研究還始終處於發展（zhǎn）階段（duàn），數控機床技術精度（dù）的提高對國家的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療設備，數（shù）控機床的發展能夠為科研的進步提供獨（dú）特的優勢（shì）。

主（zhǔ）軸部件是整個數控（kòng）機床的重要部件之一，也是影響機床安全運行，保證機床功能的重要因素，因此本文對數控車銑切削機床的金屬主軸部件進行設計，分（fèn）析其性能（néng），保證軸承設計（jì）的精確（què）度，使本文設計金屬主軸部件能夠滿足當前（qián）數控車（chē）銑切削機床的加工要求，控製切削（xuē）力，避免在操（cāo）作過（guò）程中產生誤差，從而保（bǎo）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（cān）考。

1、數控車銑切削（xuē）機床金屬主軸部件設計

    1.1繪製金屬主軸（zhóu）部件結構圖

數控車銑切削機床作為高精尖（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，在高密度和高精度的工（gōng）作原則下（xià），其內部的主軸裝置對工作的完整度對造成一（yī）定影響，若主（zhǔ）軸出現問題（tí）或設計精度不夠的情況（kuàng）下，會（huì）造成（chéng）後（hòu）續加工精度不良的後果（guǒ），影響機床加（jiā）工的安全運行，由此對數（shù）控車銑切削機床（chuáng）的主軸部件進行（háng）設計。此次選擇金屬材質的主軸最為設計材料，主軸部件作為構成（chéng）數控車銑切（qiē）削機床的關鍵部分之一，它包（bāo）括主軸、軸承、皮帶輪等許多零件。主軸部件的質量影響著數控車銑機床的加工質（zhì）量，主軸的轉速決定著數控（kòng）車銑機床的工（gōng）作效率，因此主軸部件（jiàn）的設計至關重要，在設計中需要（yào）滿足作（zuò）業精度，受熱穩定、剛（gāng）度好的要求。

根據圖中內容可知（zhī），在機床金屬主軸的部件設計中，需要確定主軸轉子和帶輪的相對（duì）位置（zhì），並根據數控機床的切削力度安置拉（lā）刀杆的位置。通過拉刀杆的理想安裝位置在其相（xiàng）鄰位置進（jìn）行位移傳感器的安裝，運用多個蝶形彈（dàn）簧控製（zhì）拉刀杆（gǎn）的前進（jìn）和後退距離。本文主軸的前支承運用角接觸（chù）球軸承，後支承運用深溝球軸承，是軸向能夠靈活調節，與主軸的冷（lěng）熱軸的延伸方向相匹（pǐ）配，控製主軸在運行中受到熱量的影響而產生的偏差，通過在（zài）主軸前支承安裝螺母，改（gǎi）變軸向與徑向的間距。為了穩定（dìng）主軸在運行狀態下的主軸溫度，在（zài）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軸部件的平（píng）衡狀（zhuàng）態，因此在這一環節的研究設計是非常必要的（de）。主軸分度定位鎖緊的穩定性影響著數控車銑切削機（jī）床的加工質量和性能，因此需要設計碟（dié）刹結構穩定主軸部件的振（zhèn）動（dòng）頻率（lǜ）。在確定好數控機床的金屬主軸部件結構（gòu）組成（chéng）後，對其內部的連接（jiē）組件進行依次確定，其中每個組件需要在皮帶的連接作用（yòng）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（yǐ）此完成相鄰組件的安裝工作。

    1.2 製作彈性環連（lián）接皮帶輪

皮帶輪作為連（lián）接主（zhǔ）軸和其他相鄰組（zǔ）件的關鍵部件之一，能夠將主軸和（hé）其他具備切削工藝的組件進行聯係，完成對不同（tóng）性質材料的切削工作，為主要的（de）數（shù）控機床切削構件。作為連接不同組件的關鍵環節，其連接點（diǎn）的位置是控製強度的主要因素，可以對不同的主軸部件的切（qiē）削力度進行控製，主軸與（yǔ）皮（pí）帶輪的連接度是影響主軸平衡性的關（guān）鍵，如果連接強度不夠，則會使主軸與皮帶輪接觸點（diǎn）的承受（shòu）力過於集中，在兩者之間產生間隙（xì），影響皮帶輪的穩定性能，導致皮帶（dài）輪在（zài）運轉過程中發生偏離，主軸產生振動，影響機床的加工質量。以此為基礎利用 BIM 技術手段，將金屬主軸部件的相關參數導入至計算機中，通過（guò）數控（kòng）機床的（de）不用切削角度和力（lì）度，進（jìn）行連接點位的皮帶輪輔助彈性參數信息設計，根據大數據（jù）下的數控機床工作（zuò）切（qiē）削度，對各加工單位的工藝標準進行平均整合，綜合考慮符合大多數加（jiā）工行業的行為標準。考慮到以上因素，本文通過彈性環的製作將主軸與皮帶輪進行連（lián）接（jiē），主軸與皮帶輪的連（lián）接和動（dòng）作使由彈性環（huán）的摩擦力實現的，因此在這（zhè）一過程中不會（huì）產生對主軸和皮帶輪的磨（mó）損。同時，製作串聯的彈性環可以應對成倍的載荷，彈（dàn）性環通過擰緊螺紋的軸向壓緊（jǐn）力均勻分布在（zài）各彈性環上（shàng），將可（kě）能產生（shēng）間隙的位置進行縮短和拉近，使內（nèi）環與主軸緊密相連，外環與皮帶輪充分接觸，通過多環串聯的方式建立皮帶輪（lún）與主軸的連接。由於（yú）在連接過程中第一對（duì）彈性環所受到（dào）的壓（yā）緊力和負荷最大，因此設計單側軸（zhóu）向的彈性環最多為（wéi） 3 對，雙（shuāng）側軸向的彈性環最多（duō）為 6 對。彈性環若在（zài）工作過程中產生局部變形，會（huì）出現皮帶輪與（yǔ）主軸的難以拆卸的（de）現象，因此在彈性環製作完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關聯機床金屬主軸相鄰件穩定程度

