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摘要：隨著社會的快速發展，人們對加工中心機械主軸設計工作提出了更高的要求。相關工作人員要充分了解目前加工中心機械主軸傳動和冷卻方式存在的技術問題，進行有針對性的結構優化和創新設計，保證機械裝置轉動平穩。并且要進行科學高效的養護工作，從而提高主軸結構的可靠性。本文主要圍繞加工中心機械主軸的理論概述進行分析，探討機械主軸結構的創新設計方式，從而為相關工作者提供一定的理論與實踐參考。

1.機械主軸結構的理論概述

1.1機械主軸的結構特點

加工中心的機械主軸內部設有松拉刀結構，外部配備有同步帶轉輪傳動機構。通常情況下，傳動方式以皮帶傳輸為主，采用普通電機進行驅動，相關技術人員要根據加工中心主軸同步轉動速率，對皮帶裝置進行調試，從而適應氣缸推動拉桿的方式，保證主軸各部分穩定運作。傳統的機械主軸傳動方式存在諸多問題，例如在轉動過程中皮帶穩定性較差，振動會影響主軸的正常運作，并且會產生較大的噪聲，導致加工零件存在質量缺陷。

1.2主軸結構及配件功能分析

1.2.1傳動方式

常見的機械主軸單元通常有直聯式、傳動齒輪式、傳動皮帶式傳動三種。其中，直聯式傳動是將主軸系統與電機進行連接，該連接方式傳輸效率較高，噪聲相比較小。但是對主軸結構部分的制造精度要求較高，如果聯軸器矯正不當，會導致溫度急劇上升，并出現主軸燒壞的風險。齒輪傳動應用范圍較廣，效率較高，但是制作成本同樣較高，通常應用在普通車床低速加工中。皮帶傳動可以實現不同傳動比的升速、降速，能夠結合產品加工需求增加主軸的扭矩，并且皮帶傳動可以在一定程度上消除電機振動頻率，安裝流程較為簡單。

1.2.2電機

主軸系統在運作過程中，電機需要保持長時間的運作狀態，并且需要根據產品加工需求調整加速度，因此主軸電機需要具備較強的抗干擾能力，轉速波動較小。在電機啟動時，要能夠適應主軸結構的傳動強度。通常情況下，采用三相異物電機進行系統的配置，最高線速度不能低于100m/s，電機主軸參數如表1所示。設計人員要根據電機帶傳輸動能大小對主軸額定轉速進行設計，要滿足高速加工產品的需求。軸承安裝需要預緊，來提高旋轉精度和主軸剛度。輕微的軸承預緊可以使產品表面質量得到提升。預緊通常用于兩個軸承的配合安裝，預緊力越大越容易導致軸承發熱。技術人員要精確測量不同軸承的軸向力，根據產品加工需求，調整預緊力大小。主軸承潤滑主要有油潤滑和脂潤滑兩種，其中油潤滑所需設備復雜，成本較高，并且具有一定的污染性；脂潤滑對設備要求相對較低，可靠性較強，成本較低。主軸軸承跨距需要根據系統前后兩組軸承支撐點的作用距離而確定，技術人員要精確計算主軸截面的平均慣性矩，考慮產品加工過程中兩個砂輪布置的最低距離要求，預留出砂輪座等附件尺寸。

2.機械主軸結構優化設計要點分析

2.1明確各傳動部分指物理標及參數

技術人員在進行主軸結構部分優化設計時，要精準計算主軸高速傳動狀態下各部件的參數，要避免主軸系統在工作中產生較大的形變。根據軸承及其他零部件在非工作狀態下的連接結構進行仿真階段的模型設計，盡可能節省設計成本，提升傳動效率。靜態特性是指在進入負荷狀態下主軸抗形變的能力，動態特性是指在受到應激力和迫振動時產生的抗形變能力。技術人員要盡可能降低主軸結構的激振幅度，提高系統的加工精度和使用壽命。在主軸剛度分析時，技術人員可以利用SolidWorks進行模型的搭建，輸入各零部件的材料參數和運動指標，設置約束條件，精確計算主軸靜態負荷下的變形狀況。技術人員要利用主軸單元剛度計算公式，精確計算主軸懸掛量和軸承跨距值。結合主軸系統結構，對懸掛量的初始值進行設定。每1mm作為一個跨距增量，逐步計算最大承受力。主軸系統的動力學特性是影響整體設計優劣的重要指標，因此技術人員要對主軸結構部分進行模態分析、諧響應分析、瞬時動態分析，判斷主軸單元固有的頻率和抗形變力是否滿足實際的工作需求。

2.2主軸熱特性分析

機械主軸在高速運行過程中會受到外部熱源和內部熱源兩部分的影響，產生一定程度的熱變形，進而影響產品加工精度。設計人員要了解切割熱機械發熱等各參數的變化范圍，對外部系統環境進行調整。同時要充分了解陽光、照明設備和人為操作流程等因素，盡可能降低熱源大小。在進行熱傳導分析時，要在主軸各部件表面流體靜止時，對熱量傳導進行計算。在系統中輸入對流換熱系數、物體表面溫度、流體溫度，從而得出精確的傳熱數值。在對主軸傳熱性能進行分析時，要了解主軸軸承和皮帶輪處的摩擦熱量，一般采用摩擦力矩作為軸承升溫的計算指標，對軸承轉速、軸承節圓直徑、潤滑劑運動黏度等參數進行輸入，計算得出軸承摩擦力矩的實際負荷。技術人員要考慮主軸受力情形，對四個軸承軸向力進行平均分配，將前后兩組軸承簡化為兩個支點進行分別計算。由于荷載摩擦力矩在受轉速的影響程度較大，因此要測量砂輪盤支架距離、主軸軸承跨距、電機額定轉矩、后端懸掛量等數值，從而了解熱量的區間。主軸內部的傳熱模型是三維的，因此在建模分析時，技術人員需要對環境溫度軸承外圈溫度、軸承滾動體溫度、潤滑脂溫度、軸承內圈溫度進行測量，根據軸承內外圈熱傳導熱阻，分別進行計算。

