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1.前言

加工中心（Machining Center，簡稱 MC ）是能夠?qū)崿F(xiàn)多工序編程并能根據(jù)需求具備切換刀具功能的數(shù)控機(jī)床。它將銑床、鏜床、 鉆床多種數(shù)控功能聚集在一臺(tái)設(shè)備上，配備刀庫和自動(dòng)換刀裝置，能夠同時(shí)完成多道工序。由于其減少了工件裝夾、 產(chǎn)品和設(shè)備調(diào)整，節(jié)約了工件的轉(zhuǎn)移時(shí)間，因此其效率比通用機(jī)床高出80%以上。

2.加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的組成主要分為主軸電動(dòng)機(jī)、 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸組件。加工中心的主傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)為高轉(zhuǎn)速、 高回轉(zhuǎn)精度、 高機(jī)構(gòu)剛性以及抗震性。CNC加工中心的主軸系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：（1）主軸必須具有一定的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無級變速。 （2）具有較高的精度與剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。 （3）升降速時(shí)間短，調(diào)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 （4）主軸組件要有較高的固有頻率，保持合適的配合間隙并進(jìn)行循環(huán)潤滑等。 （5）有自動(dòng)換刀和刀具自動(dòng)夾緊功能。 （6）主軸具有足夠的驅(qū)動(dòng)功率或輸出轉(zhuǎn)矩。 （7）主軸具有準(zhǔn)停功能又稱主軸定位功能（Spindle Specified Position Stop） 。

3.加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如要求主軸轉(zhuǎn)速40 r/min 4000r/min，電機(jī)功率4kw

（1） 選用直流電動(dòng)機(jī)無級變速機(jī)構(gòu)。

則分級變速箱的轉(zhuǎn)速圖如圖1所示。變速箱有 4種傳動(dòng)比（1/1）x（1/1） = （1/1）；（1/2）s（1/1） = （1/2）；（1/1）s（1/4） = （1/4）；（1/2）s（1/4） = （1/8） 。傳動(dòng)比為1/1 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min-1330r/min；為 1/2 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為 2000r/min- 667r/min；為 1/4時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為 1000r/min -335 r/min；為 1/8 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min -168r/min。這四段用的全是電動(dòng)機(jī)的恒功率區(qū)。168r/min- 40r/min 為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。分級變速箱的結(jié)構(gòu)如圖 1。

d.分級變速箱各軸齒數(shù)的選擇

查 《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》 ， 根據(jù)各齒輪間的轉(zhuǎn)速比確定各個(gè)齒輪的齒數(shù)。則分級變速箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)及各個(gè)齒輪的齒數(shù)、 模數(shù)如圖2所示。

3.2加工中心主軸材料的選擇及熱處理

主軸材料的選擇主要根據(jù)剛度、 載荷情況、 耐磨性、 熱處理變形大小等因素確定。 主軸的剛度大小與材料的彈性模量 E有關(guān)，鋼的 E 值較大（E=2.1 107N/cm2左右），所以主軸材料首先考慮鋼材。 而且鋼的彈性模量E的數(shù)值與鋼的種類和熱處理方式無關(guān)。因此在選擇鋼材時(shí)應(yīng)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼（如45鋼） 。只有在高載荷和大沖擊或者減少材料變形以及需要高強(qiáng)度耐磨性時(shí)，才考慮選擇合金鋼。

當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸可以不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少 45 鋼主軸軸頸仍進(jìn)行高頻淬火（48HRC 54HRC ） 。當(dāng)采用滑動(dòng)軸承時(shí)，為減少磨損，軸頸表面必須有很高的硬度。因此通常在軸頸處進(jìn)行高頻淬火；對大直徑主軸（ 350 400mm ）也可用火焰淬火來提高其表面硬度；對手較大沖擊的主軸，可用 15 或 20 鋼，并在軸頸表面滲碳、淬火及回火。主軸材料常采用的有 45 鋼、GCr15等，需經(jīng)滲氮和感應(yīng)加熱淬火。

3.3 加工中心主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1初選主軸直徑

（1）主軸直徑。主軸直徑越大，其剛度越高，但使得軸承和軸上其他零件的尺寸相應(yīng)增大。軸承的直徑越大，同等級精度軸承的公差值也越大，要保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度就越困難。[2]

（2）主軸內(nèi)孔直徑。主軸的內(nèi)孔直徑用于通過刀具夾緊裝置固定刀具、 傳動(dòng)氣動(dòng)或液壓卡盤等。主軸孔徑越大，主軸部件的相對重量也越輕。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。[2]

3.3.2 主軸懸伸量 a的確定

主軸懸伸量 a 是指主軸前支承徑向支反力的作用點(diǎn)到主軸前端面之間的距離，見圖3。 它對主軸組件剛度影響較大。 根據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)，縮短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，盡量縮短懸伸量a。[3]

