高速加工不但可以成倍地提高生產(chǎn)效率，還可進(jìn)一步改善零件的加工精度和表面質(zhì)量，解決一些常規(guī)加工中難以解決的某些特殊材料的高效加工問題，因此，高速加工在世界上引起了高度重視。
1 高速加工對(duì)機(jī)床主軸的要求
高速加工對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)不僅要求轉(zhuǎn)速高，輸出的扭矩和功率要大，還要求具有較高的主軸回轉(zhuǎn)精度和在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中保持具有良好的剛度、抗震性及熱穩(wěn)定性。目前，國(guó)際上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的高速加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速高達(dá)20,000～100,000r/min，國(guó)內(nèi)中小型加工中心、數(shù)控銑床的主軸最高轉(zhuǎn)速也達(dá)4000～6000r/min。實(shí)際應(yīng)用中主要有兩類高速主軸：一類是具有零傳動(dòng)的高速電主軸，這類主軸因采用電機(jī)和機(jī)床主軸一體化的結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過精確的動(dòng)平衡校正，因此具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，但對(duì)輸出的扭矩和功率有所限制；另一類是以變頻主軸電機(jī)與機(jī)械變速機(jī)構(gòu)相結(jié)合的主軸，這類主軸輸出的扭矩和功率要大得多，但相對(duì)來(lái)說(shuō)回轉(zhuǎn)精度和平穩(wěn)性要差一點(diǎn)，因此對(duì)于這類主軸來(lái)說(shuō)，如何正確地設(shè)計(jì)機(jī)床主軸及其組件對(duì)機(jī)床加工精度的影響是至關(guān)重要的。
2 主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1) 主軸單元式結(jié)構(gòu) 高速加工中心和數(shù)控銑床大多采用單元式主軸結(jié)構(gòu)，將主軸前后軸承在恒溫環(huán)境下進(jìn)行配磨，配磨好后裝入一個(gè)圓套筒內(nèi)，然后在總裝時(shí)以一個(gè)完整的單元裝入機(jī)床主軸箱內(nèi)，這樣不僅保證了機(jī)床主軸組件的裝配精度，而且又易于安裝和維修調(diào)整，如圖1所示。
圖1 主軸單元式結(jié)構(gòu)
2) 主軸軸承
主軸軸承的選擇：鑒于加工中心和高速數(shù)控銑床的大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速和高精密的要求，普通的主軸雙聯(lián)軸承結(jié)構(gòu)已滿足不了要求現(xiàn)在對(duì)于高速加工中心和數(shù)控銑床，大多采用角接觸軸承組合設(shè)計(jì)。因?yàn)榻墙佑|軸承可以同時(shí)承受徑向和一個(gè)方向的軸向載荷，允許的極限轉(zhuǎn)速較高。
如圖2所示，采用兩個(gè)角接觸球軸承背靠背組配，使支承點(diǎn)A、B兩點(diǎn)向外擴(kuò)展，縮短了主軸頭部的懸伸，大大地減少了主軸端部的撓曲變形，提高了主軸剛度。
圖2 角接觸軸承成組組配
主軸軸承的預(yù)緊：用普通螺母作主軸軸承軸向限位，通常難以保證螺母端面與軸心線有較高的垂直度(如圖3a)，鎖緊后易使軸承偏斜，甚至有可能使軸彎曲(如圖3b)，這都將影響軸的旋轉(zhuǎn)精度。
a) b)
圖3 普通螺母鎖緊時(shí)螺紋偏斜對(duì)軸承的影響
如圖4a所示鎖緊螺母3，在鎖緊時(shí)不能保證端面與孔的垂直度，為了提高軸承的調(diào)整精度應(yīng)改為如圖4b中用擋圈5、6修磨調(diào)整，以便提高修磨精度。用兩個(gè)分離型螺母8、9調(diào)整，或采用雙溝槽鎖緊螺母(見圖5)加十字墊片和采用過盈套等鎖緊方式。
1、4、11.法蘭盤 2、7.軸承 3、9.鎖緊螺母 5、6.檔圈
8.調(diào)整螺母 10.擋油盤 12.主軸
圖4 主軸軸承鎖緊、密封結(jié)構(gòu)示意圖
1.壓縮空氣管 2.活塞 3.雙溝鎖緊螺母 4.碟形彈簧 5.拉桿
6.主軸 7.主軸套筒 8.主軸內(nèi)冷卻環(huán) 9.刀具拉釘 10.擋油法蘭
圖5 KX714主軸結(jié)構(gòu)
