數控機床中主軸變速箱的設計

鄭鵬飛

（寧波大紅鷹學院，寧波 315175）

0 引言

機械行業是運用數控機床最多的，很多企業為了提高自己的生產效率，常常會對機床內部結構進行多方面的改造。機床性能改造主要是從主軸變速箱開始，因為主軸速度的把握常常會影響到整個機床的運行速度。而速度快慢的控制則會直接影響機床加工切削的精度，這對于整個工件加工是很重要的。

1 主軸變速箱主軸結構設計

主軸是整個變速箱中十分重要的結構，其是連接大小齒輪的中心。因此，主軸結構設計的好壞將直接影響到變速箱的變速效果，在設計前我們必須要把握好主軸的具體性能構造，主軸組件是機床實現旋轉運動的執行件，是機床上的一個關鍵組件。而根據數控機床的形式，主軸的作用也大不相同。如：在常規數控機床的主軸為X軸、Y軸，但若是立式或臥式加工中心，則共有X軸、Y軸、Z軸等三種。在主軸箱設計時需要對主軸的相關參數進行控制把握，通常對機床主軸組件的基本要求主要有以下幾個方面：

1）旋轉精度。旋轉精度不僅影響了數控機床的操作，也會影響到最后零件的精度高低。主軸組件的旋轉精度是指機床在空載低速旋轉時，在主軸前端等部位上用千分表測得的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動的大小。當主軸以工作轉速旋轉時，由于潤滑油膜的產生和不平衡力的擾動，其旋轉精度將有所變化。對于精度較高的機床，除了靜態測定外，往往還要求側出受載情況下的動態旋轉精度。

2）剛度。剛度強弱決定了變速主軸箱的承載能力，也會對齒輪磨損程度帶來影響。主軸組件的剛度是指在外加載荷下地抗變型的能力，主軸的彎曲剛度定義為主軸前端產生單位位移，在唯一方向測量出所需施加的力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數量、預緊和配置方式，前后支承的距離和主軸前端的懸伸量，傳動的布置形式，主軸組件的制造和裝配質量等。

3）抗震性。抗震性能多數是為了避免機床主軸抖動，以免損壞工件精度，保證加工正常運行。主軸組件的抗震性是指機床進行切削加工時起抵抗震動保持平衡穩定運動的能力。主軸組件在工作中發生振動的大小，是以在同樣力的作用下主軸端部測得的最大振幅來衡量的，振幅越小，表示主軸組件的旋轉越平穩，抗震性越好。目前生產上大多以加工表面的質量和生產率來衡量主軸的抗震性。

4）溫升和熱變形。主軸組件的熱變形是指機床工作時因各相對運動處的摩擦等損耗而發熱造成的溫差，使主軸組件在形狀和位置上產生的畸變。熱變形也可用溫升近似的表達。溫升使潤滑油的粘度下降。溫升產生熱變形，使主軸伸長，軸承間隙變化。主軸箱的熱膨脹使主軸偏離正確的位置。

5）耐磨性。主軸組件的耐磨性是指長期的保持其原始制造精度的能力，耐磨性越好則精度保持的時間越長，產品的加工精度越高，且表面加工的光潔度較好。為此，主軸組件的各滑動表面，包括主軸和軸承的配合表面等都要具有一定硬度。主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期的保持精度。

2 主軸重點參數的選擇

把握好主軸的參數對于其性能發揮有著重要的影響，設計過程中我們需把握好相關的參數指標，這樣才能維持好正常的工作狀態。根據現代工業生產中對數控機床的要求情況看，其需要把握的重點參數包括以下幾點，詳細的設計方法如下：

1）主軸轉速及平均直徑D的確定

（1）主軸轉速的確定：由于采用電機直聯主軸所以主軸的速度與電機的速度相同。n=40-80000r/min。

（2）平均直徑的確定：主軸平均直徑對主軸部件剛度影響較大。加大直徑D可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。

2）主軸端部結構

主軸端上有四個螺孔和兩個長槽，以便固定和帶動刀具。主軸也是空心的，前端是錐度為7:24的內孔，供插入銑刀尾部的錐柄或刀桿尾錐時定位用，再由拉桿從主軸后端拉緊，防止切削時銑刀和主軸之間有相對松動。

3）主軸的懸伸量a的確定

主軸懸伸量a是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點（一般即為前徑向支撐中點）的距離。它主要取決于主軸端部結構形式和尺寸，前支撐的軸承配置等。懸伸量a值對主軸部件的剛度影響很大，因此確定懸伸量a的原則是在滿足結構要求的前提下，盡可能取小值。

4）主軸支承跨距L的確定

支承跨距L是指主軸相鄰兩支承的支承反力作用之間的距離。在本設計中即為前后兩軸承之間距離。查文獻符合本設計銑床的最佳跨距公式如（1）所示：

式中：E ——為彈性模量（kgf/mm2）

鋼為： 2×106kgf / mm2

C1——主軸前支承的支承剛度（kgf/mm）

C2——主軸后支承的支承剛度（kgf/mm）

C1=93×

I1——主軸跨距部分的慣性距（mm4）

D1——主軸跨距部分的平均直徑

d1——主軸跨距部分的平均孔徑

由公式(2)計算得：L=680mm

根據彎曲剛度公式：

L/a〈4.5；

計算符合要求。

3 Z軸傳動結構設計

Z軸的傳動零部件包括：電機、滾珠絲杠、直線滾動導軌、聯軸器、支撐座、工作臺、定位結構等。Z軸的傳動作用是把電機的轉動轉變成為工作臺的移動。從而實現十字形工作臺上下移動，并且在需要位置定位。

