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數控車銑切削機床金屬主軸（zhóu）部件設計研究

2022-5-12 來源：齊齊哈爾工程學院（yuàn）作者：劉智

摘要：數（shù）控車銑切削機床以其高效、環保等優點（diǎn）被廣泛應用在機械加工（gōng）中，主軸部件的運轉影響著數控車銑機床的效（xiào）率，研（yán）究數控車銑切削機床金屬主軸部件設計。在數控車銑切（qiē）削（xuē）機床金屬主軸部件設計（jì）中，通過繪製金屬主軸部件結構圖，為後續零件製作打好基礎。製作彈性環（huán）連接皮帶輪，維護主軸的平衡性。關聯機床金屬主軸相鄰件穩定程度（dù），確定其與多個（gè）組件的連接關聯性（xìng）能。穩定（dìng）碟刹位（wèi）置完成主軸部件設計（jì），完成數控機床的切削工序。通過實驗論（lùn）證（zhèng）分析，本文方法設計（jì）的金屬（shǔ）主（zhǔ）軸部（bù）件的振動頻率與數控車銑機床（chuáng）的運行狀態基本一致（zhì），產品（pǐn）的加工符合檢驗標準（zhǔn），本文方法具有實用性（xìng）。

關鍵詞（cí） ：數（shù）控機床；數控車銑切削機床；主軸部件；金屬主軸（zhóu）部件設計；切削力；滾動軸承

我國（guó）是製造業大國（guó），製造行（háng）業在經濟發展中起著推動作用（yòng），數控機床（chuáng）作為製造行業（yè）的關鍵組成（chéng）部分，對其自身的質量有著較高的要（yào）求，因此在對關鍵部件的設（shè）計上，需要嚴格控製機床結構，保證機床的動力學性能。數控（kòng）機床是現代製造技術與數字技術結合而成的產物，隨著現代化（huà）科技水平不斷提高，我國數控機床（chuáng）的主軸部件製作也在不斷優化（huà）升級，使（shǐ）用精度越來越高，並逐漸向（xiàng）環保、智能的方向發展（zhǎn）。

數控車（chē）銑切削機床的機械加工方法是利用多刀切削（xuē）的方式進行的，它（tā）的生產效率較高（gāo），因此對主軸的（de）轉速等設計要求嚴格。高速切削已在世界範圍內（nèi）廣泛使用，但我國的研究還始終處於發展階段，數控機床技術精度的提高對國家的各個領域都有（yǒu）著積極地影響，尤其是（shì）精密器械和高精度的醫療設備，數控機床的發展能夠為科研的進步提供獨特的優勢。

主軸部件是整個（gè）數控機床的（de）重要部件之一（yī），也是影響機床安全（quán）運行，保證機床功能的重要因素，因此本文對數控車銑（xǐ）切削機（jī）床的金（jīn）屬主軸部件進行（háng）設計，分析其性能，保證軸承設計的精確度，使本文設計金屬主軸部件（jiàn）能夠滿足當前數控車銑切削機床的加工（gōng）要求，控（kòng）製切削力，避免在操作過程（chéng）中產生誤差，從而保證加工質量（liàng）達到預期效果，為日後的主軸部件設計研究提供（gòng）一定的參考。

1、數控車銑切削機床金屬主軸部件設計

1.1繪（huì）製金屬主軸部件結（jié）構圖

數控車銑切削機床作為（wéi）高（gāo）精（jīng）尖工業的基礎依仗，對多（duō）種（zhǒng）製造裝備（bèi）也提供了加工基礎支撐，在高密度和高精度（dù）的工作原則下，其內部的主軸裝置對工作的完整度對造成一定影響（xiǎng），若主軸出現問（wèn）題或設計精（jīng）度不夠的情況下，會造成後續加工精度（dù）不良的後果，影（yǐng）響機床加工的安（ān）全運行，由（yóu）此對數控車（chē）銑切削機床的主軸部件進行設計。此（cǐ）次選擇金屬材質的主軸最（zuì）為設計材料，主軸部件作為構成數控車銑切削機床的關鍵部分之（zhī）一，它包（bāo）括主軸、軸承、皮（pí）帶輪等許多零件。主軸部件的質量影響著數控車銑機床（chuáng）的加工質量，主軸的（de）轉速決定著數控車銑機床的工作效率，因此主軸部件的設計至關重要，在設計中需要滿足（zú）作業精度，受熱穩定、剛度好的要求。在（zài）此基礎上繪製金屬主軸部件（jiàn）結構圖（tú）如（rú）圖 1 所示。

