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摘要：本文主要针对车铣加工中心高速主轴支撑结构的设计展开了探讨，对车铣加工中心主轴系统作了系统的分析，并对车铣加工中心高速强力主轴的工艺作了详细的研究，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：车铣加工中心；高速主轴；支撑结构
0 引言
随着如今车铣加工中心对加工精密化、高速化的需求愈演愈烈。作为机床的核心功能部件之一，高速主轴单元性能的优劣与稳定直接决定了车铣加工中心的性能与可靠性。因此，为了有效的促进加工的精密化和高速化，我们要重视高速主轴支撑结构的设计工作。基于此，本文就车铣加工中心高速主轴支撑结构的设计进行了探讨，并以HTM80300车铣加工中心主轴系统为实例，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 HTM80300的主轴系统的分析
1.1 HTM80300高速强力主轴传动系统的分析
HTM80300车铣中心的主轴相关参数如下:
主电机功率:37/51kW；
主电机转速:1500/6500r/min；
主电机额定扭矩:235.5N?m；
主轴转速范围:15～2800r/min(低挡15～850r/min，高档68～1380r/min)；
主轴额定转速:255.5r/min；
主轴输出额定扭矩:1382N?m。
一个主轴系统的刚性主要来自传动刚度和支撑刚度两个方面。对于高速强力主轴系统而言，传动的刚度是必要的，仅依靠单主轴结构是无法满足要求，必须要有机械变速机构，只有这样才能满足高速主轴的需求。现阶段机械变速的方式主要有在主轴箱内的齿轮变速和箱外的主电机直连减速机变速两种，且两种变速方式各有优劣，前者的主轴箱较为复杂，热源离主轴较近，很容易导致主轴温升及热变形；后者由于存在较长的主轴后端悬伸和较大的皮带轮处的交变载荷，且主轴后端直接受力，对主轴后轴承的发热和主轴的振动存在影响。综合分析两者利弊，前一种结构所带来的弊病，较为容易解决，比如通过改变润滑和冷却条件，能够一定程度上解决主轴温升问题，而后者的弊端很难弥补，基于此，我们在HTM80300的主传动系统中决定采用第二种方式。图1为HTM80300的主传动系统图。
图1 主传动系统图
HTM80300的主轴最高转速为2800r/min，当加工直径为250mm时，切削速度可达2200m/min；当主轴转速低于255r/min时，主轴输出扭矩为1382N?m。
1.2 HTM80300主轴的支撑结构研究
1.2.1 高刚性的轴承配置
由两个NN30K系列的双列圆柱滚子轴承与一个2344(00)系列的双向推力角接触球轴承系统能够获得较高的刚性。具有较低的截面高度的大量的滚动体是这组轴承的特色
通常情况下在主轴的工作侧安装两种轴承，另一侧则装置另一个NN30K轴承。系统中的NN30K轴承一般都用有锥度的内孔，如此便于安装过程中精准的施工预负荷。双列短圆柱滚子轴承的预紧是用螺母轴向移动轴承内圈，而内圈孔是1:12的锥孔，使内圈径向涨大而实现预紧。轴承制造厂能够预先控制2344(00)轴承地预压。
除了刚性强之外，这组轴承的特色是轴向和径向有不同的轴承支撑；轴心的热膨胀，可以由圆柱轴承吸收。这种轴承配置是高刚性主轴系统的经典配置方式，在该厂的大规格数控车床上应用广泛，从以往的CY-K500DMZ磨花专机系列到如今的HTM63、HTM80系列的主轴系统都用这种配置。但是这种轴承配置方式的主轴系统转速受到限制，63规格主轴最高转速为1800r/min，80规格的主轴最高转速为1500r/min，远未达到高速主轴的要求，在高转速状态下可靠性较差。(见图2)。
图3 高刚性与高速度的轴承配置
角接触球轴承的预紧采用过盈套进行轴向固定。过盈套也称阶梯套，是将过盈配合的轴孔制成直径尺寸略有差别的两段，形成如图所示的小阶梯状。配合轴颈两段轴径分别为d1和d2(d2=d1-s1)。过盈套两段孔径分别为D2和D1(D2=D1-S2)。装配时套的D1与轴的d1段配合，套的D2与轴的d2段配合，相配处全是过盈配合，用过盈套紧紧地将轴承固定在主轴上。拆卸时，用专用工装通过过盈套的小孔往套内注射高压油，当油膜建立并隔离配合面后，变直径处会产生轴向力，并且过盈套会在无需外力的条件下滑离安装位置，使过盈套从主轴上拆下。
采用过盈套替代螺母，具有诸多优势，包括提高了主轴精度、增加了主轴刚度等，同时也确保了套的定位端面与轴心线垂直。
其在将温度控制在较低水平的基础上，还能够达到最高6000r/min的转速，具有很好的使用效果及可靠性。这种主轴轴承配置方式是高速强力主轴的首选方式。
1.2.3 高速度的轴承配置
若速度的重要性高于刚性的重要性，那么适宜的配置方式是主轴两端各采用两个角接触球轴承，如图4。该配置既可以采用弹簧预紧和自动补偿，也可以由两对轴承之间的隔套来调整。
图4 高速度的轴承配置
以上分析可知，高速强力主轴系统轴承配置中第二种方式的可行性最高，其不仅主轴的高速度满足要求，还能够满足主轴的高刚性，使用过程中有较高的可靠性。所以我们选择此种轴承配置为我们的高速强力主轴轴承配置方式。
1.3 HTM80300高速强力主轴动平衡问题的解决
高速强力主轴要求较高的动平衡，除组成外，主轴套件上每个零件分别打动平衡，控制不平衡量为1g?cm。套件装配后再打动平衡，控制不平衡量为3g?cm。只有符合上述要求才能确保高速主轴的性能达标。
2 HTM80300高速强力主轴的工艺研究
技术的发展离不开良好的工艺，两者相辅相成共同推动高速强力主轴技术的发展和完善，因此关于高速强力主轴技术方面的工艺研究越来越多，该公司近年来也加强在这方面的研究，特别是轴承与座孔之间的间隙，过小则引起发热，过大则刚性不足，给装配带来了极大困难，针对这个问题，该公司励精图治、精益求精，开展了大量试验，同时查询了大量资料，终于找到了最佳工艺方案，为相关技术的研究做出了巨大贡献。
3 结语
综上所述，高速主轴作为车铣加工中心的核心部件，保障其不出现故障对车铣加工中心的正常运作尤为重要。因此，我们需要做好高速主轴支撑结构的设计工作，以确保高速主轴的使用质量，从而促进车铣加工中心的稳定。
参考文献
[1]苑忠春.数控加工中心主轴结构设计分析[J].中国科技博览.2015（35）.
[2]赖燕根、单杰、张翰乾.分析数控加工中心主轴的结构设计[J].工程技术.2016（07）.
论文作者:伍伟雄
论文发表刊物:《防护工程》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/15
标签：主轴论文; 轴承论文; 刚性论文; 加工中心论文; 转速论文; 强力论文; 系统论文; 《防护工程》2017年第20期论文;