加工中心機械主軸結(jié)構(gòu)的新設(shè)計
發(fā)布時間：2021-04-06 20:00:17 點擊率：
裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)在于機床，而加工中心機床集高精度與高效率于一體，同時是產(chǎn)品質(zhì)量的保證。國際上從上世紀 90 年代后期，將機床主軸作為機床的關(guān)鍵功能部件逐步由機床主機廠分立出來，目前國內(nèi)
90%以上中主軸產(chǎn)品是中國臺灣及其他國外產(chǎn)品。加工中心機床主軸分為電主軸和機械主軸，電主軸是將電動機內(nèi)置于主軸單元的高新技術(shù)產(chǎn)品，將變頻電動機和機床主軸合二為一，實現(xiàn)了機床的零傳動， 尤其在磨床上和雕銑機床上得到了廣泛的應(yīng)用。對比電主軸與機械主軸，電主軸存在制作成本高，潤滑冷卻裝置復(fù)雜，需要控制系統(tǒng)等外圍設(shè)備，維護和維修成本高，而機械主軸具有結(jié)構(gòu)簡單成本低，使用配置簡單， 維護和維修成本低，機械主軸得到大量應(yīng)用。
加工中心機械主軸的高速切削，因切削摩擦而產(chǎn)生大量的切削熱是影響加工中心機床加工精度和表面 質(zhì)量的主要因素，同時，摩擦熱產(chǎn)生導(dǎo)致切削溫度的升 高，從而加劇了刀具的磨損，縮短刀具的使用壽命。
1 AP1230 加工中心機械主軸簡介
一般的加工中心機械主軸結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示，主軸內(nèi)部設(shè)計有松拉刀機構(gòu)，外部設(shè)置有同步帶輪傳動機構(gòu)，傳動方式多是皮帶傳動，即采用普通電動機驅(qū)動， 通過電動機帶輪轉(zhuǎn)動皮帶驅(qū)動加工中心主軸同步轉(zhuǎn) 動，松拉刀機構(gòu)采用氣缸推動拉桿的方式。這種加工中心機械主軸的傳動方式存在較多的缺點，如傳動不平穩(wěn)，皮帶的振動會影響加工中心機械主軸的正常運轉(zhuǎn)，影響主軸的加工精度，噪音大，低速重切削時易出現(xiàn)皮帶跳脫打滑問題。另外多級傳動機構(gòu)造成加工中心機床結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，占用空間大。
現(xiàn)有加工中心機械主軸的冷卻一般解決主軸的自 身溫升，大都采用殼體設(shè)計有螺旋冷卻水槽結(jié)構(gòu)，通過 循環(huán)冷卻水降低主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溫升。對加工工 件銑削部位和刀具產(chǎn)生的熱量，一般通過加工中心機床自帶的冷卻管噴射冷卻液進行冷卻，存在冷卻液的噴射方向單一，在改變加工工件部位和更換不同刀具等工況發(fā)生變化時，冷卻液的噴射卻不會及時自行調(diào)整噴射角度和高低等，對正在加工銑削中心部位的冷卻效果大大降低，因切削高溫加劇刀具磨損，縮短使用 壽命，進一步造成工件加工精度的超差。
2 APHZ1230 加工中心機械主軸結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計
機械主軸主要分為齒輪傳動式、皮帶傳動式和直聯(lián)式 3 種傳動方式。從加工中心高速性能的要求，相比之下只有直聯(lián)式傳動方式符合。直聯(lián)式主軸是由聯(lián) 軸器直接將電動機和主軸單元相聯(lián)，優(yōu)點是省去了中間傳動環(huán)節(jié)，傳輸功率損耗小，可實現(xiàn)高速，且噪音低于皮帶式主軸。
同時，為降低刀具與工件切削產(chǎn)生的熱量，延長加工刀具的使用壽命，從主軸的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)方面考慮，結(jié)合現(xiàn)有的加工中心機械主軸冷卻方式的發(fā)展，在原有加工中心機械主軸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上， 設(shè)計一種創(chuàng)新型的環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸，主要創(chuàng)新結(jié)構(gòu)有三部分，如圖 2 所示。
2. 1 加工中心機械主軸直聯(lián)式結(jié)構(gòu)設(shè)計