根據數控機床彈性環連接皮帶的製作，在確（què）定其與金屬主軸的連接點位置後，對相關具有聯係（xì）性的組件穩定程度進行關聯（lián），以此確保金屬主軸在切削過程中，與相鄰組件的穩定程度。以數控機床金屬主軸的工（gōng）作運行軌跡（jì），在其進行切削工藝過程中建立（lì）對應坐標係，利用 BIM 技術進行主軸轉動（dòng）的關聯位置定點，對能夠圍繞主軸（zhóu）金屬運動線路的相關構件進行標記，按照轉動（dòng）的聯（lián）動（dòng）順（shùn）序（xù）進行依次（cì）組裝。由（yóu）於數控機床的切削加工，屬於一個（gè）複雜的多（duō）麵性工作流程，在內部金屬主軸（zhóu）構件和其他相關構（gòu）件的連（lián）接形式上，要分成不同的類型，避免穩定關聯過程（chéng）中出現切削運（yùn）動的誤差。將數控機床的金屬（shǔ）主軸連接按照刀具的運行角度，進行（háng）多個（gè）類別關（guān）聯程度的（de）劃分，在主軸拉（lā）刀杆的推進過程中，受彈簧的給進速度（dù）會（huì）產（chǎn）生切削誤差，通過 BIM 機床坐標軸的運行（háng）匹配方式，建立對應運行補償模型，對相連組件的運行軌（guǐ）跡進行分（fèn）布，完成關聯機床金屬主軸和相鄰組件的穩定（dìng）係數確定。以金屬主軸的拉刀杆作為坐標中心，在機床切削開始時其運行軌跡按照橫坐標的數值進行行進，對應的（de）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（xiàng）關關係（xì）時，表示相（xiàng）連組件能夠和拉刀杆的切削軌跡重合，保證數控機床在切削過程中不會出現給進速度的誤（wù）差，使（shǐ）得相鄰組件和（hé）金屬主軸能夠保持穩（wěn）定的運行狀態。在此基礎上（shàng）對彈性環的連接形式加以確定，通過各部分組件的運行管理程度，確定金屬主軸的穩定碟刹位置，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（zhóu）部（bù）件設計

碟刹部件能夠通過鎖緊力將主（zhǔ）軸固定，起到製動的功能。由於碟刹部件不能實現對任意（yì）角度的分度（dù），並且結構複雜（zá），在操（cāo）作（zuò）流程上也具（jù）有一定的難度，一旦操作不當就會（huì）影響數控機床（chuáng）的作業精度，因此在主軸部件設計中，需要對碟刹位置進行重點研究，通過分級的角度鎖緊（jǐn），穩定碟刹位置，使其不（bú）受角度的限製，能（néng）夠與其他部件相配（pèi）合。

碟刹部件通過油缸頂出導杆刹車（chē），在油缸（gāng）頂出時隻存在一個（gè）動力源，油缸活塞（sāi）會在接觸到刹（shā）車盤後停止活動，刹車銷軸能（néng）夠將主軸產生的推力轉（zhuǎn）移到刹車盤上，在此過（guò）程（chéng）中能夠產生較大摩（mó）擦力矩，使油缸釋（shì）放熱量，起到抱緊主（zhǔ）軸的作用。因此，穩定碟刹（shā）位置需要（yào）將刹車銷（xiāo）軸對應分布（bù）在刹車盤兩側，避免刹車盤在受到銷軸的推力後加大彎矩。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過，按照標（biāo）示（shì）方向到達閥芯位置（zhì），帶動活塞推動刹車銷軸是使（shǐ）碟刹部件正常運行的前提，通過壓緊（jǐn）力使刹車盤穩定，主軸（zhóu）保持靜止，完成切（qiē）削工序（xù）實現（xiàn）主軸部件的設計和應用。

