主軸與測頭（tóu）單元連接在加工中心上的應用

為了使（shǐ）國產主軸單元更好地應用於加工中心，通過對機床典型工況的分（fèn）析（xī），確定主軸部件所能承（chéng）受的最大切削力。利用有限元分析軟件對（duì）加工中心箱體結構進（jìn）行優化，安裝（zhuāng）熱（rè）傳（chuán）感器並進行係統熱補償，有效（xiào）提高了整機的剛度和精度。結合易貝機床整體（tǐ）主軸獨特的氣（qì）幕保護和錐孔吹掃功能，設計了主軸幹氣和錐孔保護氣（qì）動係統，最大限度地保證（zhèng）了主軸的可靠性（xìng）和（hé）穩定性。

關鍵詞:國產主軸單元；最大（dà）切削力；有限元分析；係統熱補償；空氣幕保護（hù）

0簡（jiǎn）介

我國機床行業近年來取得了長足進步，但核心功能部件與歐美品牌（pái）存（cún）在（zài）一定差距。主軸係統性能與機（jī）床的加工精度密切相關，是機床最重（chóng）要的功能部件。主軸單（dān）元的動靜態性能對加工精度和運行可（kě）靠性有很大影響（xiǎng）。

本文詳細闡（chǎn）述了國產（chǎn）立式加工中心主軸的設計（jì）和應用方案。機（jī）床樣機試製完成後，進（jìn）行了大量的熱補償和可（kě）靠性試驗，總結了一些問題並反饋給主軸部件配套單位(北京易貝機床廠)，為其後續（xù）改（gǎi）進和（hé）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（zǔ）成部分（fèn），是確保製造業核心（xīn）競（jìng）爭力和產業結構升級（jí）的必由之路。

2.機床主軸功能部件的設計

2.1主軸功能部件氣（qì）動係統的設計

氣動設計是這個主軸係統（tǒng）的關鍵部件（jiàn），直聯主軸的氣路複雜（zá），對氣流的壓力和幹燥度都有要求（qiú）。如圖4所示（shì），主氣源通過氣動三聯件（jiàn）4分成（chéng）三路（lù）:一路接壓力檢測開關5，監測整個係統的壓力，過低機器（qì）會報警；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；最後一條路徑在進入聚（jù）合物幹（gàn）燥器6之前分成三條路徑（jìng）。第一路通過電磁閥7控製主軸箱上竹（zhú）筒的加工和吹風，起（qǐ）到（dào）清洗和冷卻工件的作用。第二路連（lián）接氣液轉（zhuǎn）換刀缸9，將氣壓轉換成油壓控製鬆刀，同（tóng）時控製主軸拉刀和主軸錐孔吹氣；第三路經聚合物幹燥器6過濾後，再由調壓閥3和電磁閥2依次控製錠子上的（de）空氣幕保護功能（néng）。

2.2主軸功能部件的（de）結構設計

主軸係統的質量直（zhí）接影（yǐng）響到整個機床的性能。不同於以往傳統的分體式（shì）結構，從圖5中可以看出，伺服電機1直（zhí）接與（yǔ）主軸箱2相連，減少了中間環節（jiē），提（tí）高了主軸係統的整體精度和剛度（dù）。主軸（zhóu）箱采用（yòng）高強度鑄鐵，經過多次時效處理，有效抑製了加工過程中切（qiē）削（xuē）力引起的（de）變形和應力。外（wài）冷卻管3集成在主軸箱右側，結構緊湊，為加工提（tí）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）定可靠，保護（hù）立柱導軌的硬化表（biǎo）麵不（bú）受極端工作條件（jiàn）的損壞。壓板和鑲塊5配合（hé）塑料貼刮技術，摩（mó）擦阻力小，承載能力（lì）高，精度保持時間長。

高強度螺母座6配合大扭矩（jǔ）交流伺服電（diàn）機和（hé）滾珠絲杠直接傳動，保持（chí）零件加工的高精度；導（dǎo）軌和滾珠絲杠副（fù）采用中央集中自動稀油潤滑，每個節點配有定量分（fèn）油器（qì）7台。定時（shí）定量向各潤滑（huá）部（bù）位注油，保證各滾（gǔn）動麵（miàn）均勻潤（rùn）滑，有（yǒu）效降低摩擦阻力，提高運動精度，保證（zhèng）滾珠絲杠副和導軌的使用壽命。高剛性聯軸器8連（lián）接主軸和電機，確保主軸在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可靠性試驗

