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摘要：随着制造业不断优化升级，加工中心等数控机床产业近年来发展迅猛，各种复合机床、多轴机床等新型设备不断涌现。装备制造业的基础在于机床，而加工中心机床集高精度与高效率于一体，同时是产品质量的保证。相关工作人员要充分了解目前加工中心机械主轴传动和冷却方式存在的技术问题，进行有针对性的结构优化和创新设计，保证机械装置转动平稳。并且要进行科学高效的养护工作，从而提高主轴结构的可靠性。本文主要围绕加工中心机械主轴的理论概述进行分析，探讨机械主轴结构的创新设计方式，从而为相关工作者提供一定的理论与实践参考。

关键词：加工中心  机械  主轴  结构设计

引言：

国际上从上世纪 90 年代后期，将机床主轴作为机床的关键功能部件逐步由机床主机厂分立出来，目前国内90%以上中高端主轴产品是中国台湾及其他国外产品。加工中心机床主轴分为电主轴和机械主轴，电主轴是将电动机内置于主轴单元的高新技术产品，将变频电动机和机床主轴合二为一，实现了机床的零传动，尤其在磨床上和雕铣机床上得到了广泛的应用。对比电主轴与机械主轴，电主轴存在制作成本高，润滑冷却装置复杂，需要控制系统等外围设备，维护和维修成本高，而机械主轴具有结构简单成本低，使用配置简单，维护和维修成本低，机械主轴得到大量应用。加工中心机械主轴的高速切削，因切削摩擦而产生大量的切削热是影响加工中心机床加工精度和表面质量的主要因素，同时，摩擦热产生导致切削温度的升高，从而加剧了刀具的磨损，缩短刀具的使用寿命。

1、加工中心机械主轴结构现状

一般加工中心机械主轴结构主轴内部设计有松拉刀机构，（见图1），外部设置有同步带轮传动机构，传动方式多是皮带传动，即采用普通电动机驱动，通过电动机带轮转动皮带驱动加工中心主轴同步转动，松拉刀机构采用气缸推动拉杆的方式。这种加工中心机械主轴的传动方式存在较多的缺点，如传动不平稳，皮带的振动会影响加工中心机械主轴的正常运转，影响主轴的加工精度，噪音大，低速重切削时易出现皮带跳脱打滑问题。另外多级传动机构造成加工中心机床结构庞大复杂，占用空间大。

图1 一般加工中心机械主轴结构示意图

现有加工中心机械主轴的冷却一般解决主轴的自身温升，大都采用壳体设计有螺旋冷却水槽结构，通过循环冷却水降低主轴高速旋转产生的温升。对加工工件铣削部位和刀具产生的热量，一般通过加工中心机床自带的冷却管喷射冷却液进行冷却，存在冷却液的喷射方向单一，在改变加工工件部位和更换不同刀具等工况发生变化时，冷却液的喷射却不会及时自行调整喷射角度和高低等，对正在加工铣削中心部位的冷却效果大大降低，因切削高温加剧刀具磨损，缩短使用寿命，进一步造成工件加工精度的超差。

2、机械主轴结构的理论概述

2.1机械主轴的结构特点

加工中心的机械主轴内部设有松拉刀结构，外部配备有同步带转轮传动机构。通常情况下，传动方式以皮带传输为主，采用普通电机进行驱动，相关技术人员要根据加工中心主轴同步转动速率，对皮带装置进行调试，从而适应气缸推动拉杆的方式，保证主轴各部分稳定运作。传统的机械主轴传动方式存在诸多问题，例如在转动过程中皮带稳定性较差，振动会影响主轴的正常运作，并且会产生较大的噪声，导致加工零件存在质量缺陷。

