提高主軸整體質(zhì)量的設(shè)計(jì)方法研究及應(yīng)用*

王海濤 李初曄

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的各個(gè)組成部分提出了更高的性能指標(biāo)。主軸部件是機(jī)床的重要部件之一，一般由主軸、主軸軸承以及安裝在主軸上的傳動(dòng)零部件等組成，其動(dòng)力特性對(duì)整機(jī)的切削加工能力和加工精度有直接影響。

機(jī)床工作時(shí)，由主軸帶動(dòng)工件直接參與表面的成形運(yùn)動(dòng)，因此主軸部件的工作性能對(duì)加工質(zhì)量和機(jī)床生產(chǎn)率有著重要的影響。而主軸作為主軸部件最重要的核心件，其自身的設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造精度對(duì)整個(gè)主軸部件的運(yùn)行精度和平穩(wěn)性起著決定性的作用，最終影響被加工件的質(zhì)量。所以，設(shè)計(jì)制造之初，就應(yīng)對(duì)影響主軸精度的各種因素進(jìn)行充分考慮和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，最大限度地保證主軸的設(shè)計(jì)合理性和可加工性，以提高其裝配和使用精度，保證主軸的整體質(zhì)量。

1 影響因素的確定

無論什么類型的數(shù)控機(jī)床，機(jī)床主軸和一般的傳動(dòng)軸在使用中，都要傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，都要保證軸上傳動(dòng)件和軸承的正常工作，雖然有這樣的相似之處，但主軸又是直接帶動(dòng)工件或者刀具進(jìn)行切削加工的，所以主軸除了滿足一般傳動(dòng)軸的要求之外，還有特殊的更高的要求。為了保證主軸部件和軸系的整體精度，必須消除或降低影響主軸精度的主要因素的影響。

通過查閱相關(guān)資料，可以知道，影響主軸質(zhì)量的主要因素集中在主軸結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、靜剛度的設(shè)計(jì)驗(yàn)算、材料及熱處理和設(shè)計(jì)所提出的技術(shù)要求等幾個(gè)方面。其相互之間的關(guān)系如圖1所示。

另外，由于主軸硬度的變化對(duì)于主軸、主軸部件甚至于整臺(tái)機(jī)床的精度和壽命影響較大，因此，在材料選取和熱處理時(shí)，應(yīng)充分考慮主軸硬度的合理性。

2 方案實(shí)施

結(jié)合GST－115B型精密車床主軸的研發(fā)工作，針對(duì)以上幾個(gè)方面，在進(jìn)行主軸結(jié)構(gòu)和尺寸方案設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行分析論證。

2.1 主軸結(jié)構(gòu)確定

機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)形狀主要取決于主軸上安裝件的類型、數(shù)量、位置以及安裝方法，同時(shí)還要考慮主軸的加工和裝配工藝性。

主軸端部的結(jié)構(gòu)型式非常重要，特別是涉及到工裝的標(biāo)準(zhǔn)化和通用性，其他的部分的結(jié)構(gòu)不再贅述。

根據(jù)原來GST系列專用精密車床主軸的使用工況和結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)吸取了國外數(shù)控車床典型主軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先初步確定GST－115B型精密車床主軸的結(jié)構(gòu)方案。對(duì)于主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的細(xì)化，參照以下3點(diǎn):一是，在主軸前端面上預(yù)留動(dòng)平衡配重時(shí)所需要的螺紋孔，在ΦB和ΦC兩種不同直徑圓周上均布，如圖2所示，這樣大大提高了將來主軸動(dòng)平衡的可靠性和精確性;二是，為便于加工，在不影響主軸精度和剛性的前提下，將原來前后支承用雙列滾子軸承更換為組合式角接觸球軸承，相應(yīng)的支承錐面改為圓柱面;三是，當(dāng)今各種刀具的標(biāo)準(zhǔn)化程度越來越高，為了便于主軸上安裝各種國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)刀具或夾具，將該主軸前端形狀標(biāo)準(zhǔn)化，如刀具安裝采用標(biāo)準(zhǔn)莫氏錐度、卡盤安裝短圓錐統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等，使其通用性得到大幅度的提高，當(dāng)然這會(huì)涉及到工裝的逐步更新?lián)Q代，但從長遠(yuǎn)來說，有利于現(xiàn)代企業(yè)管理和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。而原來單一的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，往往在更換刀具和工裝時(shí)，還要加裝過渡結(jié)構(gòu)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，靈活性很差。

