加工中心機(jī)械主軸結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2021-04-06 20:00:17點(diǎn)擊率：

裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)在于機(jī)床，而加工中心機(jī)床集高精度與高效率于一體，同時(shí)是產(chǎn)品質(zhì)量的保證。國(guó)際上從上世紀(jì) 90 年代后期，將機(jī)床主軸作為機(jī)床的關(guān)鍵功能部件逐步由機(jī)床主機(jī)廠分立出來(lái)，目前國(guó)內(nèi)

90%以上中主軸產(chǎn)品是中國(guó)臺(tái)灣及其他國(guó)外產(chǎn)品。加工中心機(jī)床主軸分為電主軸和機(jī)械主軸，電主軸是將電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于主軸單元的高新技術(shù)產(chǎn)品，將變頻電動(dòng)機(jī)和機(jī)床主軸合二為一，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的零傳動(dòng)，尤其在磨床上和雕銑機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)比電主軸與機(jī)械主軸，電主軸存在制作成本高，潤(rùn)滑冷卻裝置復(fù)雜，需要控制系統(tǒng)等外圍設(shè)備，維護(hù)和維修成本高，而機(jī)械主軸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，使用配置簡(jiǎn)單，維護(hù)和維修成本低，機(jī)械主軸得到大量應(yīng)用。

加工中心機(jī)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(jī)床加工精度和表面質(zhì)量的主要因素，同時(shí)，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(jī)械主軸簡(jiǎn)介

一般的加工中心機(jī)械主軸結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示，主軸內(nèi)部設(shè)計(jì)有松拉刀機(jī)構(gòu)，外部設(shè)置有同步帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)方式多是皮帶傳動(dòng)，即采用普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶驅(qū)動(dòng)加工中心主軸同步轉(zhuǎn) 動(dòng)，松拉刀機(jī)構(gòu)采用氣缸推動(dòng)拉桿的方式。這種加工中心機(jī)械主軸的傳動(dòng)方式存在較多的缺點(diǎn)，如傳動(dòng)不平穩(wěn)，皮帶的振動(dòng)會(huì)影響加工中心機(jī)械主軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，影響主軸的加工精度，噪音大，低速重切削時(shí)易出現(xiàn)皮帶跳脫打滑問(wèn)題。另外多級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)造成加工中心機(jī)床結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，占用空間大。

現(xiàn)有加工中心機(jī)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(jì)有螺旋冷卻水槽結(jié)構(gòu)，通過(guò) 循環(huán)冷卻水降低主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溫升。對(duì)加工工件銑削部位和刀具產(chǎn)生的熱量，一般通過(guò)加工中心機(jī)床自帶的冷卻管噴射冷卻液進(jìn)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(shí)，冷卻液的噴射卻不會(huì)及時(shí)自行調(diào)整噴射角度和高低等，對(duì)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(jìn)一步造成工件加工精度的超差。

2 APHZ1230 加工中心機(jī)械主軸結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)械主軸主要分為齒輪傳動(dòng)式、皮帶傳動(dòng)式和直聯(lián)式 3 種傳動(dòng)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(dòng)方式符合。直聯(lián)式主軸是由聯(lián) 軸器直接將電動(dòng)機(jī)和主軸單元相聯(lián)，優(yōu)點(diǎn)是省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，傳輸功率損耗小，可實(shí)現(xiàn)高速，且噪音低于皮帶式主軸。

同時(shí)，為降低刀具與工件切削產(chǎn)生的熱量，延長(zhǎng)加工刀具的使用壽命，從主軸的傳動(dòng)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(jī)械主軸冷卻方式的發(fā)展，在原有加工中心機(jī)械主軸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種創(chuàng)新型的環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機(jī)械主軸，主要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)構(gòu)有三部分，如圖 2 所示。

2. 1 加工中心機(jī)械主軸直聯(lián)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高加工中心機(jī)械主軸的傳動(dòng)效率，取消傳統(tǒng)的皮帶傳動(dòng)，在主軸末端采用聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證主軸松刀機(jī)構(gòu)的功能不變，松拉刀利用加工中心機(jī)床打刀臂推動(dòng)連接體通過(guò)連軸銷帶動(dòng)拉桿實(shí)現(xiàn)松拉刀，傳動(dòng)更加平穩(wěn)，降低了機(jī)床的難度，空間更加緊湊，更具有經(jīng)濟(jì)性。

環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機(jī)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(jì)為中空并安裝有拉桿，拉桿芯部設(shè)計(jì)有軸向氣道，在轉(zhuǎn)軸上段設(shè)計(jì)有 U 形限位徑向通孔并安裝有徑向連軸銷，連軸銷設(shè)計(jì)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(jì)為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，在內(nèi) 部設(shè)計(jì)有氣道結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)軸末端設(shè)計(jì)有軸向臺(tái)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(dòng)機(jī)軸匹配安裝聯(lián)接。在直聯(lián)結(jié)構(gòu)中，連接體的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，如圖