圖 1 金屬主軸部件結構圖

根據圖中（zhōng）內容可知，在機床金屬主（zhǔ）軸的部件（jiàn）設計中，需要確定主軸轉子和帶輪的相對位置，並根（gēn）據數控機床的切削力度安置拉刀杆的位置。通過拉刀（dāo）杆（gǎn）的（de）理想安裝位置在其相鄰（lín）位置（zhì）進（jìn）行位移傳感器的安裝，運用多個蝶形彈簧（huáng）控製（zhì）拉刀杆的前進（jìn）和後退距離。本文主軸的前支承運用角接觸球軸承，後支承運用深溝球軸承，是軸向能夠靈活調節，與主軸的冷熱軸的延伸方向相（xiàng）匹配，控製主軸在運行中（zhōng）受到熱量的影（yǐng）響而產生的偏差，通過在主軸前支承安裝螺母（mǔ），改變軸向與徑向的間距。為了穩定主軸在運行（háng）狀態下的主軸溫度，在主軸外部采用冷卻結（jié）構。在（zài）主軸設計中，主軸（zhóu）和皮帶輪（lún）的連（lián）接影響著主軸部件的平衡狀態，因此在（zài）這一環節的（de）研究設計是非常必要的（de）。主軸分度定（dìng）位鎖緊的穩定性影響著數（shù）控車（chē）銑切削（xuē）機（jī）床的加工質量和性（xìng）能，因此需要設計碟刹結構穩定主軸部件（jiàn）的振動頻率。在確定好數控機床（chuáng）的金屬主軸部件結構組（zǔ）成後，對其內部的連接組（zǔ）件進行依次確（què）定，其中每個組件（jiàn）需要在皮帶的連接作（zuò）用下進行相連，通過製作具有彈性的連接皮帶輪進行皮帶安置（zhì），以此完成相鄰組件的安裝工作。

1.2 製作彈性環連接皮帶輪

皮帶輪作為連（lián）接主軸和其他相鄰組件的關鍵部（bù）件之一，能夠將主軸和其他具備切（qiē）削工藝的組件進行聯係，完成對（duì）不同性質材（cái）料（liào）的切削工作，為主要的數控機床切削構件。作為連（lián）接不同（tóng）組件的（de）關鍵環節，其連接點的位置是控製強度的主（zhǔ）要因素，可以對不同的主軸部件的切削（xuē）力度進行控（kòng）製，主軸與皮（pí）帶（dài）輪的連接度是（shì）影響（xiǎng）主軸（zhóu）平衡性的關鍵，如果連接強度不夠，則會使主軸（zhóu）與皮帶輪接觸點的承受力（lì）過於集中，在兩（liǎng）者之間產（chǎn）生間隙，影響皮帶輪的穩定性能，導致皮帶輪在運轉過程中發生（shēng）偏離，主軸產（chǎn）生振動，影響機床的加工質量。以此為基礎利用 BIM 技術手段（duàn），將（jiāng）金屬主軸部件的（de）相關（guān）參數導入至計算機中，通（tōng）過數控（kòng）機床（chuáng）的不（bú）用切（qiē）削角度和力度（dù），進行連（lián）接點位（wèi）的皮帶輪輔助彈性參數信（xìn）息設（shè）計，根據大數（shù）據（jù）下的（de）數控機床工作切削度，對各加工單位的工藝標準進行平均整合（hé），綜合考慮（lǜ）符合大多數加（jiā）工行（háng）業（yè）的行為標準。考慮到以（yǐ）上因素（sù），本文通過彈性環的製作將主軸與皮帶輪進行連接，主軸與皮帶輪的連接和動作使由彈性環的摩擦力實現的，因此在這（zhè）一過程中不會產生對主軸和皮帶輪的磨損。同時，製作串聯的（de）彈性環可以應對成（chéng）倍的載荷，彈性環通（tōng）過（guò）擰緊螺（luó）紋（wén）的軸向（xiàng）壓緊力均（jun1）勻分布在各彈性環上，將可能產生（shēng）間隙的位置進行（háng）縮短和拉近（jìn），使內環與主軸緊密相連，外（wài）環與皮帶輪充分接觸，通過多環串聯的方式建立（lì）皮帶輪與（yǔ）主軸的連接。由於在連（lián）接過程（chéng）中第一對彈性環所受到的壓緊（jǐn）力（lì）和負荷最（zuì）大，因此設計單側軸向的彈性環最多為 3 對，雙側軸向的彈性環最多為 6 對。彈性環若在工（gōng）作過程中產生局部變形，會出現皮帶輪（lún）與主軸的難以拆卸的現象，因此在彈性（xìng）環製作完成後需要對彈性環進行校（xiào）核（hé），以（yǐ）檢驗彈性環在連接皮帶輪和主軸的性能。