至此，在分析數控機床（chuáng）的金屬主軸切削作用下，通過對金屬主軸部件結構圖的繪製，對各個相關組件進行位置確定，利（lì）用皮帶的連接形式，製作連接皮帶的彈性環輪，對主軸的平衡性進行維護。設置機床金屬主軸與相鄰件的關聯穩（wěn）定程度，確定其與多個組件的連接關聯性能，在穩定碟刹位置的定點（diǎn）中進行切削（xuē）進度控製，完成數控（kòng）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（zài）研究數控機床的金屬主軸切削作用下，設計了一（yī）個新的金屬主軸裝置，為驗證此次設計對象具有應用價值，利用（yòng）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（tóng）切削方式下金（jīn）屬（shǔ）主軸對切削（xuē）工作的效果研究。數控（kòng）機床的金（jīn）屬主（zhǔ）軸在切削過程中，其切削強度（dù）和速度（dù）能夠對機床產生振（zhèn）動頻率，振動頻率（lǜ）越高產（chǎn）生（shēng）的切削振動紋路（lù）越標準。本文將使用本文部件的（de）數控車銑切（qiē）削機床為實（shí）驗對象，選取了兩（liǎng）種不同的切削（xuē）方式加工齒輪進行實驗，得到 2 組實驗數據，測試機床產（chǎn）生振動的頻率。

根據表中內容（róng），對不同的（de）切削方式進行參數設置，為保證不同工藝形式下此次設計的金屬主軸均能夠（gòu）滿足切削要求，按照同樣的主軸（zhóu）轉速和給進速度進行測試（shì）。由於機床在實際切削過程中具有特定（dìng）的運動軌跡（jì），為保證相同加工零件的振動紋路測試效果，對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，且每個組（zǔ）別的實驗切削次數不少 50 次，保證所得（dé）數據的真實性（xìng）。

     2.2  機（jī）床切削過程（chéng）與結果分析

根據上述設（shè）置的數控機床切削參數進行測試，對不同切削方式（shì）的工藝結果進（jìn）行采樣，以隨機（jī）采樣的方式，設定其采樣（yàng）頻率（lǜ）為 1800Hz，並將加速度傳感器安裝於機床坐標係 Y 軸，進行機（jī）床振動的速度（dù）頻譜分析（xī）。振動頻率（lǜ）的計算公式如下 ：

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

由圖 2 可知，（a）為外圓切（qiē）削 Y 相加速度（dù）頻譜圖，（b）為橫向切削 Y 向加速度頻譜圖。當切削寬度逐漸變大時，機床的振動頻率會逐（zhú）步提升，主軸是引起切削振動的主要（yào）部件（jiàn），根據（jù）再生顫（chàn）振原理（lǐ）可知，振動的頻率與機床整體（tǐ）結構固有頻率相關。根據頻譜波形圖得到機床發生振動（dòng）的頻率（lǜ）如表 2 所（suǒ）示。

 表 2  機床（chuáng）切削（xuē）實驗振動頻率

由表（biǎo） 2 可知，2 組實驗所的振動頻率在 170Hz ～ 220Hz 的範圍（wéi）內，其（qí）平均值為 195Hz，結合（hé）頻譜波形情況可知，機床（chuáng）在120Hz 和 200Hz 兩（liǎng）個（gè）頻率（lǜ）值（zhí）下的狀態薄弱，其（qí）振動結果與機床運行狀態是比（bǐ）較吻合的。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（lún）之間可以高度重合，內孔及端麵符合產品加工（gōng）檢驗標準，機床（chuáng）的加（jiā）工性能（néng）達到了設計要求。通過對金（jīn）屬主軸部件的設計（jì），數控車銑（xǐ）切（qiē）削機（jī）床（chuáng）在應用中具有較好的加工性能。綜合（hé）測試結（jié）果可（kě）知 ：在選用不同的切削方式下，對本文設計的金（jīn）屬主軸進行切削測試，其能夠將數控機床（chuáng）工作時的振動（dòng）頻率控（kòng）製在有效範圍內，保證機（jī）床的加工成品具備良好性能，符（fú）合實際的生產需求，能夠在數（shù）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（shēng）級，車銑切削機（jī）床在工業製造中（zhōng）發揮著（zhe）積極的作用（yòng），本文以滿足數控車（chē）銑切削機床的性能為立足點，設計了金（jīn）屬主軸部件，取得了一定的成果，但仍然存在著諸多不足，有（yǒu）待於進一步深入研究（jiū）。如在研（yán）究中沒有充分考慮軸承運轉狀態下，熱量對於軸承變化的影響（xiǎng），對於主軸結構的參數的研究（jiū）上還不夠全麵，沒有考（kǎo）慮到主軸全（quán）部結構的尺寸以（yǐ）及承（chéng）受力，在今後的研究（jiū）與應（yīng）用中需要進一步（bù）完善和（hé）改進。