提高主轴整体质量的设计方法研究及应用
发布时间：2016-05-18徐菁1 杨勇2
（1.沈阳机床股份有限公司OEM事业部，辽宁沈阳 110142；2.沈阳机床股份有限公司中捷立式加工中心事业部，辽宁沈阳 110142）
【摘要】本文阐述了在现代机床当中影响主轴工作效率的因素有哪些，针对这些因素如何进行改进使主轴的整体工作效率提高上去，从而提升整个机床的工作效率，以达到提高工业企业经济效益的目的。
1、引言
现代科学技术在不断的发展，数控机床已经应用于各个工业企业当中而主轴组件是机床的Z重要组成部分，本文介绍了就目前普遍使用的主轴进行设计和研究，以达到其整体质量的提升。
2、主轴的基本结构
从现在的大多数工业企业所使用的机床来看，被普遍采用的机床主轴结构如图1所示。从图我们可以看出，主轴是支承在双列圆柱滚子轴承和球轴承上的，三个压块紧锁螺母来实现整个轴承的定位。主轴双列圆柱滚子轴承同主轴之间的配合对轴承的工作的精度影响是Z直接的，对两者的配合接触面积要求不能小于百分之七十五，螺母和调整垫的端面对主轴轴线的跳动也会产生很大的影响。
现代科学技术在不断的发展，数控机床已经应用于各个工业企业当中而主轴组件是机床的Z重要组成部分，本文介绍了就目前普遍使用的主轴进行设计和研究，以达到其整体质量的提升。
2、主轴的基本结构
从现在的大多数工业企业所使用的机床来看，被普遍采用的机床主轴结构如图1所示。从图我们可以看出，主轴是支承在双列圆柱滚子轴承和球轴承上的，三个压块紧锁螺母来实现整个轴承的定位。主轴双列圆柱滚子轴承同主轴之间的配合对轴承的工作的精度影响是Z直接的，对两者的配合接触面积要求不能小于百分之七十五，螺母和调整垫的端面对主轴轴线的跳动也会产生很大的影响。
3、影响主轴整体质量的因素
在数控机床当中无论哪一种类型的机床，其主轴同传动轴在使用的过程中，都是要进行运动和扭矩的传递来确保轴上的传动件以及轴承可以正常运作，二者的工作看起来很相似，但还是有区别的，主轴要直接去带动所要加工的工件或者刀具加工，因此主轴不仅仅具有一般传动轴的功能，还有更多的功能。所以为了使整个主轴部件的整体精度可以得到保证，就必须要找出影响主轴质量的主要因素，消除各个因素当中不良的影响，只有这样主轴的整体质量才能不断的提升，查阅相关的资料可以知道，影响主轴质量的主要因素主要有以下的几个方面，分别是主轴的结构、主轴的主要参数、静刚度的设计验算、主轴材料及热处理和技术要求。在这里需要特别说明的是主轴的硬度是直接影响主轴、主轴部件的精度和寿命的一个重要原因，同时也会影响机床的加工精度和使用寿命。所以说，在进行选取材料和热处理时的过程中，要将主轴硬度的合理性应考虑进去。
4、主轴改进方法实施
4.1确定主轴结构
主轴在组件上所安装的数量、类型、位置、安装方法、主轴的加工和装配工艺性等几个因素共同决定了主轴结构的形状。对于主轴来说其端部的结构型式是特别重要的，尤其其中涉及标准及通用性那部分，其他部分又有篇幅有限，在这里就不再逐一介绍了。主轴的优化是主要依据是我们原有的某个精密机床的主轴，我们对它的实际状况进行了了解，同时对其尺寸结构做了详细的记录，参考了国外先进机床的主轴结构特点，初步确定我们机床主轴质量改进方案。