3 所示，連接體既要在打刀臂的作用下帶動(dòng)拉桿進(jìn)行打刀，還要通入空氣吹走主軸換刀時(shí)內(nèi)錐中的污物。

連軸銷氣道的進(jìn)氣道一端與連接體氣道對(duì)接，中空出氣道與拉桿中部軸向氣道對(duì)接。連接體氣道的進(jìn) 氣道一端與定位塊出氣道對(duì)接，出氣道一端與連軸銷進(jìn)氣道對(duì)接。

加工中心機(jī)床啟動(dòng)后，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器輸出端直接驅(qū)動(dòng)加工中心機(jī)械主軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，需要換刀時(shí)，電動(dòng)機(jī)接到信號(hào)停止轉(zhuǎn)動(dòng); 同時(shí)，加工中心機(jī)械主軸也停止轉(zhuǎn)動(dòng)，加工中心機(jī)床的打刀臂作用在機(jī)械主軸連接體臺(tái)階面，推動(dòng)連接體軸向向下移動(dòng)，同時(shí)連接體帶動(dòng)連軸銷、拉桿和拉刀爪向下移動(dòng)，拉刀爪進(jìn)入轉(zhuǎn)軸空槽后漲開(kāi)松開(kāi)刀柄，實(shí)現(xiàn)松刀過(guò)程，進(jìn)行換刀，同時(shí)，高壓氣體通過(guò)定位塊的氣孔進(jìn)入連接體氣道，經(jīng)連軸銷和拉桿氣道到達(dá)拉桿內(nèi)，在換刀時(shí)吹凈轉(zhuǎn)軸錐孔內(nèi)側(cè)壁灰塵。換刀完成后，加工中心機(jī)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(dòng)拉刀爪向上移動(dòng)，拉緊刀柄。

2. 2 加工中心機(jī)械主軸環(huán)噴冷卻方式的設(shè)計(jì)

為提高加工中心機(jī)械主軸的冷卻效果，降低加工切削中心部位的溫升，設(shè)計(jì)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(guò)盈熱下組合在一起，前小蓋與襯圈配合部分的外徑設(shè)計(jì)有環(huán)形冷卻水槽，在前蓋左端設(shè)計(jì)有軸向進(jìn)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(jì)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(jì)水道，與前蓋的進(jìn)水孔連通。冷卻液體經(jīng)殼體螺旋水槽由殼體水道進(jìn)入的環(huán)噴前蓋進(jìn)水孔，到達(dá)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(guò)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(wèn)題得到有效的解決，同時(shí)對(duì)加工刀具起到了潤(rùn)滑作用，有效避免積屑瘤的產(chǎn)生，降低刀具的磨損，延長(zhǎng)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(jī)械主軸氣封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

加工中心機(jī)械主軸必須進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，任何灰塵和冷卻殘液通過(guò)縫隙進(jìn)入軸承內(nèi)部都會(huì)引起軸承振動(dòng)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(jī)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(jì)有前、后密封墊兩個(gè)零件，如圖 1 所示，在前、后密封墊兩個(gè)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(jìn)入軸承內(nèi)部。前蓋在設(shè)計(jì)環(huán)噴結(jié)構(gòu)的同時(shí)，設(shè)計(jì)有氣密封結(jié)構(gòu)，在前蓋左端設(shè)計(jì)有軸向進(jìn)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(shí)主軸的徑向表面設(shè)計(jì)有多道環(huán)形的密封槽，有效地將進(jìn)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(jìn)入軸承內(nèi)部，大大提高了加工中心機(jī)械主軸的可靠性。

3 初步試驗(yàn)

按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機(jī)械主軸進(jìn)行性能檢測(cè)，包括靜態(tài)幾何精度檢測(cè)和動(dòng)態(tài)綜合性能檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主軸高速跑合達(dá)到穩(wěn)定溫度時(shí)，溫升不大于 20 ℃ ，噪

音不大于 78 dB，振動(dòng)值不大于 1. 0 mm / s。在加工中心安裝試用，傳動(dòng)效率和冷卻效果達(dá)到中心機(jī)械主軸設(shè)計(jì)要求并滿足機(jī)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(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的新型加工中心機(jī)械主軸主要特征在于: 主軸采用聯(lián)軸器替代皮帶傳動(dòng)，優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)方式，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)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(jì)，既降低工件與刀具的溫升，提高加工精度，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，又防止加工過(guò)程中灰塵和冷卻殘液進(jìn)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(jì)性。

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