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摘要：随着社会的快速发展，人们对加工中心机械主轴设计工作提出了更高的要求。相关工作人员要充分了解目前加工中心机械主轴传动和冷却方式存在的技术问题，进行有针对性的结构优化和创新设计，保证机械装置转动平稳。并且要进行科学高效的养护工作，从而提高主轴结构的可靠性。本文主要围绕加工中心机械主轴的理论概述进行分析，探讨机械主轴结构的创新设计方式，从而为相关工作者提供一定的理论与实践参考。
1.机械主轴结构的理论概述
1.1机械主轴的结构特点
加工中心的机械主轴内部设有松拉刀结构，外部配备有同步带转轮传动机构。通常情况下，传动方式以皮带传输为主，采用普通电机进行驱动，相关技术人员要根据加工中心主轴同步转动速率，对皮带装置进行调试，从而适应气缸推动拉杆的方式，保证主轴各部分稳定运作。传统的机械主轴传动方式存在诸多问题，例如在转动过程中皮带稳定性较差，振动会影响主轴的正常运作，并且会产生较大的噪声，导致加工零件存在质量缺陷。
1.2主轴结构及配件功能分析
1.2.1传动方式
常见的机械主轴单元通常有直联式、传动齿轮式、传动皮带式传动三种。其中，直联式传动是将主轴系统与电机进行连接，该连接方式传输效率较高，噪声相比较小。但是对主轴结构部分的制造精度要求较高，如果联轴器矫正不当，会导致温度急剧上升，并出现主轴烧坏的风险。齿轮传动应用范围较广，效率较高，但是制作成本同样较高，通常应用在普通车床低速加工中。皮带传动可以实现不同传动比的升速、降速，能够结合产品加工需求增加主轴的扭矩，并且皮带传动可以在一定程度上消除电机振动频率，安装流程较为简单。
1.2.2电机
主轴系统在运作过程中，电机需要保持长时间的运作状态，并且需要根据产品加工需求调整加速度，因此主轴电机需要具备较强的抗干扰能力，转速波动较小。在电机启动时，要能够适应主轴结构的传动强度。通常情况下，采用三相异物电机进行系统的配置，最高线速度不能低于100m/s，电机主轴参数如表1所示。设计人员要根据电机带传输动能大小对主轴额定转速进行设计，要满足高速加工产品的需求。轴承安装需要预紧，来提高旋转精度和主轴刚度。轻微的轴承预紧可以使产品表面质量得到提升。预紧通常用于两个轴承的配合安装，预紧力越大越容易导致轴承发热。技术人员要精确测量不同轴承的轴向力，根据产品加工需求，调整预紧力大小。主轴承润滑主要有油润滑和脂润滑两种，其中油润滑所需设备复杂，成本较高，并且具有一定的污染性；脂润滑对设备要求相对较低，可靠性较强，成本较低。主轴轴承跨距需要根据系统前后两组轴承支撑点的作用距离而确定，技术人员要精确计算主轴截面的平均惯性矩，考虑产品加工过程中两个砂轮布置的最低距离要求，预留出砂轮座等附件尺寸。
2.机械主轴结构优化设计要点分析
2.1明确各传动部分指物理标及参数
技术人员在进行主轴结构部分优化设计时，要精准计算主轴高速传动状态下各部件的参数，要避免主轴系统在工作中产生较大的形变。根据轴承及其他零部件在非工作状态下的连接结构进行仿真阶段的模型设计，尽可能节省设计成本，提升传动效率。静态特性是指在进入负荷状态下主轴抗形变的能力，动态特性是指在受到应激力和迫振动时产生的抗形变能力。技术人员要尽可能降低主轴结构的激振幅度，提高系统的加工精度和使用寿命。在主轴刚度分析时，技术人员可以利用SolidWorks进行模型的搭建，输入各零部件的材料参数和运动指标，设置约束条件，精确计算主轴静态负荷下的变形状况。技术人员要利用主轴单元刚度计算公式，精确计算主轴悬挂量和轴承跨距值。结合主轴系统结构，对悬挂量的初始值进行设定。每1mm作为一个跨距增量，逐步计算最大承受力。主轴系统的动力学特性是影响整体设计优劣的重要指标，因此技术人员要对主轴结构部分进行模态分析、谐响应分析、瞬时动态分析，判断主轴单元固有的频率和抗形变力是否满足实际的工作需求。
2.2主轴热特性分析
机械主轴在高速运行过程中会受到外部热源和内部热源两部分的影响，产生一定程度的热变形，进而影响产品加工精度。设计人员要了解切割热机械发热等各参数的变化范围，对外部系统环境进行调整。同时要充分了解阳光、照明设备和人为操作流程等因素，尽可能降低热源大小。在进行热传导分析时，要在主轴各部件表面流体静止时，对热量传导进行计算。在系统中输入对流换热系数、物体表面温度、流体温度，从而得出精确的传热数值。在对主轴传热性能进行分析时，要了解主轴轴承和皮带轮处的摩擦热量，一般采用摩擦力矩作为轴承升温的计算指标，对轴承转速、轴承节圆直径、润滑剂运动黏度等参数进行输入，计算得出轴承摩擦力矩的实际负荷。技术人员要考虑主轴受力情形，对四个轴承轴向力进行平均分配，将前后两组轴承简化为两个支点进行分别计算。由于荷载摩擦力矩在受转速的影响程度较大，因此要测量砂轮盘支架距离、主轴轴承跨距、电机额定转矩、后端悬挂量等数值，从而了解热量的区间。主轴内部的传热模型是三维的，因此在建模分析时，技术人员需要对环境温度轴承外圈温度、轴承滚动体温度、润滑脂温度、轴承内圈温度进行测量，根据轴承内外圈热传导热阻，分别进行计算。