1.3關聯機床金屬主軸相鄰件穩定程度

根據數控（kòng）機床彈性環連接皮（pí）帶的製作，在確定其與金屬主軸的連接（jiē）點位置後，對相關具有聯係性的組（zǔ）件穩（wěn）定程度進行關聯，以此確保金（jīn）屬主（zhǔ）軸在切削過程中，與相鄰組件的穩定程度。以數（shù）控機床（chuáng）金屬主軸的工作運行軌跡，在其進行切削工藝過程中建立對應坐標係，利用 BIM 技術進行主軸轉動的關（guān）聯位置定點，對能夠圍繞主軸金屬運動線（xiàn）路的相關構件進行（háng）標記，按照轉動的聯動順序進行（háng）依次組裝。由於數控（kòng）機床的切削加（jiā）工，屬於一個複雜的多麵性工作流程，在內部金屬主軸構件和（hé）其（qí）他相關構件的連接形（xíng）式上，要分成不同的類（lèi）型，避免穩定關聯過程中出現切削運動的誤差。將數控機床的金屬主軸（zhóu）連接按照刀具的運行角度，進行多個類別（bié）關聯程度的劃（huá）分，在主軸拉刀杆的推進過（guò）程中，受彈簧的給進速度會產生切削誤差，通過 BIM 機床坐標軸的運行匹配方式，建立對應運行補償（cháng）模型，對相連組件的運行軌跡（jì）進行分布，完（wán）成（chéng）關聯機床（chuáng）金屬主（zhǔ）軸（zhóu）和相鄰組件（jiàn）的穩定係數確定。以（yǐ）金屬主軸的拉刀杆作為坐標中（zhōng）心，在（zài）機床切（qiē）削開始時（shí）其運行軌跡按照（zhào）橫坐標的數值進行行進，對應的關聯組件位置由（yóu）縱坐（zuò）標數據來標記，當兩個行進的切削數值能夠形成正相關關係時，表示相連組件能夠和拉刀杆的切削軌跡重合，保證（zhèng）數控（kòng）機床在切削過程中不會出現給進速度的誤差，使得相鄰組件和金屬主軸能（néng）夠保持穩定的（de）運行狀態。在此基礎上對彈性環的連接形式加以確定，通過各部分組件的運行管理程度，確定金屬主軸的穩定碟（dié）刹位置，用於數控機床的切削進度（dù）控製。

1.4 穩定碟刹位置完成主軸部（bù）件設計（jì）

碟刹部件能夠通過鎖緊力將主軸固定，起到製動的功能。由於（yú）碟刹部件不能實現對任（rèn）意角度的分度，並且結構複雜，在操作流（liú）程上也具有（yǒu）一定的難度，一旦操作不當就會影響數控機床的作業精（jīng）度，因此在主軸部件設計中，需要對碟刹位置進行重點研究，通過分級的（de）角度鎖緊，穩定碟刹位置（zhì），使其不（bú）受角度的限製，能夠與其他部件相配合。

碟刹（shā）部件通過油（yóu）缸頂出導杆刹車，在油缸頂出時隻存在一個動力源，油缸活塞會在接觸到刹車盤後停止活動，刹車銷軸能夠（gòu）將主軸產生（shēng）的推力（lì）轉移到刹車盤（pán）上，在此（cǐ）過程中能夠產生較大摩擦力矩，使油（yóu）缸釋放熱（rè）量，起到抱緊主（zhǔ）軸的（de）作用（yòng）。因此，穩定（dìng）碟刹位（wèi）置需要將刹車（chē）銷軸對應分布在刹車盤兩側，避免刹車（chē）盤在受到銷軸的推力後加大彎（wān）矩。碟刹位置的變化影響著碟刹部件的製動效能，使液壓油在換向閥中正常通過，按照標示（shì）方（fāng）向到達閥芯位（wèi）置，帶（dài）動活塞推動刹（shā）車銷軸是使碟刹部（bù）件正常運行的前提，通過壓緊力使刹車盤穩（wěn）定，主軸保持靜止（zhǐ），完成（chéng）切削工序實現主軸部件的（de）設計和應（yīng）用。

至（zhì）此，在分析數控機床的金屬主軸切削作用下，通過對金屬主軸部件（jiàn）結構圖的繪製，對各個（gè）相關組件進行位置（zhì）確定，利用皮帶的連接形式，製作（zuò）連接皮帶的彈性環輪，對主軸的平衡性進（jìn）行維護。設置機床金屬主軸與相鄰件的關聯穩定程度（dù），確定其與多個組件的連接關聯性能，在穩定碟刹位置的定點中進行切削進（jìn）度控製，完成（chéng）數控機床（chuáng）的主軸部件設計。