為提高加工中心機械主軸的傳動效率，取消傳統(tǒng)的皮帶傳動，在主軸末端采用聯(lián)軸器與驅(qū)動電動機軸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)，同時保證主軸松刀機構(gòu)的功能不變，松拉 刀利用加工中心機床打刀臂推動連接體通過連軸銷帶 動拉桿實現(xiàn)松拉刀，傳動更加平穩(wěn)，降低了機床的難度，空間更加緊湊，更具有經(jīng)濟性。
環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸，主要包括由轉(zhuǎn)軸、前蓋、殼體、連接體、拉桿和連軸銷等主要零部件，轉(zhuǎn)軸 設(shè)計為中空并安裝有拉桿，拉桿芯部設(shè)計有軸向氣道， 在轉(zhuǎn)軸上段設(shè)計有 U 形限位徑向通孔并安裝有徑向連軸銷，連軸銷設(shè)計為中空有氣道結(jié)構(gòu)，中部與拉桿配合， 兩端與連接體配合，連接體軸向設(shè)計為臺階結(jié)構(gòu)，在內(nèi) 部設(shè)計有氣道結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)軸末端設(shè)計有軸向臺階結(jié)構(gòu)， 配合安裝有聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的輸入端與電動機軸匹配 安裝聯(lián)接。在直聯(lián)結(jié)構(gòu)中，連接體的設(shè)計是關(guān)鍵，如圖
3 所示，連接體既要在打刀臂的作用下帶動拉桿進行打刀，還要通入空氣吹走主軸換刀時內(nèi)錐中的污物。
連軸銷氣道的進氣道一端與連接體氣道對接，中空出氣道與拉桿中部軸向氣道對接。連接體氣道的進 氣道一端與定位塊出氣道對接，出氣道一端與連軸銷進氣道對接。
加工中心機床啟動后，當電動機處于工作狀態(tài)時， 電動機軸轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸器輸出端直接驅(qū)動加工中心機械主軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，需要換刀時，電動機接到信號停止轉(zhuǎn)動; 同時，加工中心機械主軸也停止轉(zhuǎn)動，加工中心機床的打刀臂作用在機械主軸連接體臺階面，推動連接體軸向向下移動，同時連接體帶動連軸銷、拉桿和拉刀爪向下移動，拉刀爪進入轉(zhuǎn)軸空槽后漲開松開刀柄， 實現(xiàn)松刀過程，進行換刀，同時，高壓氣體通過定位塊的氣孔進入連接體氣道，經(jīng)連軸銷和拉桿氣道到達拉桿內(nèi)，在換刀時吹凈轉(zhuǎn)軸錐孔內(nèi)側(cè)壁灰塵。換刀完成后，加工中心機床打刀臂脫離與連接體的接觸，在碟簧的作用力下，拉桿帶動拉刀爪向上移動，拉緊刀柄。
2. 2 加工中心機械主軸環(huán)噴冷卻方式的設(shè)計
為提高加工中心機械主軸的冷卻效果，降低加工切削中心部位的溫升，設(shè)計一種具有環(huán)噴冷卻結(jié)構(gòu)的前蓋，如圖 5 所示，前蓋由前小蓋和襯圈組成，襯圈與前小蓋過盈熱下組合在一起，前小蓋與襯圈配合部分的外徑設(shè)計有環(huán)形冷卻水槽，在前蓋左端設(shè)計有軸向進水孔和徑向水道相通，并通到環(huán)形水槽，在前蓋的外 側(cè)端面設(shè)計有均布的出水孔，配合安裝有可旋轉(zhuǎn)噴射接頭。
在殼體的螺旋水槽的左端設(shè)計水道，與前蓋的進水孔連通。冷卻液體經(jīng)殼體螺旋水槽由殼體水道進入的環(huán)噴前蓋進水孔，到達環(huán)形水槽，然后經(jīng)環(huán)形水槽終由端面出水孔的旋轉(zhuǎn)噴射接頭噴射出。通過冷卻液環(huán)噴作用，冷卻液始終噴射在刀具和加工工件的切削部位，并不因加工工件部位的改變而降低冷卻效果，刀具切削工件產(chǎn)生熱量的散熱問題得到有效的解決，同時對加工刀具起到了潤滑作用，有效避免積屑瘤的產(chǎn)生，降低刀具的磨損，延長刀具的使用壽命，減少因切削熱變形導(dǎo)致加工精度超差和表面質(zhì)量降低的因素。
2. 3 加工中心機械主軸氣封結(jié)構(gòu)的設(shè)計
加工中心機械主軸必須進行密封設(shè)計，主軸在高速運轉(zhuǎn)的情況下，任何灰塵和冷卻殘液通過縫隙進入軸承內(nèi)部都會引起軸承振動或軸承燒傷，降低軸承壽命，甚至產(chǎn)生軸承咬死現(xiàn)象。