之后对质量改进方案做了细化，在这里主要可以归纳为以下的三点：，将螺纹孔预留在主轴的端面上，这点是在进行动平衡配重时所必须的，螺纹孔在两个不同的端面上均匀分布，这样做的目的是可以很大程度提高主轴啊动平衡方面的精确性以及可靠性；第二，为了方便日后机床的加工，用组合式角接触球轴承这样的方式来替代原始的双列滚子轴承，用圆柱面来替代原来的支承锥面，当然这些改动的一个前提是不影响主轴的刚性和精度；第三，随着生产技术的提高，各种刀具的标准化程度越来越高，想要在主轴上安上不同的标准刀具，那么主轴的前端就要实行标准化，这样不仅可以提高其通用性，同时降低其成本，不必去另外制作刀具，虽然在未来可能会有更新换代的情况，但从未来企业发展的角度来讲，这更有利于现代企业标准化建设工作。相比未进行改造之前相比，灵活性提升了很多。
4.2主轴的材料选择及热处理
通常轴类零件所使用的材料为45钢，同时要根据实际的需求来进行正火、退火、调质、淬火等热处理使得钢材料具有一定的强度、硬度、韧性和耐磨性，以适应轴类零件的需求。我们说研究的主轴的后支承说使用的滚动轴承，可以承受中等载荷和一定的冲击载荷，同时刻印用在转速和精度相对较高的生产企业，在这样的加工特点来看，确定40铬为该主轴材料。为了提高主轴的寿命，通常所采用的方法是选择合适的主轴材料及进行必要的热处理，只有满足了上述的两个条件才能提高其硬度，达到提高耐磨性的目的。上面详细论述了主轴硬度的重要性，同时结合了主轴在实际生产中的应用，Z终确定对主轴进行淬火处理，确定硬度值为52HRC。
4.3主轴主要参数的确定
主轴的主要参数为以下几个方面，主轴内孔直径d确定，数值确定的目的是减轻主轴的重量。这个内孔直径是根据三爪卡盘的需求，同时满足主轴的整体刚度、耐磨性、硬度等基础所确定的。同时，通过利用有限元软件进行分析和优化，Z后得到提高质量以后主轴内孔的直径相比同类型的车床主轴重量轻了百分之十七左右；主轴前支承处的轴颈D：轴颈D对主轴部件刚度的影响相对其它因素会大一些，我们可以设定车床主轴传递的功率为P，通过说明书我们可以知道机床可以加工的Z大直径为D1，利用主轴的速度进行，我们可以确定前支承处轴颈为105毫米；主轴的悬伸长度Y，我们在设计的过程中同计算前两个参数同理，利用有限元软件分析的方法进行计算，权衡主轴刚度极其结构两个方面，使主轴的悬伸度可能小。设计之后，Y剩下了原来长度的三分之二左右，从理论值我们可以看出在上端部的径向偏移也减少到原来的一半左右；主轴的支承跨距L，由前3个参数值，以及前、后轴承的刚度值a和b，我们得到了主轴支承跨距L=600毫米。
4.4主轴整体质量改进结果
主轴设计经过以上的方法进行改进之后，我们对数控车床主轴部件进行了装配使整机可以正常运转，装配完成之后，技术人员对主轴部件做了一个精度测试，Z终也进行了加工工件的一个检测，将数控车床的加工精度记录下来。测量的数值同之前装有未改进主轴组件的车床的加工精度作了一个对比，对比的结果是改进主轴后的机床在精度上有了明显的提高。
5、结语
本文主要介绍了如何对主轴进行质量改进，通过实验证明经过改进设计的主轴结构，较之前刚性和精度都有了不同程度的提高，在工件进行加工时也没有出现由于超负荷的运转出现影响轴承的配合的状况，说明了精度稳定性很好。吃中改进理论和实践我们都可以看出是切实可行的，相信随着科技的发展，设计人员对主轴整体质量的提升提出更多有效的建议，使数控机床得以更好的发挥其作用。
参考文献
[1]王海涛，赵庆志，吴俊恩等.优化数控车床传动结构对提高主轴回转精度的影响[J].机械工程师，2008（7）.
[2]濮良贵，纪名刚.机械设计学习指导（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2010.