經(jīng)過對(duì)以上方案的分析研究，GST－115B型精密車床主軸的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。詳細(xì)尺寸還要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟的實(shí)施，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和驗(yàn)證，達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)書中所規(guī)定主軸的剛度和強(qiáng)度要求，并能滿足各項(xiàng)精度指標(biāo)后，才能最終確定。

2.2 主軸主要參數(shù)確定

①主軸前支承處軸頸ΦD1，該直徑對(duì)主軸部件剛度影響較大，根據(jù)GST－115B型精密車床主軸傳遞的功率P，參考設(shè)計(jì)任務(wù)書中該車床的最大加工直徑Dmax，通過支承軸承的速度因數(shù)dn的驗(yàn)算，確定出前支承處軸頸ΦD1經(jīng)計(jì)算ΦD1=105 mm。

②主軸內(nèi)孔直徑Φd的大小，是以減輕主軸重量為主要目的。根據(jù)三爪卡盤所需拉桿直徑，在滿足主軸整體剛度等基礎(chǔ)上進(jìn)行確定。另外，反復(fù)借助有限元軟件輔助分析優(yōu)化，此次設(shè)計(jì)比同類型車床主軸減重17%左右。

③主軸的懸伸長度L0，在設(shè)計(jì)時(shí)同樣可以借助有限元軟件分析計(jì)算，在綜合考慮保證主軸剛度和結(jié)構(gòu)條件的基礎(chǔ)上，使其盡量減小。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，該主軸懸伸量L0減小了近1/3，理論上端部的徑向偏移會(huì)減小50%左右。

④主軸的支承跨距L，通過前3個(gè)參數(shù)值，以及前、后軸承的剛度值K1、K2，計(jì)算可以得到支承跨距L=600 mm。

2.3 主軸的材料選擇及熱處理

一般軸類零件常用材料為45鋼，并根據(jù)需要進(jìn)行正火、退火、調(diào)質(zhì)、淬火等熱處理以獲得一定的強(qiáng)度、硬度、韌性和耐磨性。

GST－115B型精密車床的前后支承使用滾動(dòng)軸承，能承受中等載荷和一定的沖擊載荷，并適合轉(zhuǎn)速和精度較高的場合，根據(jù)這樣的使用工況和加工特點(diǎn)，確定該主軸材料為40Cr。

另外，需要特別指出的是，對(duì)于主軸必須達(dá)到合理的硬度要求，以確保主軸的精度和壽命。主軸部件的壽命主要指保持其應(yīng)具有的精度性能的使用期限，精度保持性越長，壽命越長。影響主軸部件精度性能的主要原因是磨損，磨損又與硬度有關(guān)，所以說主軸的材料硬度直接影響主軸部件的壽命。硬度對(duì)結(jié)構(gòu)件性能的影響，分為硬度對(duì)極限應(yīng)力的影響（強(qiáng)度方面）和硬度對(duì)剪切及彈性模量的影響（剛度方面）兩方面。主軸材料的硬度與屈服極限、抗拉極限、疲勞極限一樣，都屬于材料的機(jī)械和工藝性能，它們之間有一定的聯(lián)系。

為提高主軸壽命，我們?cè)诠こ虘?yīng)用上一般采用的方法是正確選擇主軸材料及熱處理，提高軸頸表面和定位面的硬度、表面粗糙度和幾何精度，以提高其耐磨性。

通過以上對(duì)主軸硬度重要性的闡述，結(jié)合該主軸的實(shí)際應(yīng)用情況，確定進(jìn)行高頻淬火處理，硬度值為52 HRC較為合理。