2.2主轴结构及配件功能分析

（1）传动方式：常见的机械主轴单元通常有直联式、传动齿轮式、传动皮带式传动三种。其中，直联式传动是将主轴系统与电机进行连接，该连接方式传输效率较高，噪声相比较小。但是对主轴结构部分的制造精度要求较高，如果联轴器矫正不当，会导致温度急剧上升，并出现主轴烧坏的风险。齿轮传动应用范围较广，效率较高，但是制作成本同样较高，通常应用在普通车床低速加工中。皮带传动可以实现不同传动比的升速、降速，能够结合产品加工需求增加主轴的扭矩，并且皮带传动可以在一定程度上消除电机振动频率，安装流程较为简单。

（2）电机：主轴系统在运作过程中，电机需要保持长时间的运作状态，并且需要根据产品加工需求调整加速度，因此主轴电机需要具备较强的抗干扰能力，转速波动较小。在电机启动时，要能够适应主轴结构的传动强度。通常情况下，采用三相异物电机进行系统的配置，最高线速度不能低于 100m/s。设计人员要根据电机带传输动能大小对主轴额定转速进行设计，要满足高速加工产品的需求。轴承安装需要预紧，来提高旋转精度和主轴刚度。轻微的轴承预紧可以使产品表面质量得到提升。预紧通常用于两个轴承的配合安装，预紧力越大越容易导致轴承发热。技术人员要精确测量不同轴承的轴向力，根据产品加工需求，调整预紧力大小。主轴承润滑主要有油润滑和脂润滑两种，其中油润滑所需设备复杂，成本较高，并且具有一定的污染性；脂润滑对设备要求相对较低，可靠性较强，成本较低。主轴轴承跨距需要根据系统前后两组轴承支撑点的作用距离而确定，技术人员要精确计算主轴截面的平均惯性矩，考虑产品加工过程中两个砂轮布置的最低距离要求，预留出砂轮座等附件尺寸。

3、机械主轴结构优化设计要点分析

3.1明确各传动部分指物理标及参数

技术人员在进行主轴结构部分优化设计时，要精准计算主轴高速传动状态下各部件的参数，要避免主轴系统在工作中产生较大的形变。根据轴承及其他零部件在非工作状态下的连接结构进行仿真阶段的模型设计，尽可能节省设计成本，提升传动效率。静态特性是指在进入负荷状态下主轴抗形变的能力，动态特性是指在受到应激力和迫振动时产生的抗形变能力。技术人员要尽可能降低主轴结构的激振幅度，提高系统的加工精度和使用寿命。

在主轴刚度分析时，技术人员可以利用 Solid Works 进行模型的搭建，输入各零部件的材料参数和运动指标，设置约束条件，精确计算主轴静态负荷下的变形状况。技术人员要利用主轴单元刚度计算公式，精确计算主轴悬挂量和轴承跨距值。结合主轴系统结构，对悬挂量的初始值进行设定。每 1mm 作为一个跨距增量，逐步计算最大承受力。主轴系统的动力学特性是影响整体设计优劣的重要指标，因此技术人员要对主轴结构部分进行模态分析、谐响应分析、瞬时动态分析，判断主轴单元固有的频率和抗形变力是否满足实际的工作需求。

3.2主轴热特性分析

机械主轴在高速运行过程中会受到外部热源和内部热源两部分的影响，产生一定程度的热变形，进而影响产品加工精度。设计人员要了解切割热机械发热等各参数的变化范围，对外部系统环境进行调整。同时要充分了解阳光、照明设备和人为操作流程等因素，尽可能降低热源大小。在进行热传导分析时，要在主轴各部件表面流体静止时，对热量传导进行计算。在系统中输入对流换热系数、物体表面温度、流体温度，从而得出精确的传热数值。在对主轴传热性能进行分析时，要了解主轴轴承和皮带轮处的摩擦热量，一般采用摩擦力矩作为轴承升温的计算指标，对轴承转速、轴承节圆直径、润滑剂运动黏度等参数进行输入，计算得出轴承摩擦力矩的实际负荷。技术人员要考虑主轴受力情形，对四个轴承轴向力进行平均分配，将前后两组轴承简化为两个支点进行分别计算。由于荷载摩擦力矩在受转速的影响程度较大，因此要测量砂轮盘支架距离、主轴轴承跨距、电机额定转矩、后端悬挂量等数值，从而了解热量的区间。主轴内部的传热模型是三维的，因此在建模分析时，技术人员需要对环境温度轴承外圈温度、轴承滚动体温度、润滑脂温度、轴承内圈温度进行测量，根据轴承内外圈热传导热阻，分别进行计算[1]。