環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸在主軸采取迷宮密封結(jié)構(gòu)和氣密封結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式。迷宮結(jié)構(gòu)是主軸前后端設(shè)計有前、后密封墊兩個零件，如圖 1 所示，在前、后密封墊兩個零件內(nèi)部挖槽，使其形成迷宮結(jié)構(gòu)， 可防止冷卻殘液和灰塵進入軸承內(nèi)部。前蓋在設(shè)計環(huán)噴結(jié)構(gòu)的同時，設(shè)計有氣密封結(jié)構(gòu)，在前蓋左端設(shè)計有軸向進氣孔和徑向氣道相通，如圖 4 所示，在前蓋通入潔凈的壓縮空氣使其在主軸的徑向表面形成氣環(huán)，同時主軸的徑向表面設(shè)計有多道環(huán)形的密封槽，有效地將進入主軸縫隙的冷卻殘液和灰塵吹出，這兩種密封方式的有效結(jié)合可防止灰塵和冷卻殘液進入軸承內(nèi)部，大大提高了加工中心機械主軸的可靠性。
3 初步試驗
按照國家有關(guān)標準，對環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸進行性能檢測，包括靜態(tài)幾何精度檢測和動態(tài)綜合性能檢測，經(jīng)檢測，各項技術(shù)指標均符合國家標準， 主軸高速跑合達到穩(wěn)定溫度時，溫升不大于 20 ℃ ，噪
音不大于 78 dB，振動值不大于 1. 0 mm / s。在加工中心安裝試用，傳動效率和冷卻效果達到中心機械主軸設(shè)計要求并滿足機床的使用要求，刀具切削溫升也大幅降低，加工效率也大幅提高。
4 結(jié)語
本文所設(shè)計的新型加工中心機械主軸主要特征在于: 主軸采用聯(lián)軸器替代皮帶傳動，優(yōu)化了驅(qū)動方式，傳動平穩(wěn)，傳動功率大幅提高，在主軸前端采用環(huán)噴和氣 密封一體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，既降低工件與刀具的溫升，提高 加工精度，延長刀具的使用壽命，又防止加工過程中灰 塵和冷卻殘液進入軸承內(nèi)部，提高主軸的可靠性。加工中心設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，更加具有經(jīng)濟性。
90%以上中主軸產(chǎn)品是中國臺灣及其他國外產(chǎn)品。加工中心機床主軸分為電主軸和機械主軸，電主軸是將電動機內(nèi)置于主軸單元的高新技術(shù)產(chǎn)品，將變頻電動機和機床主軸合二為一，實現(xiàn)了機床的零傳動， 尤其在磨床上和雕銑機床上得到了廣泛的應(yīng)用。對比電主軸與機械主軸，電主軸存在制作成本高，潤滑冷卻裝置復(fù)雜，需要控制系統(tǒng)等外圍設(shè)備，維護和維修成本高，而機械主軸具有結(jié)構(gòu)簡單成本低，使用配置簡單， 維護和維修成本低，機械主軸得到大量應(yīng)用。
加工中心機械主軸的高速切削，因切削摩擦而產(chǎn)生大量的切削熱是影響加工中心機床加工精度和表面 質(zhì)量的主要因素，同時，摩擦熱產(chǎn)生導(dǎo)致切削溫度的升 高，從而加劇了刀具的磨損，縮短刀具的使用壽命。
1 AP1230 加工中心機械主軸簡介
一般的加工中心機械主軸結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示，主軸內(nèi)部設(shè)計有松拉刀機構(gòu)，外部設(shè)置有同步帶輪傳動機構(gòu)，傳動方式多是皮帶傳動，即采用普通電動機驅(qū)動， 通過電動機帶輪轉(zhuǎn)動皮帶驅(qū)動加工中心主軸同步轉(zhuǎn) 動，松拉刀機構(gòu)采用氣缸推動拉桿的方式。這種加工中心機械主軸的傳動方式存在較多的缺點，如傳動不平穩(wěn)，皮帶的振動會影響加工中心機械主軸的正常運轉(zhuǎn)，影響主軸的加工精度，噪音大，低速重切削時易出現(xiàn)皮帶跳脫打滑問題。另外多級傳動機構(gòu)造成加工中心機床結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，占用空間大。