1）伺服電機的要求。對于一般的數控機床而言要求驅動系統在0-24m/min的進給速度下都能工作足夠，現在的伺服電機也相應的提出了要具有高精度、快反應、寬調速和大轉矩等特點。具體的要求如下：電機從最低進給速度到最高進給速度的范圍內都能平滑地運轉；轉矩波動要小，要有低速平穩和低速無爬行的現象。電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。為了滿足快速響應的要求，即隨控制信號的變化，電機能在較短的時間內完成必須的動作。

2）交流伺服電機與直流伺服電機的比較：直流電機具有良好的調速特性，為一般交流電機所不及。因此在對電機的調速性能和起動性能要求較高的生產機械上，以往大多采用直流電機驅動，而不估計其昂貴的價格和結構復雜。直流電機也存在著固有的缺點：電刷和換向器易磨損，需要經常維護；換向器換向時會產生火花，電機的最高轉速受到限制；直流電機結構復雜，制造困難。交流電機沒有以上缺點，轉子慣量較直流電機小，所以動態響應性能好。交流電機的容量比直流電機的容量的，可以達到更高的轉速。

4 變速箱內部滾珠絲杠及相關零部件的設計

滾珠絲杠在機床內部主要是對線性運動方向的改變，其內部結構是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件。在具體運用過程中，滾珠絲杠的主要作用是把旋轉運動改造成直線運動或將直線運動轉變為旋轉運動，它是傳統滑動絲杠的進一步延伸發展。

1）滾珠絲杠的選擇計算

已知：機床工作臺最大行程為：Lx=550mm。工作臺最高移動速度為Vmax=5 m/min，壽命為20000小時（兩班工作制10年），電機直聯絲杠。最高轉速為n=1561 r/min。

滾珠絲杠為標準件，根據已知條件：工作載荷F(N)或平均工作載荷Fm(N)，使用壽命(h)，絲杠的工作長度(或螺母的有效行程) L(m)，絲杠的轉速n （平均轉速nm或最大轉速nmax) (r/min)等來計算絲杠額定動載荷，以選用絲杠型號。

（1）由公式計算額定動載荷

式中： nm——絲杠副的平均轉速（r/min）；

L'h——運轉壽命（h）；

Fc——計算載荷（N）。

（2）由公式絲杠副的計算載荷Fc(N)

式中： KF——載荷系數，可取 1.35；

KH——硬度系數，可選取1；

KA——精度系數，可選取1；

Fm——平均工作載荷

運動機構工作臺的重量大約為900kg，

由公式得：

Fc=1695.6N

2）直線導軌

目前，我國機械行業技術發展得到了提高，對于各種不同的直線導軌性能也給予了較高的要求。隨著用戶對高精度、高速度、節能以及使用壽命的等方面的要求，滾動直線導軌副的研究應用急劇加快。現代工業生產中，滾動直線導軌機構在各種種切削組合機床、數控機床、高精度電火花切割機、磨床、工業用機器人乃至一般產業中廣泛使用，其效果得到了產業界很高的評價。

3）摩擦力的計算

摩擦力受導軌副的結構形式、潤滑劑的粘度、所受的載荷以及運動速度的影響而變化，預緊后，摩擦阻力將會有所增大。摩擦力F可按下列公式計算：

u=0.003－0.005

P——法向載荷（N）

f——密封阻力（N）

4）軸承座的設計

機械行業中使用導的軸承座結構形式多樣，但其大致的幾根軸是一致的。此次研究中，筆者以X軸為例子來說明軸承座的設計過程，這樣可以從多個方面進行設計描述。軸承座的孔徑的基本尺寸45mm已經確定。再根據機械設計手冊上軸承蓋的外徑尺寸82mm和壁厚12mm，設計出總高度140mm和固定螺栓的尺寸25mm。軸承前座與軸承后座作用有兩個。一：對絲杠起支撐作用。二：對絲杠螺母副產生的軸向力和徑向力卸載。在設計方案結束后，通過計算機技術與相關軟件實施三維建模，以檢驗機床主軸箱變速性能的好壞。在建模過程中，可通過模擬運行來檢查整個機床結構的性能高低，從而加快機床性能的使用情況。經過性能檢測，此次設計在使用性能，操作指標上都達到了理想要求，可投入使用。

5 結論

科學技術的發展使得人們開始關注于機床內部結構的改進，這對于整個數控行業的發展都有著很大的幫助。主軸變速箱是整個機床運行的核心，在設計過程中應該把握好主軸的整體結構部件，對每個結構進行嚴格計算，把握好參數指標，這樣才能提高整個機床的運行效率。

[1] 凡仁建.當前數控機床改造的最新技術研究[M].機械工業出版社,2009,19(10):178-180.

[2] 周德海.數控機床中主軸變速箱各參數性能的設計[J].數控機床設計基礎,2009,30(10):44-47.

[3] 常田玉.金屬切削機床的設計與計算[J].東南大學學報,2008,20(10):66-68.

[4] 張文雪.金屬切屑機床中主軸變速箱的設計[M].上海科學技術出版社,2002,18(6):351-353.

[5] 宋明劍.高速滾珠絲杠副綜合性能試驗臺的研制開發[J].工業制造技術改進,2008,30(12):79-81.

[5] 許少民.我國機械行業中數控機床主軸變速箱的設計[J].機床改造技術,2009,18(11):155-157.