王海濤 李初曄

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

隨著科學技術的發(fā)展，超高速切削、超精密加工等技術的應用，對數控機床的各個組成部分提出了更高的性能指標。主軸部件是機床的重要部件之一，一般由主軸、主軸軸承以及安裝在主軸上的傳動零部件等組成，其動力特性對整機的切削加工能力和加工精度有直接影響。

機床工作時，由主軸帶動工件直接參與表面的成形運動，因此主軸部件的工作性能對加工質量和機床生產率有著重要的影響。而主軸作為主軸部件最重要的核心件，其自身的設計質量和制造精度對整個主軸部件的運行精度和平穩(wěn)性起著決定性的作用，最終影響被加工件的質量。所以，設計制造之初，就應對影響主軸精度的各種因素進行充分考慮和風險評估，最大限度地保證主軸的設計合理性和可加工性，以提高其裝配和使用精度，保證主軸的整體質量。

1 影響因素的確定

無論什么類型的數控機床，機床主軸和一般的傳動軸在使用中，都要傳遞運動和扭矩，都要保證軸上傳動件和軸承的正常工作，雖然有這樣的相似之處，但主軸又是直接帶動工件或者刀具進行切削加工的，所以主軸除了滿足一般傳動軸的要求之外，還有特殊的更高的要求。為了保證主軸部件和軸系的整體精度，必須消除或降低影響主軸精度的主要因素的影響。

通過查閱相關資料，可以知道，影響主軸質量的主要因素集中在主軸結構、主要參數、靜剛度的設計驗算、材料及熱處理和設計所提出的技術要求等幾個方面。其相互之間的關系如圖1所示。

另外，由于主軸硬度的變化對于主軸、主軸部件甚至于整臺機床的精度和壽命影響較大，因此，在材料選取和熱處理時，應充分考慮主軸硬度的合理性。

2 方案實施

結合GST－115B型精密車床主軸的研發(fā)工作，針對以上幾個方面，在進行主軸結構和尺寸方案設計時進行分析論證。

2.1 主軸結構確定

機床主軸的結構形狀主要取決于主軸上安裝件的類型、數量、位置以及安裝方法，同時還要考慮主軸的加工和裝配工藝性。

主軸端部的結構型式非常重要，特別是涉及到工裝的標準化和通用性，其他的部分的結構不再贅述。

根據原來GST系列專用精密車床主軸的使用工況和結構尺寸，同時吸取了國外數控車床典型主軸結構特點，首先初步確定GST－115B型精密車床主軸的結構方案。對于主軸結構進一步的細化，參照以下3點:一是，在主軸前端面上預留動平衡配重時所需要的螺紋孔，在ΦB和ΦC兩種不同直徑圓周上均布，如圖2所示，這樣大大提高了將來主軸動平衡的可靠性和精確性;二是，為便于加工，在不影響主軸精度和剛性的前提下，將原來前后支承用雙列滾子軸承更換為組合式角接觸球軸承，相應的支承錐面改為圓柱面;三是，當今各種刀具的標準化程度越來越高，為了便于主軸上安裝各種國內外標準刀具或夾具，將該主軸前端形狀標準化，如刀具安裝采用標準莫氏錐度、卡盤安裝短圓錐統(tǒng)一標準等，使其通用性得到大幅度的提高，當然這會涉及到工裝的逐步更新?lián)Q代，但從長遠來說，有利于現代企業(yè)管理和標準化建設。而原來單一的企業(yè)標準，往往在更換刀具和工裝時，還要加裝過渡結構，費時費力，靈活性很差。

經過對以上方案的分析研究，GST－115B型精密車床主軸的結構形式如圖3所示。詳細尺寸還要經過以下幾個步驟的實施，進行相關的計算和驗證，達到設計任務書中所規(guī)定主軸的剛度和強度要求，并能滿足各項精度指標后，才能最終確定。

2.2 主軸主要參數確定

①主軸前支承處軸頸ΦD1，該直徑對主軸部件剛度影響較大，根據GST－115B型精密車床主軸傳遞的功率P，參考設計任務書中該車床的最大加工直徑Dmax，通過支承軸承的速度因數dn的驗算，確定出前支承處軸頸ΦD1經計算ΦD1=105 mm。

②主軸內孔直徑Φd的大小，是以減輕主軸重量為主要目的。根據三爪卡盤所需拉桿直徑，在滿足主軸整體剛度等基礎上進行確定。另外，反復借助有限元軟件輔助分析優(yōu)化，此次設計比同類型車床主軸減重17%左右。

③主軸的懸伸長度L0，在設計時同樣可以借助有限元軟件分析計算，在綜合考慮保證主軸剛度和結構條件的基礎上，使其盡量減小。通過優(yōu)化設計，該主軸懸伸量L0減小了近1/3，理論上端部的徑向偏移會減小50%左右。

④主軸的支承跨距L，通過前3個參數值，以及前、后軸承的剛度值K1、K2，計算可以得到支承跨距L=600 mm。

2.3 主軸的材料選擇及熱處理

一般軸類零件常用材料為45鋼，并根據需要進行正火、退火、調質、淬火等熱處理以獲得一定的強度、硬度、韌性和耐磨性。

GST－115B型精密車床的前后支承使用滾動軸承，能承受中等載荷和一定的沖擊載荷，并適合轉速和精度較高的場合，根據這樣的使用工況和加工特點，確定該主軸材料為40Cr。

