关于数控机床主轴结构的改进设计

孙年亮

摘 要：主轴结构是数控机床的主要构成部分，该结构与数控机床的整体运行效率有直接关系。所以，在主轴结构安装的过程中，不仅要选择恰当的安装方式，还要做好轴承调试工作，确保应用材料的质量，并制定相应的维护方案。在数控机床主轴结构设计的过程中，会有很多影响结构质量的因素，为了确保数控机床的应用质量和寿命，应不断进行设计方案的优化和改进。因此，针对上述问题进行了相关的阐述和分析。

关键词：数控机床;主轴结构;改进设计

中图分类号：TG659        文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.012

在数控机床中，主轴是核心部件，该部件是否能够精确运转、是否具有较高的耐磨性、抗振性等都会对工件加工的质量产生影响。不仅如此，作业环境、操作人员也会对工件的加工质量造成一定的影响。所以，应做好主轴结构的设计，明确各项可控因素，并做好调整和优化。

1 数控机床發展趋势

目前来看，我国数控机床正向高速、高精度、功能复合、智能化控制、驱动并联等方向发展。随着我国工业化进程的加快，各类新材料的应用愈加广泛，对数控机床加工质量的要求也在不断提升。在工业化的背景下，数控机床的主轴转速、进给率、运算速度都需要进一步提升。其中，数控机床主轴变速的方式有两种，一种是常规无级变速，另一种是分段无极变速，能够对复杂型面进行加工[1]。为了提升运算速度，微处理器的工作效率也在不断提升，64位的CPU数控系统已经广泛应用，频率已经达到几千兆赫兹。换刀速度自然也随之提升，目前很多刀具的交换时间都在1 s左右，速度较高的刀具交换时间甚至达到了0.5 s。

2 数控机床主轴结构的改进设计

2.1 主轴传动系统设计

为了确保数控机床的运转效率和质量，需要加强主轴结构的设计。主轴精度会对主轴组件的旋转精度产生直接影响，其涉及到主轴、轴承、齿轮等零件，这些零件相互连接，如果存在设计误差，则会影响接触刚度。零件接触表面的形状与表面粗糙度有直接关系，形状越精确，表面则越精密，受力后出现的接触变形也会比较小。主轴是主传动系统不可或缺的重要部件，主轴的精度、强度、刚度都与机床切削的质量有直接关系。如果主轴长度直径比超过12，则为挠性轴。要保证挠性轴的刚性，就要根据实际工况采取相应的措施。在设计优化的过程中，径向力不会影响轴中心位置，所以无需进行刚性校核，应重点进行强度的校核。

轴要顺利运转，需要先支撑起来，轴和轴衬之间存在一个配合部位，这个部位为轴颈。轴颈的长度与抗压强度和散热要求有关。如果选择滚动轴承，则轴颈要根据其轴承特点进行设计。轴上安装的零件较多，为了确保零件之间的表面配合，通常会采用阶梯轴的设计方式[2]。轴上零件可以利用套筒或挡环进行定位，但是抬肩不可以采用这种定位方式。轴加工时，不仅轴端要有倒角，各个台阶也需要有倒角，这样可以减少集中应力对加工造成的影响。

2.2 组件建构设计

主轴组件包括多个部分，分别是：主轴、主轴承、传动件、密封件等。主轴组件可以确保机床的正常运行，是一种执行件，其能够带动工件进行特定运动，是机床中不可或缺的组件之一，其性能与机床性能有直接关系。切削力会直接施加在主轴上，不论是速度还是范围都很大，所以对主轴组件有很高的可靠性要求。

2.3 前端结构设计

在前端结构设计时，要确保夹具、顶尖、刀具都准确无误的完成安装，并且要采取便于装卸的安装方式，要尽可能使主轴端的悬臂长度变短，单元结构可以选择角接触轴承，这样不仅可以承受径向荷载，也可以承受轴向荷载。元件极限速度高设计可以选择角接触轴承，使用数量为4个，采用背组安装形式，这样可以扩展两个承载点，进而使主轴头部的悬伸变短，能有效控制主轴端部变形的问题，对主轴的刚度有很大的强化作用[3]。很多主轴前端结构都基本相似，主要对前支承部分进行设计。主轴前段采用3182100系列轴承和角接触轴承作为前端支承。目前，已经有很多国家采用这种主轴结构设计方式，具有较好的应用效果。

综上所述，为了提升数控机床的应用质量，需要对主轴结构设计进行改进和优化。采用合理的设计方案，可以提升主轴的刚性与精度，进而在加工的过程中可以承受更高的负荷，确保轴承之间的运转配合，进而提升机床整体的精度和稳定性。

参考文献：

[1]曹川川，郭鹏远，杨大奎.基于UG的教学型五轴联动数控铣床的机械结构设计[J].农机使用与维修，2019（7）：6-8.

[2]贾超凡，朱昱，倪红军，等.数控机床主轴静动态特性分析与优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2019（8）：12-15.

[3]郑学申.数控机床机械结构设计与制造技术的研究探讨[J].军民两用技术与产品，2018（22）.