2.4 主軸靜剛度設(shè)計(jì)計(jì)算

主軸靜剛度是指在切削力作用下，主軸抵抗靜態(tài)變形的能力，是主軸剛度和支承剛度的綜合反映，其合理與否，是保證機(jī)床精度的先決條件之一。通過對(duì)主軸進(jìn)行模型簡化計(jì)算，可比較準(zhǔn)確掌握機(jī)床在理想加工條件下所能承受的最大載荷。該計(jì)算的結(jié)果，同樣可以與ANSYS軟件分析（如圖4所示）后計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證主軸靜剛度的準(zhǔn)確性。

根據(jù)有限元分析得到的變形量，結(jié)合受力載荷或扭矩，便可很容易地計(jì)算出主軸的剛度值。兩種結(jié)果的數(shù)值如表1所示。

表1 兩種計(jì)算結(jié)果比較

通過以上計(jì)算結(jié)果，可以看出，GST－115B型精密車床主軸的剛度值有了大幅度的提高，這為確保主軸部件的整體剛度奠定了基礎(chǔ)，可通過最后機(jī)床的精度檢測進(jìn)行驗(yàn)證。

2.5 主軸技術(shù)要求

主軸件的技術(shù)要求應(yīng)主要包含直徑精度、幾何形狀精度、相互位置精度和表面粗糙度幾方面。對(duì)軸類零件，可以從回轉(zhuǎn)精度、定位精度、工作噪聲這三個(gè)方面分析其技術(shù)要求。

在進(jìn)行精度確定時(shí)，特別注意前端錐孔、前端短圓錐和端面、軸承支承軸頸和鎖緊螺母（軸向緊固軸承）用螺紋的技術(shù)要求。前兩項(xiàng)形位公差的精度影響工裝和工件的定位，最終影響數(shù)控車床的裝配精度和加工精度;第三項(xiàng)支承軸頸的精度非常重要，它的精度將直接影響主軸裝配后的回轉(zhuǎn)精度;而最后一項(xiàng)螺紋的牙形要正，與螺母的配合間隙要盡量小，必須最終控制螺母端面的跳動(dòng)，使其在調(diào)整軸承間隙的微量移動(dòng)中，對(duì)軸承內(nèi)圈的壓力方向正。

3 驗(yàn)證分析

主軸設(shè)計(jì)經(jīng)過以上流程完成后，進(jìn)行數(shù)控車床主軸部件裝配和整機(jī)的裝配工作，待完成后，對(duì)主軸部件進(jìn)行相關(guān)精度的檢測，最終還需通過對(duì)加工工件的檢測，來驗(yàn)證該數(shù)控車床的加工精度。再將測量值和原來該系列車床的加工精度作比較，如表2所示。由此可以驗(yàn)證新型號(hào)機(jī)床的精度是否得到提高，也在很大程度上反映了主軸部件和主軸本身設(shè)計(jì)的合理與否。

表2 不同型號(hào)車床測量精度對(duì)比

通過表中精度值，可以知道:新開發(fā)的GST－115B型比原系列的GST－10A型數(shù)控車床，在機(jī)床幾何精度和加工上有了較大提高;同時(shí)也表明:主軸作為主軸部件的核心件，其設(shè)計(jì)剛度和結(jié)構(gòu)的提高和改進(jìn)，對(duì)主軸部件的精度和機(jī)床加工精度的提高有較大的影響。

4 結(jié)語

以GST－115B型精密車床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度為主要的衡量指標(biāo)，縱觀該機(jī)床主軸的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，可以得到以下幾點(diǎn)啟示，供大家在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)參考。

（1）關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)非常重要，其結(jié)構(gòu)和剛度等影響其所在部件的精度，以至于整機(jī)的加工精度。

（2）零件結(jié)構(gòu)和剛度等指標(biāo)的改進(jìn)或提高，符合所設(shè)計(jì)機(jī)床的加工精度或稍高即可，要有限度，充分考慮成本的影響因素。

（3）可以根據(jù)零部件的工況，使用有限元軟件輔助設(shè)計(jì)，施加相應(yīng)的載荷和約束，提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及重要指標(biāo)的分析數(shù)據(jù)，使人工和輔助設(shè)計(jì)互動(dòng)，提高研發(fā)效率和零件的可靠性，該過程已成為機(jī)械設(shè)計(jì)不可或缺的重要組成部分。

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