3.加工中心主轴结构创新设计
3.1直联式结构设计分析
为了提高机械主轴的传动效率，有效降低传动皮带运行时产生的震动影响，技术人员可以在主轴末端采用联轴器与驱动电机连接的方式，对松拉刀进行结构调整。通过机床打刀臂连接体进行送拉刀传动，从而降低机床的震动程度，保证产品加工精度。技术人员要实现转轴壳体中部与拉杆的协同配合，并对U型限位径向口进行精准安装。连接体轴向设计有台阶结构，在转轴末端要与台阶结构进行连接。联轴器的连接体要在打刀臂作用下，通入空气并及时去除结构中的异物。连轴气道另一端要与拉杆中部通道对接，从而保证气体的快速排出。加工中心机床启动之后，电机进入工作状态，通过联轴器的驱动，实现刀具更换。高压气体通过定位孔时，要有效去除空间结构内壁的灰尘，在碟簧作用下拉紧刀柄，并进行后续操作。
3.2环喷冷却方式的设计分析
为了克服传统加工中心主轴冷却方式存在的弊端，技术人员要重点对切削部位进行温度控制。要引入更加科学的降温部件，可以采用具有喷冷结构的前盖，箱盖主要有衬圈和小孔等部分组成，衬圈中的水流经过环形冷却水槽形成闭环，保证外侧端面被水流所覆盖，从而完成主轴部分的降温处理。技术人员要在壳体的螺旋水槽左端设置环水槽，并与前盖的进水口进行连接。在运行过程中，水槽由壳体水道进入，经过环水槽最终由旋转喷射头喷出，冷却液精准喷射在刀具的切削部位，进而达到快速降温的目的。主轴部分在运行过程中，刀具会产生大量热量，为了提升刀具部件的使用寿命，要对刀具进行润滑，减少因切削热变形而引发的刀具破损问题。
3.3密封结构设计分析
机械主轴部分必须进行密封处理，要避免在高速运行过程中杂质、异物的进入，否则会降低轴承的寿命，甚至出现生产事故。技术人员可以采取迷宫密封结构和气密封结构结合的方式。在主轴前后端设有两个不同的密封垫，密封垫内部设有迷宫结构的挖槽，可以有效防止冷却液和灰尘的进入。在设计环密封装置时，要预留相应的空间，使轴向进气孔与气道进行连接，从而保证压缩空气能够通过气道排出，有效清除其中的灰尘。两种密封方式的结合，可以大大提升加工中心轴承运作的稳定程度，保证相关配件的使用寿命。
3.4改善高速主轴的特性的方式分析
在温度快速上升时，主轴会产生轴向线性延展，因此技术人员要重点对主轴结构进行温度控制。可以将机械主轴单元从驱动电机到传动部件长度进行缩减，减少热源数目，降低电机发热量。同时，技术人员可以采取合适的冷却方式，对主轴部分进行降温处理。油气润滑比油雾润滑降温效果更显著，技术人员可以在主轴箱内通入大量压缩气体，快速带走电机高速运动时产生热量。在对热变形进行补偿时，技术人员要充分了解机械主轴伺服结构补偿运动的参数，要设置温度传感器，对各典型区域进行温度和工况测量，借助外部热源冷却装置，形成内部的温度保持场，从而降低行变量。
3.5注重产品精度的提升
我国大多数工业企业在进行产品加工制造时，会受到机床内部结构影响，导致零部件质量下降，因此技术人员在进行机械主轴结构优化时，要定期进行检查和维修，及时发现主轴结构中存在的隐患，有效提高加工中心的生产精度，避免零部件出现损坏变形等问题。零部件在和主轴接触时，形状变化跟机床表面粗糙程度有直接关系，技术人员要对主轴径向力、高度进行计算，对各连接部分进行精确调整。要重点对传动部分轴承部分、密封部分进行测量，了解是否能够稳定完成传动工作。零部件对主轴承施加力的范围和速度较大，因此主轴各部件需要具备较高的配合程度，技术人员要确保刀具、夹具能够正常运行，对主轴前段的悬臂设计成较短的尺寸，并通过扩展点来增加前段部分的控制距离，有效避免出现变形故障。
4.结语
在当前的时代背景下，相关技术人员要对加工中心主轴系统进行优化设计，要了解机械结构的传动机制，对轴承和各连接部件进行精准的热传导分析，要定期进行零部件养护，引入更加科学的传动计算方式，调整各部分的连接角度和尺寸，从而保障主轴结构能够长期稳定的运行，提高工业产品的生产质量。
作者：高文优 韩芙蓉 单位：郑州轻工业大学