2、實驗論證分析

2.1選擇實驗對象

本文（wén）在研究數控機床的金屬主軸切削作用下，設計（jì）了一個新的金屬主軸裝置，為驗證（zhèng）此次設計對象具有應用價值，利用實驗測試的方式，檢驗其在數控機床切削工作中的有效（xiào）性。為（wéi）保證（zhèng）實驗（yàn）環境的真實性，在對金（jīn）屬主軸測試（shì）中選（xuǎn）擇實（shí）地檢測進行效果驗證，已完成不同（tóng）切削方式（shì）下金屬主軸對切削工作的效果研究。數控機床的金屬主軸在切削過程中，其切削強（qiáng）度和速度（dù）能夠對（duì）機床產生振動頻率，振動頻率越高產生的切削振動（dòng）紋路越標準。本文將使用本文部件的數控車銑切削機（jī）床為實（shí）驗對象，選取了兩種不同的切削方式加工齒輪進（jìn）行實（shí）驗，得到 2 組實驗數據（jù），測試機床產生振動的（de）頻率。第一種切削（xuē）方（fāng）式為外圓車削，測設設備采（cǎi）用外圓車刀，第二種切削方式為橫向切斷麵，測試設備為硬質合金切刀，具體實驗參數設置如下表 1 所示。

表 1 切削實驗參數

根據表中內容，對（duì）不同的切削方式進（jìn）行參數設置，為保證不同工（gōng）藝形式下此次設計的金（jīn）屬主軸均能夠滿足切削要求，按照同樣的主軸轉速和給進速度進行（háng）測試。由於機床在實（shí）際切削過程中具有特定（dìng）的運動軌跡，為保證相同加工零件的振動紋路測試（shì）效果，對兩（liǎng）個切削方（fāng）式的下刀深度進行設（shè）置，均以 8mm 的深度進行切削控製，且（qiě）每個組別的實驗切削次（cì）數不（bú）少 50 次，保證所得數據的真實性。

2.2 機床切削過程與結果分析

根據上述（shù）設置的數控機（jī）床（chuáng）切削（xuē）參數進行測試，對不同（tóng）切削方式的工藝結果（guǒ）進行采樣，以隨機采（cǎi）樣的方（fāng）式，設定其采樣頻率為 1800Hz，並將加速度傳（chuán）感器安裝於機床坐標係 Y 軸，進行機床振（zhèn）動的速度頻譜分析。振動頻（pín）率的計算公式如下：

運（yùn）轉數控車銑切削機床，得（dé）到兩種切削方式下（xià）的機（jī）床顫（chàn）振情（qíng）況如圖 2 所示。

圖 2 振動（dòng） Y 向加（jiā）速度頻譜圖

由圖 2 可知，（a）為外圓（yuán）切削 Y 相加速度頻譜圖，（b）為橫向切削 Y 向加速度頻譜（pǔ）圖。當切削寬度逐漸變大時，機床的振動頻（pín）率（lǜ）會（huì）逐步提升，主軸（zhóu）是引起切削振動的主要部件，根據再生顫振原理可知，振（zhèn）動的頻率與機床整體結構固有頻率（lǜ）相（xiàng）關。根據頻譜（pǔ）波形圖得到機床發生振動的頻率如表 2 所示。

表 2 機床切削實驗振動頻率（lǜ）

由（yóu）表 2 可知，2 組實驗所的振動頻率在 170Hz ～ 220Hz 的範圍內，其平均值為 195Hz，結合（hé）頻譜波形情況可知，機床在120Hz 和 200Hz 兩個頻率值下的狀態薄弱（ruò），其振動結果與機床運行狀態是比較吻合的。在切削實驗結束（shù）後檢驗加工的齒輪成品如圖 3 所示。

圖（tú） 3 機床加工齒（chǐ）輪成品

由（yóu）圖 3 可知，齒輪孔麵製作均勻，齒輪（lún）之間可以高度重合，內孔及端麵符合產品加工檢驗標準，機床的加工性能達到了設計要求。通過對金屬主軸部件的設（shè）計，數控車銑切削機床在（zài）應用中具有（yǒu）較好的加工性能。綜合測試結果可知：在選用（yòng）不同的切削方式下，對本文設計的金屬主（zhǔ）軸進行（háng）切削測試，其能夠將數控機（jī）床工作時（shí）的振動頻率控製在有效範圍內，保證機床的加工成品具（jù）備良好性能，符合實際的生產需求，能夠在數控機床中進行推廣應用。

3、結語

隨著數控機床（chuáng）技術（shù）的不（bú）斷更新與升級，車銑切削機床在工業製造中（zhōng）發揮著積極的作用，本文以滿足數控車（chē）銑切削機床（chuáng）的性能為立足（zú）點，設計了金屬主軸部件，取得（dé）了一定的成果，但仍然存在（zài）著諸多不足（zú），有待於進一步深入研究。如在研究中沒有充分考慮軸承運轉狀（zhuàng）態下（xià），熱量對於軸承變化的影響，對於主軸結構的參（cān）數的研究上（shàng）還不夠全麵，沒（méi）有考慮到主軸全部結構的尺寸以及承受力，在今後的研（yán）究與應用中需要進（jìn）一步完善和改（gǎi）進。

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