4、加工中心主轴结构创新设计

4.1 直联式结构设计分析

为提高加工中心机械主轴的传动效率，取消传统的皮带传动，在主轴末端采用联轴器与驱动电动机轴联接的结构，同时保证主轴松刀机构的功能不变，松拉刀利用加工中心机床打刀臂推动连接体通过连轴销带动拉杆实现松拉刀，传动更加平稳，降低了机床的难度，空间更加紧凑，更具有经济性。环喷直联式加工中心机械主轴，主要包括由转轴、前盖、壳体、连接体、拉杆和连轴销等主要零部件，转轴设计为中空并安装有拉杆，拉杆芯部设计有轴向气道，在转轴上段设计有 U 形限位径向通孔并安装有径向连轴销，连轴销设计为中空有气道结构，中部与拉杆配合，两端与连接体配合，连接体轴向设计为台阶结构，在内部设计有气道结构，在转轴末端设计有轴向台阶结构，配合安装有联轴器，联轴器的输入端与电动机轴匹配安装联接。在直联结构中，连接体的设计是关键，连接体既要在打刀臂的作用下带动拉杆进行打刀，还要通入空气吹走主轴换刀时内锥中的污物[2]。加工中心机床启动后，当电动机处于工作状态时，电动机轴转动，通过联轴器输出端直接驱动加工中心机械主轴转轴转动，需要换刀时，电动机接到信号停止转动; 同时，加工中心机械主轴也停止转动，加工中心机床的打刀臂作用在机械主轴连接体台阶面，推动连接体轴向向下移动，同时连接体带动连轴销、拉杆和拉刀爪向下移动，拉刀爪进入转轴空槽后涨开松开刀柄，实现松刀过程，进行换刀，同时，高压气体通过定位块的气孔进入连接体气道，经连轴销和拉杆气道到达拉杆内，在换刀时吹净转轴锥孔内侧壁灰尘。换刀完成后，加工中心机床打刀臂脱离与连接体的接触，在碟簧的作用力下，拉杆带动拉刀爪向上移动，拉紧刀柄。

4.2 环喷冷却方式的设计分析

为了克服传统加工中心主轴冷却方式存在的弊端，技术人员要重点对切削部位进行温度控制。要引入更加科学的降温部件，可以采用具有喷冷结构的前盖，箱盖主要有衬圈和小孔等部分组成，衬圈中的水流经过环形冷却水槽形成闭环，保证外侧端面被水流所覆盖，从而完成主轴部分的降温处理。技术人员要在壳体的螺旋水槽左端设置环水槽，并与前盖的进水口进行连接。在运行过程中，水槽由壳体水道进入，经过环水槽最终由旋转喷射头喷出，冷却液精准喷射在刀具的切削部位，进而达到快速降温的目的。主轴部分在运行过程中，刀具会产生大量热量，为了提升刀具部件的使用寿命，要对刀具进行润滑，减少因切削热变形而引发的刀具破损问题[3]。

4.3加工中心机械主轴气封结构的设计

加工中心机械主轴必须进行密封设计，主轴在高速运转的情况下，任何灰尘和冷却残液通过缝隙进入轴承内部都会引起轴承振动或轴承烧伤，降低轴承寿命，甚至产生轴承咬死现象。环喷直联式加工中心机械主轴在主轴采取迷宫密封结构和气密封结构相结合的方式。迷宫结构是主轴前后端设计有前、后密封垫两个零件，在前、后密封垫两个零件内部挖槽，使其形成迷宫结构，可防止冷却残液和灰尘进入轴承内部。前盖在设计环喷结构的同时，设计有气密封结构，在前盖左端设计有轴向进气孔和径向气道相通，在前盖通入洁净的压缩空气使其在主轴的径向表面形成气环，同时主轴的径向表面设计有多道环形的密封槽，有效地将进入主轴缝隙的冷却残液和灰尘吹出，这两种密封方式的有效结合可防止灰尘和冷却残液进入轴承内部，大大提高了加工中心机械主轴的可靠性[4]。