3.加工中心主軸結構創新設計

3.1直聯式結構設計分析

為了提高機械主軸的傳動效率，有效降低傳動皮帶運行時產生的震動影響，技術人員可以在主軸末端采用聯軸器與驅動電機連接的方式，對松拉刀進行結構調整。通過機床打刀臂連接體進行送拉刀傳動，從而降低機床的震動程度，保證產品加工精度。技術人員要實現轉軸殼體中部與拉桿的協同配合，并對U型限位徑向口進行精準安裝。連接體軸向設計有臺階結構，在轉軸末端要與臺階結構進行連接。聯軸器的連接體要在打刀臂作用下，通入空氣并及時去除結構中的異物。連軸氣道另一端要與拉桿中部通道對接，從而保證氣體的快速排出。加工中心機床啟動之后，電機進入工作狀態，通過聯軸器的驅動，實現刀具更換。高壓氣體通過定位孔時，要有效去除空間結構內壁的灰塵，在碟簧作用下拉緊刀柄，并進行后續操作。

3.2環噴冷卻方式的設計分析

為了克服傳統加工中心主軸冷卻方式存在的弊端，技術人員要重點對切削部位進行溫度控制。要引入更加科學的降溫部件，可以采用具有噴冷結構的前蓋，箱蓋主要有襯圈和小孔等部分組成，襯圈中的水流經過環形冷卻水槽形成閉環，保證外側端面被水流所覆蓋，從而完成主軸部分的降溫處理。技術人員要在殼體的螺旋水槽左端設置環水槽，并與前蓋的進水口進行連接。在運行過程中，水槽由殼體水道進入，經過環水槽最終由旋轉噴射頭噴出，冷卻液精準噴射在刀具的切削部位，進而達到快速降溫的目的。主軸部分在運行過程中，刀具會產生大量熱量，為了提升刀具部件的使用壽命，要對刀具進行潤滑，減少因切削熱變形而引發的刀具破損問題。

3.3密封結構設計分析

機械主軸部分必須進行密封處理，要避免在高速運行過程中雜質、異物的進入，否則會降低軸承的壽命，甚至出現生產事故。技術人員可以采取迷宮密封結構和氣密封結構結合的方式。在主軸前后端設有兩個不同的密封墊，密封墊內部設有迷宮結構的挖槽，可以有效防止冷卻液和灰塵的進入。在設計環密封裝置時，要預留相應的空間，使軸向進氣孔與氣道進行連接，從而保證壓縮空氣能夠通過氣道排出，有效清除其中的灰塵。兩種密封方式的結合，可以大大提升加工中心軸承運作的穩定程度，保證相關配件的使用壽命。

3.4改善高速主軸的特性的方式分析

在溫度快速上升時，主軸會產生軸向線性延展，因此技術人員要重點對主軸結構進行溫度控制。可以將機械主軸單元從驅動電機到傳動部件長度進行縮減，減少熱源數目，降低電機發熱量。同時，技術人員可以采取合適的冷卻方式，對主軸部分進行降溫處理。油氣潤滑比油霧潤滑降溫效果更顯著，技術人員可以在主軸箱內通入大量壓縮氣體，快速帶走電機高速運動時產生熱量。在對熱變形進行補償時，技術人員要充分了解機械主軸伺服結構補償運動的參數，要設置溫度傳感器，對各典型區域進行溫度和工況測量，借助外部熱源冷卻裝置，形成內部的溫度保持場，從而降低行變量。

3.5注重產品精度的提升

我國大多數工業企業在進行產品加工制造時，會受到機床內部結構影響，導致零部件質量下降，因此技術人員在進行機械主軸結構優化時，要定期進行檢查和維修，及時發現主軸結構中存在的隱患，有效提高加工中心的生產精度，避免零部件出現損壞變形等問題。零部件在和主軸接觸時，形狀變化跟機床表面粗糙程度有直接關系，技術人員要對主軸徑向力、高度進行計算，對各連接部分進行精確調整。要重點對傳動部分軸承部分、密封部分進行測量，了解是否能夠穩定完成傳動工作。零部件對主軸承施加力的范圍和速度較大，因此主軸各部件需要具備較高的配合程度，技術人員要確保刀具、夾具能夠正常運行，對主軸前段的懸臂設計成較短的尺寸，并通過擴展點來增加前段部分的控制距離，有效避免出現變形故障。

4.結語

在當前的時代背景下，相關技術人員要對加工中心主軸系統進行優化設計，要了解機械結構的傳動機制，對軸承和各連接部件進行精準的熱傳導分析，要定期進行零部件養護，引入更加科學的傳動計算方式，調整各部分的連接角度和尺寸，從而保障主軸結構能夠長期穩定的運行，提高工業產品的生產質量。

作者：高文優 韓芙蓉 單位：鄭州輕工業大學