另外，需要特別指出的是，對于主軸必須達到合理的硬度要求，以確保主軸的精度和壽命。主軸部件的壽命主要指保持其應具有的精度性能的使用期限，精度保持性越長，壽命越長。影響主軸部件精度性能的主要原因是磨損，磨損又與硬度有關，所以說主軸的材料硬度直接影響主軸部件的壽命。硬度對結構件性能的影響，分為硬度對極限應力的影響（強度方面）和硬度對剪切及彈性模量的影響（剛度方面）兩方面。主軸材料的硬度與屈服極限、抗拉極限、疲勞極限一樣，都屬于材料的機械和工藝性能，它們之間有一定的聯(lián)系。

為提高主軸壽命，我們在工程應用上一般采用的方法是正確選擇主軸材料及熱處理，提高軸頸表面和定位面的硬度、表面粗糙度和幾何精度，以提高其耐磨性。

通過以上對主軸硬度重要性的闡述，結合該主軸的實際應用情況，確定進行高頻淬火處理，硬度值為52 HRC較為合理。

2.4 主軸靜剛度設計計算

主軸靜剛度是指在切削力作用下，主軸抵抗靜態(tài)變形的能力，是主軸剛度和支承剛度的綜合反映，其合理與否，是保證機床精度的先決條件之一。通過對主軸進行模型簡化計算，可比較準確掌握機床在理想加工條件下所能承受的最大載荷。該計算的結果，同樣可以與ANSYS軟件分析（如圖4所示）后計算出的結果進行比較，以驗證主軸靜剛度的準確性。

根據有限元分析得到的變形量，結合受力載荷或扭矩，便可很容易地計算出主軸的剛度值。兩種結果的數值如表1所示。

表1 兩種計算結果比較

通過以上計算結果，可以看出，GST－115B型精密車床主軸的剛度值有了大幅度的提高，這為確保主軸部件的整體剛度奠定了基礎，可通過最后機床的精度檢測進行驗證。

2.5 主軸技術要求

主軸件的技術要求應主要包含直徑精度、幾何形狀精度、相互位置精度和表面粗糙度幾方面。對軸類零件，可以從回轉精度、定位精度、工作噪聲這三個方面分析其技術要求。

在進行精度確定時，特別注意前端錐孔、前端短圓錐和端面、軸承支承軸頸和鎖緊螺母（軸向緊固軸承）用螺紋的技術要求。前兩項形位公差的精度影響工裝和工件的定位，最終影響數控車床的裝配精度和加工精度;第三項支承軸頸的精度非常重要，它的精度將直接影響主軸裝配后的回轉精度;而最后一項螺紋的牙形要正，與螺母的配合間隙要盡量小，必須最終控制螺母端面的跳動，使其在調整軸承間隙的微量移動中，對軸承內圈的壓力方向正。

3 驗證分析

主軸設計經過以上流程完成后，進行數控車床主軸部件裝配和整機的裝配工作，待完成后，對主軸部件進行相關精度的檢測，最終還需通過對加工工件的檢測，來驗證該數控車床的加工精度。再將測量值和原來該系列車床的加工精度作比較，如表2所示。由此可以驗證新型號機床的精度是否得到提高，也在很大程度上反映了主軸部件和主軸本身設計的合理與否。

表2 不同型號車床測量精度對比

通過表中精度值，可以知道:新開發(fā)的GST－115B型比原系列的GST－10A型數控車床，在機床幾何精度和加工上有了較大提高;同時也表明:主軸作為主軸部件的核心件，其設計剛度和結構的提高和改進，對主軸部件的精度和機床加工精度的提高有較大的影響。

4 結語

以GST－115B型精密車床的靜態(tài)和動態(tài)精度為主要的衡量指標，縱觀該機床主軸的設計開發(fā)過程，可以得到以下幾點啟示，供大家在機床設計時參考。

（1）關鍵零件的設計非常重要，其結構和剛度等影響其所在部件的精度，以至于整機的加工精度。

（2）零件結構和剛度等指標的改進或提高，符合所設計機床的加工精度或稍高即可，要有限度，充分考慮成本的影響因素。

（3）可以根據零部件的工況，使用有限元軟件輔助設計，施加相應的載荷和約束，提供結構優(yōu)化以及重要指標的分析數據，使人工和輔助設計互動，提高研發(fā)效率和零件的可靠性，該過程已成為機械設計不可或缺的重要組成部分。

［1］機床設計手冊編寫組.機械設計手冊:第三冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1986.

［2］王海濤，趙慶志，吳俊恩，等.優(yōu)化數控車床傳動結構對提高主軸回轉精度的影響［J］.機械工程師，2008（7）.

［3］何邦貴，楊朝麗.滾動軸承參數對主軸動力特性影響的研究［J］.昆明理工大學學報，1999（3）.

［4］戴曙.金屬切削機床設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1981.

［5］徐灝.新編機械設計師手冊:上冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995.

［6］李洪.實用機床設計手冊［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，1999.