主軸軸承的密封和潤(rùn)滑：由于高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)速達(dá)5000r/min以上時(shí)脂潤(rùn)滑已很難達(dá)到要求，而稀油潤(rùn)滑在高速運(yùn)動(dòng)中潤(rùn)滑油的多少明顯地影響到主軸運(yùn)行的平穩(wěn)性。因此在目前的設(shè)計(jì)中多數(shù)采用集中定量定時(shí)油霧或滴油潤(rùn)滑方式。在高速加工中為了提高主軸軸承的壽命和確保軸承的旋轉(zhuǎn)精度，必須采取嚴(yán)格的密封措施，然而密封效果較好的接觸式密封又勢(shì)必影響到主軸轉(zhuǎn)速的提高，因此目前通用的有主軸吹氣、迷宮密封等非接觸式密封方式，對(duì)于要求不高的可以采用間隙密封，但必須準(zhǔn)確地控制間隙的大小，一般是在0.02～0.04mm之間。
3) 主軸拉桿自動(dòng)裝刀系統(tǒng) 在加工中心和高速數(shù)控銑床中刀具安裝勢(shì)必采用自動(dòng)裝刀機(jī)構(gòu)。由預(yù)緊彈簧控制軸向拉力，再由氣壓、液壓或機(jī)械螺桿等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)松刀和夾刀動(dòng)作的拉桿機(jī)構(gòu)(如圖5)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有與主軸一同旋轉(zhuǎn)的隨動(dòng)單元，也有不隨主軸旋轉(zhuǎn)的分離型結(jié)構(gòu)，前者結(jié)構(gòu)比較緊湊，復(fù)雜程度高，后者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但占用空間較大。另外，為了提高刀具重復(fù)安裝精度，減少刀具錐柄和主軸錐孔非正常接合，在自動(dòng)裝刀系統(tǒng)中必須設(shè)置主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)和用以清潔刀具錐柄、主軸錐面的吹氣或噴液的機(jī)構(gòu)。
4) 主軸水冷卻系統(tǒng) 在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中軸承溫升是造成主軸變形、加工精度下降的重要因素之一。大量的熱能會(huì)造成主軸嚴(yán)重的熱變形，不僅影響主軸回轉(zhuǎn)精度，而且還會(huì)抑制主軸轉(zhuǎn)速的提高，速度愈高這種現(xiàn)象愈明顯。因此，如何改善機(jī)床主軸系統(tǒng)熱特性，減少系統(tǒng)的熱源強(qiáng)度，降低溫升及減少系統(tǒng)的熱位移，在高速主軸設(shè)計(jì)中就顯得尤為重要。在主軸設(shè)計(jì)中除了正確地選擇主軸組件，減少系統(tǒng)熱源強(qiáng)度外，對(duì)主軸要進(jìn)行水冷卻，以降低溫升和減少系統(tǒng)熱位移。在主軸套筒外設(shè)計(jì)連續(xù)的水冷卻環(huán)槽，讓機(jī)床冷卻液先流經(jīng)主軸套筒上的冷卻環(huán)槽，然后再噴出到刀具刀尖，用這種方式帶走軸承產(chǎn)生的絕大部分熱量，減少系統(tǒng)熱能向機(jī)床主軸傳導(dǎo)。對(duì)于有些要求較高的機(jī)床可將主軸水冷卻和切削液分為兩個(gè)不同的系統(tǒng)，當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)只能應(yīng)用到單元式主軸上。
3 設(shè)計(jì)示例
圖5是XK714數(shù)控床身銑床的主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，(主軸轉(zhuǎn)速為50～4200r/min)。由于該主軸較長(zhǎng)，所以采用兩個(gè)主支承加一個(gè)輔助支承的結(jié)構(gòu)。前、中支承采用兩組背靠背組配的高速精密角接觸球軸承，以提高承載能力，軸承的預(yù)緊力在軸承廠已成對(duì)配磨好，屬通用組配型。后支承采用兩個(gè)輕系列深溝球軸承，軸承外圈浮動(dòng)，保留游隙，防止軸向干涉。主軸端部采用間隙密封與甩油槽相結(jié)合的密封和防塵技術(shù)。機(jī)床主軸拉桿由碟形彈簧控制刀具安裝的軸向拉力，由氣動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行松刀、夾刀動(dòng)作，拉桿和活塞桿內(nèi)有直徑f4的通孔，用以換刀時(shí)對(duì)主軸錐孔和刀具錐柄吹氣清潔。整個(gè)主軸設(shè)計(jì)成單元式結(jié)構(gòu)，在主軸套筒外設(shè)有水冷卻環(huán)，用以降低主軸溫升。