現(xiàn)有加工中心機械主軸的冷卻一般解決主軸的自 身溫升，大都采用殼體設(shè)計有螺旋冷卻水槽結(jié)構(gòu)，通過 循環(huán)冷卻水降低主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溫升。對加工工 件銑削部位和刀具產(chǎn)生的熱量，一般通過加工中心機床自帶的冷卻管噴射冷卻液進行冷卻，存在冷卻液的噴射方向單一，在改變加工工件部位和更換不同刀具等工況發(fā)生變化時，冷卻液的噴射卻不會及時自行調(diào)整噴射角度和高低等，對正在加工銑削中心部位的冷卻效果大大降低，因切削高溫加劇刀具磨損，縮短使用 壽命，進一步造成工件加工精度的超差。
2 APHZ1230 加工中心機械主軸結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計
機械主軸主要分為齒輪傳動式、皮帶傳動式和直聯(lián)式 3 種傳動方式。從加工中心高速性能的要求，相比之下只有直聯(lián)式傳動方式符合。直聯(lián)式主軸是由聯(lián) 軸器直接將電動機和主軸單元相聯(lián)，優(yōu)點是省去了中間傳動環(huán)節(jié)，傳輸功率損耗小，可實現(xiàn)高速，且噪音低于皮帶式主軸。
同時，為降低刀具與工件切削產(chǎn)生的熱量，延長加工刀具的使用壽命，從主軸的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)方面考慮，結(jié)合現(xiàn)有的加工中心機械主軸冷卻方式的發(fā)展，在原有加工中心機械主軸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上， 設(shè)計一種創(chuàng)新型的環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸，主要創(chuàng)新結(jié)構(gòu)有三部分，如圖 2 所示。
2. 1 加工中心機械主軸直聯(lián)式結(jié)構(gòu)設(shè)計
為提高加工中心機械主軸的傳動效率，取消傳統(tǒng)的皮帶傳動，在主軸末端采用聯(lián)軸器與驅(qū)動電動機軸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)，同時保證主軸松刀機構(gòu)的功能不變，松拉 刀利用加工中心機床打刀臂推動連接體通過連軸銷帶 動拉桿實現(xiàn)松拉刀，傳動更加平穩(wěn)，降低了機床的難度，空間更加緊湊，更具有經(jīng)濟性。
環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸，主要包括由轉(zhuǎn)軸、前蓋、殼體、連接體、拉桿和連軸銷等主要零部件，轉(zhuǎn)軸 設(shè)計為中空并安裝有拉桿，拉桿芯部設(shè)計有軸向氣道， 在轉(zhuǎn)軸上段設(shè)計有 U 形限位徑向通孔并安裝有徑向連軸銷，連軸銷設(shè)計為中空有氣道結(jié)構(gòu)，中部與拉桿配合， 兩端與連接體配合，連接體軸向設(shè)計為臺階結(jié)構(gòu)，在內(nèi) 部設(shè)計有氣道結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)軸末端設(shè)計有軸向臺階結(jié)構(gòu)， 配合安裝有聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的輸入端與電動機軸匹配 安裝聯(lián)接。在直聯(lián)結(jié)構(gòu)中，連接體的設(shè)計是關(guān)鍵，如圖
3 所示，連接體既要在打刀臂的作用下帶動拉桿進行打刀，還要通入空氣吹走主軸換刀時內(nèi)錐中的污物。
連軸銷氣道的進氣道一端與連接體氣道對接，中空出氣道與拉桿中部軸向氣道對接。連接體氣道的進 氣道一端與定位塊出氣道對接，出氣道一端與連軸銷進氣道對接。
加工中心機床啟動后，當電動機處于工作狀態(tài)時， 電動機軸轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸器輸出端直接驅(qū)動加工中心機械主軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，需要換刀時，電動機接到信號停止轉(zhuǎn)動; 同時，加工中心機械主軸也停止轉(zhuǎn)動，加工中心機床的打刀臂作用在機械主軸連接體臺階面，推動連接體軸向向下移動，同時連接體帶動連軸銷、拉桿和拉刀爪向下移動，拉刀爪進入轉(zhuǎn)軸空槽后漲開松開刀柄， 實現(xiàn)松刀過程，進行換刀，同時，高壓氣體通過定位塊的氣孔進入連接體氣道，經(jīng)連軸銷和拉桿氣道到達拉桿內(nèi)，在換刀時吹凈轉(zhuǎn)軸錐孔內(nèi)側(cè)壁灰塵。換刀完成后，加工中心機床打刀臂脫離與連接體的接觸，在碟簧的作用力下，拉桿帶動拉刀爪向上移動，拉緊刀柄。