4.4密封结构设计分析

机械主轴部分必须进行密封处理，要避免在高速运行过程中杂质、异物的进入，否则会降低轴承的寿命，甚至出现生产事故。技术人员可以采取迷宫密封结构和气密封结构结合的方式。在主轴前后端设有两个不同的密封垫，密封垫内部设有迷宫结构的挖槽，可以有效防止冷却液和灰尘的进入。在设计环密封装置时，要预留相应的空间，使轴向进气孔与气道进行连接，从而保证压缩空气能够通过气道排出，有效清除其中的灰尘。两种密封方式的结合，可以大大提升加工中心轴承运作的稳定程度，保证相关配件的使用寿命。

4.5改善高速主轴的特性的方式分析

在温度快速上升时，主轴会产生轴向线性延展，因此技术人员要重点对主轴结构进行温度控制。可以将机械主轴单元从驱动电机到传动部件长度进行缩减，减少热源数目，降低电机发热量。同时，技术人员可以采取合适的冷却方式，对主轴部分进行降温处理。油气润滑比油雾润滑降温效果更显著，技术人员可以在主轴箱内通入大量压缩气体，快速带走电机高速运动时产生热量。在对热变形进行补偿时，技术人员要充分了解机械主轴伺服结构补偿运动的参数，要设置温度传感器，对各典型区域进行温度和工况测量，借助外部热源冷却装置，形成内部的温度保持场，从而降低行变量[5]。

4.6注重产品精度的提升

我国大多数工业企业在进行产品加工制造时，会受到机床内部结构影响，导致零部件质量下降，因此技术人员在进行机械主轴结构优化时，要定期进行检查和维修，及时发现主轴结构中存在的隐患，有效提高加工中心的生产精度，避免零部件出现损坏变形等问题。零部件在和主轴接触时，形状变化跟机床表面粗糙程度有直接关系，技术人员要对主轴径向力、高度进行计算，对各连接部分进行精确调整。要重点对传动部分轴承部分、密封部分进行测量，了解是否能够稳定完成传动工作。零部件对主轴承施加力的范围和速度较大，因此主轴各部件需要具备较高的配合程度，技术人员要确保刀具、夹具能够正常运行，对主轴前段的悬臂设计成较短的尺寸，并通过扩展点来增加前段部分的控制距离，有效避免出现变形故障。

5、结束语

综上所述，相关技术人员要对机械主轴结构和主轴结构的设计要点足够了解，要了解机械结构的传动机制，对轴承和各连接部件进行精准的热传导分析，要定期进行零部件养护，引入更加科学的传动计算方式，调整各部分的连接角度和尺寸，降低工件与刀具的温升，提高加工精度，延长刀具的使用寿命，又防止加工过程中灰尘和冷却残液进入轴承内部，提高主轴的可靠性，保障主轴结构能够长期稳定的运行，提高工业产品的生产质量。

参考文献：

[1]席志远，邱自学，崔德友，等.龙门加工中心定转子驱动机械主轴结构设计[J].机械设计与制造， 2023（5）：54-58.

[2]张运真，吴阳，赵亚东，等.永磁动静压电主轴的结构设计及可靠性分析[J].机械设计与制造， 2022（8）：5.

[3]牧振伟，贵辛未，夏庆成，等.基于CFD的主轴密封泵板装置结构优化设计[J].排灌机械工程学报， 2021， 39（1）：7.

[4]王锐.卧式加工中心主轴箱悬伸结构静力学与模态分析[J].机械制造， 2022， 60（9）：50-53.

[5]高超，张艳微.关于数控机床高速电主轴结构设计及性能探讨[J].中国科技期刊数据库 工业A， 2022（7）：4.