在数控机床当中无论哪一种类型的机床，其主轴同传动轴在使用的过程中，都是要进行运动和扭矩的传递来确保轴上的传动件以及轴承可以正常运作，二者的工作看起来很相似，但还是有区别的，主轴要直接去带动所要加工的工件或者刀具加工，因此主轴不仅仅具有一般传动轴的功能，还有更多的功能。所以为了使整个主轴部件的整体精度可以得到保证，就必须要找出影响主轴质量的主要因素，消除各个因素当中不良的影响，只有这样主轴的整体质量才能不断的提升，查阅相关的资料可以知道，影响主轴质量的主要因素主要有以下的几个方面，分别是主轴的结构、主轴的主要参数、静刚度的设计验算、主轴材料及热处理和技术要求。在这里需要特别说明的是主轴的硬度是直接影响主轴、主轴部件的精度和寿命的一个重要原因，同时也会影响机床的加工精度和使用寿命。所以说，在进行选取材料和热处理时的过程中，要将主轴硬度的合理性应考虑进去。
4、主轴改进方法实施
4.1确定主轴结构
主轴在组件上所安装的数量、类型、位置、安装方法、主轴的加工和装配工艺性等几个因素共同决定了主轴结构的形状。对于主轴来说其端部的结构型式是特别重要的，尤其其中涉及标准及通用性那部分，其他部分又有篇幅有限，在这里就不再逐一介绍了。主轴的优化是主要依据是我们原有的某个精密机床的主轴，我们对它的实际状况进行了了解，同时对其尺寸结构做了详细的记录，参考了国外先进机床的主轴结构特点，初步确定我们机床主轴质量改进方案。之后对质量改进方案做了细化，在这里主要可以归纳为以下的三点：，将螺纹孔预留在主轴的端面上，这点是在进行动平衡配重时所必须的，螺纹孔在两个不同的端面上均匀分布，这样做的目的是可以很大程度提高主轴啊动平衡方面的精确性以及可靠性；第二，为了方便日后机床的加工，用组合式角接触球轴承这样的方式来替代原始的双列滚子轴承，用圆柱面来替代原来的支承锥面，当然这些改动的一个前提是不影响主轴的刚性和精度；第三，随着生产技术的提高，各种刀具的标准化程度越来越高，想要在主轴上安上不同的标准刀具，那么主轴的前端就要实行标准化，这样不仅可以提高其通用性，同时降低其成本，不必去另外制作刀具，虽然在未来可能会有更新换代的情况，但从未来企业发展的角度来讲，这更有利于现代企业标准化建设工作。相比未进行改造之前相比，灵活性提升了很多。
4.2主轴的材料选择及热处理
通常轴类零件所使用的材料为45钢，同时要根据实际的需求来进行正火、退火、调质、淬火等热处理使得钢材料具有一定的强度、硬度、韧性和耐磨性，以适应轴类零件的需求。我们说研究的主轴的后支承说使用的滚动轴承，可以承受中等载荷和一定的冲击载荷，同时刻印用在转速和精度相对较高的生产企业，在这样的加工特点来看，确定40铬为该主轴材料。为了提高主轴的寿命，通常所采用的方法是选择合适的主轴材料及进行必要的热处理，只有满足了上述的两个条件才能提高其硬度，达到提高耐磨性的目的。上面详细论述了主轴硬度的重要性，同时结合了主轴在实际生产中的应用，Z终确定对主轴进行淬火处理，确定硬度值为52HRC。
4.3主轴主要参数的确定
主轴的主要参数为以下几个方面，主轴内孔直径d确定，数值确定的目的是减轻主轴的重量。这个内孔直径是根据三爪卡盘的需求，同时满足主轴的整体刚度、耐磨性、硬度等基础所确定的。同时，通过利用有限元软件进行分析和优化，Z后得到提高质量以后主轴内孔的直径相比同类型的车床主轴重量轻了百分之十七左右；主轴前支承处的轴颈D：轴颈D对主轴部件刚度的影响相对其它因素会大一些，我们可以设定车床主轴传递的功率为P，通过说明书我们可以知道机床可以加工的Z大直径为D1，利用主轴的速度进行，我们可以确定前支承处轴颈为105毫米；主轴的悬伸长度Y，我们在设计的过程中同计算前两个参数同理，利用有限元软件分析的方法进行计算，权衡主轴刚度极其结构两个方面，使主轴的悬伸度可能小。设计之后，Y剩下了原来长度的三分之二左右，从理论值我们可以看出在上端部的径向偏移也减少到原来的一半左右；主轴的支承跨距L，由前3个参数值，以及前、后轴承的刚度值a和b，我们得到了主轴支承跨距L=600毫米。
4.4主轴整体质量改进结果
主轴设计经过以上的方法进行改进之后，我们对数控车床主轴部件进行了装配使整机可以正常运转，装配完成之后，技术人员对主轴部件做了一个精度测试，Z终也进行了加工工件的一个检测，将数控车床的加工精度记录下来。测量的数值同之前装有未改进主轴组件的车床的加工精度作了一个对比，对比的结果是改进主轴后的机床在精度上有了明显的提高。
5、结语
本文主要介绍了如何对主轴进行质量改进，通过实验证明经过改进设计的主轴结构，较之前刚性和精度都有了不同程度的提高，在工件进行加工时也没有出现由于超负荷的运转出现影响轴承的配合的状况，说明了精度稳定性很好。吃中改进理论和实践我们都可以看出是切实可行的，相信随着科技的发展，设计人员对主轴整体质量的提升提出更多有效的建议，使数控机床得以更好的发挥其作用。
参考文献
[1]王海涛，赵庆志，吴俊恩等.优化数控车床传动结构对提高主轴回转精度的影响[J].机械工程师，2008（7）.
[2]濮良贵，纪名刚.机械设计学习指导（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2010.