2. 2 加工中心機械主軸環(huán)噴冷卻方式的設(shè)計
為提高加工中心機械主軸的冷卻效果，降低加工切削中心部位的溫升，設(shè)計一種具有環(huán)噴冷卻結(jié)構(gòu)的前蓋，如圖 5 所示，前蓋由前小蓋和襯圈組成，襯圈與前小蓋過盈熱下組合在一起，前小蓋與襯圈配合部分的外徑設(shè)計有環(huán)形冷卻水槽，在前蓋左端設(shè)計有軸向進水孔和徑向水道相通，并通到環(huán)形水槽，在前蓋的外 側(cè)端面設(shè)計有均布的出水孔，配合安裝有可旋轉(zhuǎn)噴射接頭。
在殼體的螺旋水槽的左端設(shè)計水道，與前蓋的進水孔連通。冷卻液體經(jīng)殼體螺旋水槽由殼體水道進入的環(huán)噴前蓋進水孔，到達環(huán)形水槽，然后經(jīng)環(huán)形水槽終由端面出水孔的旋轉(zhuǎn)噴射接頭噴射出。通過冷卻液環(huán)噴作用，冷卻液始終噴射在刀具和加工工件的切削部位，并不因加工工件部位的改變而降低冷卻效果，刀具切削工件產(chǎn)生熱量的散熱問題得到有效的解決，同時對加工刀具起到了潤滑作用，有效避免積屑瘤的產(chǎn)生，降低刀具的磨損，延長刀具的使用壽命，減少因切削熱變形導(dǎo)致加工精度超差和表面質(zhì)量降低的因素。
2. 3 加工中心機械主軸氣封結(jié)構(gòu)的設(shè)計
加工中心機械主軸必須進行密封設(shè)計，主軸在高速運轉(zhuǎn)的情況下，任何灰塵和冷卻殘液通過縫隙進入軸承內(nèi)部都會引起軸承振動或軸承燒傷，降低軸承壽命，甚至產(chǎn)生軸承咬死現(xiàn)象。
環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸在主軸采取迷宮密封結(jié)構(gòu)和氣密封結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式。迷宮結(jié)構(gòu)是主軸前后端設(shè)計有前、后密封墊兩個零件，如圖 1 所示，在前、后密封墊兩個零件內(nèi)部挖槽，使其形成迷宮結(jié)構(gòu)， 可防止冷卻殘液和灰塵進入軸承內(nèi)部。前蓋在設(shè)計環(huán)噴結(jié)構(gòu)的同時，設(shè)計有氣密封結(jié)構(gòu)，在前蓋左端設(shè)計有軸向進氣孔和徑向氣道相通，如圖 4 所示，在前蓋通入潔凈的壓縮空氣使其在主軸的徑向表面形成氣環(huán)，同時主軸的徑向表面設(shè)計有多道環(huán)形的密封槽，有效地將進入主軸縫隙的冷卻殘液和灰塵吹出，這兩種密封方式的有效結(jié)合可防止灰塵和冷卻殘液進入軸承內(nèi)部，大大提高了加工中心機械主軸的可靠性。
3 初步試驗
按照國家有關(guān)標準，對環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸進行性能檢測，包括靜態(tài)幾何精度檢測和動態(tài)綜合性能檢測，經(jīng)檢測，各項技術(shù)指標均符合國家標準， 主軸高速跑合達到穩(wěn)定溫度時，溫升不大于 20 ℃ ，噪
音不大于 78 dB，振動值不大于 1. 0 mm / s。在加工中心安裝試用，傳動效率和冷卻效果達到中心機械主軸設(shè)計要求并滿足機床的使用要求，刀具切削溫升也大幅降低，加工效率也大幅提高。
4 結(jié)語
本文所設(shè)計的新型加工中心機械主軸主要特征在于: 主軸采用聯(lián)軸器替代皮帶傳動，優(yōu)化了驅(qū)動方式，傳動平穩(wěn)，傳動功率大幅提高，在主軸前端采用環(huán)噴和氣 密封一體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，既降低工件與刀具的溫升，提高 加工精度，延長刀具的使用壽命，又防止加工過程中灰 塵和冷卻殘液進入軸承內(nèi)部，提高主軸的可靠性。加工中心設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，更加具有經(jīng)濟性。
上一個：加工中心主軸箱力學性能分析
返 回