3.1主軸係統熱誤差的原因

溫升引起的熱誤差（chà）占總誤差的40%~60%，是影響加工精（jīng）度的（de）主要因素。如圖6所示，當主軸高速旋轉時，主軸軸承內外圈高速摩（mó）擦產生大量熱（rè）量（liàng），改（gǎi）變主軸的空間姿態，產生熱伸長、熱傾斜（xié）、熱漂移等變形，進而引起刀具（jù）與工件（jiàn）的相對位置發生變化，導致工件加工精度變（biàn）差。

3.2溫度測量

VMC850L立式加工中心的三個進給軸上各布（bù）置兩個（gè）溫度傳感器，一個靠近X、Y、Z軸的（de）絲杠螺母位置，另一個遠離（lí）絲杠電機端；在機床主（zhǔ）軸和底座上分（fèn）別安裝兩個溫度傳感器(環境溫度)，采集相應的溫度場信息並反饋給誤差補償係統，實現全閉環熱（rè）定位誤差的實時補償。溫度傳感器在數控機床上的安裝如圖7所（suǒ）示。

3.3數控係統補償功能分析

根據機床工況和關鍵點溫度預測熱誤差，數控係統反向調整機床坐標係原點或進給軸參數，抵消或減（jiǎn）小熱誤差。智能補償模塊采集機床熱敏感點的實時溫度（dù），根據補償模型計算補償參數，並將補償參數傳（chuán）輸給PLC，然後PLC通過通信接口將補償參數寫入數控係統，改變CNC中（zhōng）的熱誤（wù）差補償參數，實現熱誤差補償。

測量機床主（zhǔ）軸熱漂移（yí）的五點法（fǎ），記錄主軸（zhóu）在X方向的熱變形數據，具有補償（cháng）主（zhǔ）軸在空轉和不補償各5 min熱誤差的功能。補償後的熱（rè）漂移（yí）明顯減小，補償效（xiào）果（guǒ）良好。

3.4主軸最大扭矩和（hé）功率測（cè）試

在機床（chuáng）的恒扭矩區（qū）選擇（zé）主軸轉速（sù）n = 400 r/min，用直徑D0 = 80 mm的六（liù）齒YG6硬質合金鋼立銑刀進行銑削實驗，通過改變進給速度或切削深度，使機床達到設計的最大扭矩t = 70n·m，在此（cǐ）實驗過程中，主軸和過（guò）載保護裝置工作正常可靠。

在機床恒功率（lǜ）區選（xuǎn）取主（zhǔ）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（xuē）試驗。通過改變進給速度或切削深度（dù），機（jī）床可以達到設計的最大功率（lǜ）11 K W，在這個（gè）測試過程中，主軸也（yě）正（zhèng）常可靠地工作（zuò）。

根據GB/T 18400.2-2010《加（jiā）工中心檢驗條（tiáo）件第2部分:立（lì）式或萬能主軸頭機床垂直（zhí）主軸(垂直Z軸)幾何精度（dù）檢驗》中的G10、G11項，對負載試驗後的（de）主軸單元精度進行複驗，測得精度優於國家標準。

4.結論。

隨著數控加工中心（xīn）自身功能需求的（de）擴大，需要與（yǔ）之匹配的功能部件的水平也不得不大大提高，甚至（zhì）很多功能都需（xū）要通過功能部件來增加和（hé）完善。通過本次（cì）主軸功能部件在加工中心的應用試驗，可以充分了解和挖掘國產功能部件（jiàn）的（de）性能和特點，為（wéi）今後功能部件的改（gǎi）進和（hé）品牌提升奠定（dìng）基礎。在國外競爭麵前不受約束（shù），是中國基礎製造業的重中之重。當（dāng）機床（chuáng）投放市場，麵向最終用戶（hù）時，主軸等功能部（bù）件對機床的精度維護、可靠性和穩定性起著很大的作用。隨著國產零部件質量和匹配度的提高（gāo），機床行業也（yě）將煥發出新的活力，國（guó）產機床整體性價（jià）比（bǐ）將大幅（fú）提升。