3.3.3 主軸跨距L的選擇

主軸的支承跨距L。主軸前支承點(diǎn)至主軸后支承點(diǎn)之間的距離稱為跨距L， 見圖3。主軸組件的支承跨距對主軸本身剛度和對支承剛度有著很大的影響。

跨距L對綜合剛度 K的影響不是單向的。如L較大，則主軸變形較大；如 L較小，則軸承的變形對主軸前端的位移影響較大。所以， L有一個(gè)值， L太大或太小，都會(huì)降低綜合剛度。主軸的支承跨距存在著跨距 L0， 可使主軸組件前端位移小。主軸組件由于受結(jié)構(gòu)限制以及保證主軸組件的重心落在兩支承之間，實(shí)際的支承可大于的支承跨距。

為了確定跨距L0 和前懸伸a之比L0/a，可先求出

3.3.4 主軸徑向剛度的驗(yàn)算

通過經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)滿足主軸徑向剛度要求。

3.4主軸軸承的選擇

3.4.1 主軸軸承精度的選擇。精密加工中心主軸前支承應(yīng)選用B級，而普通精度加工中心主軸前支承軸承則選用 C級。主軸后支承軸承，則選用比前支承軸承低一級精度的軸承。`傳動(dòng)軸支承，選用D級或 E級。 通常，主軸軸承的軸向定位采用的是前端支承定位。這樣前支承受軸向力，前端懸臂量小，主軸受熱時(shí)向后延伸，使前端的變形小，精度高。

3.4.2主軸常用動(dòng)軸承的類型。主軸常用動(dòng)軸承的類型有四種：

（1）深溝球軸承；（2）角接觸球軸承；（3）雙列圓柱滾子軸承；（4）圓錐滾子軸承。

3.4.3 主軸軸承的配置與調(diào)整。主軸軸承的結(jié)構(gòu)配置 主軸軸承的結(jié)構(gòu)配置主要取決于主軸的轉(zhuǎn)速特性的速度因素和主軸的剛度要求。主軸軸承結(jié)構(gòu)配置形式主要由下面兩種。 適應(yīng)高剛度要求的軸承配置形式。主軸前支承由3182100型雙列向心短圓柱滾子軸承和2268100型推力向心球軸承組成。前者承受徑向載荷，后者主要承受軸向載荷，是現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)中剛性的一種。這種配置形式主要適用于大中型臥式加工中心主軸和強(qiáng)力切削機(jī)床主軸。既要高剛性又要高速度是，可以把60 接觸角的標(biāo)準(zhǔn)型推力角接觸球軸承，換成45 接觸角的高速型推力角接觸球軸承。 THM6350型精密臥式加工中心主軸前支承就采用這種軸承配置，而后軸承采用了兩個(gè) 46117 型角接觸球軸承組合配置形式。如果后支承采用3182100 型調(diào)心雙圓柱滾子軸承，更能加強(qiáng)主軸剛性。[2]

適應(yīng)高速要求的軸承配

置形式 前支撐采用三個(gè)超精密級角接觸球軸承組合方式，為適用高速化要求，且因軸承精度高，能保證較高的回轉(zhuǎn)精度。三個(gè)軸承的組合形式，根據(jù)載荷大小和高轉(zhuǎn)速以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，可以在三個(gè)軸承間加個(gè)隔套，也可以使單個(gè)軸承都靠在一起的結(jié)構(gòu)形式。 后支承結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)角接觸球軸承支承。 也有一個(gè) 3182100 型調(diào)心圓柱滾子軸承支承的。由于在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)熱，主軸必然產(chǎn)生熱膨脹。為了吸收這個(gè)熱膨脹，希望后支承能在軸向移動(dòng)。 3182100型調(diào)心圓柱滾子軸承真好具有這種功能，而角接觸球軸承由于施加了預(yù)緊，軸向不能移動(dòng)，容易使軸承受損。因此從提高后支承剛性和適應(yīng)主軸熱脹時(shí)后端能夠自由移動(dòng)這一要求來說，后部支承采用3182100型軸承為好。[2]

3.5主軸準(zhǔn)停裝置

自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床主軸組件設(shè)有準(zhǔn)停裝置，其作用是使主軸每次都準(zhǔn)確地停止在固定的周向位置上，以保證換刀時(shí)主軸上的端面鍵能對準(zhǔn)刀夾上的鍵槽，同時(shí)使每次裝刀時(shí)刀夾與主軸的相對位置不變，提高刀具的重復(fù)安裝精度，從而提高孔加工時(shí)孔徑的一致性。

本設(shè)計(jì)采用機(jī)械準(zhǔn)停系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.加工中心的發(fā)展改進(jìn)方向

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加工中心融入更多*。它結(jié)合了機(jī)械技術(shù)、 電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、 氣動(dòng)技術(shù)、 現(xiàn)代化控制技術(shù)理論、 測量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、 刀具和應(yīng)用編程技術(shù)。 使它朝著高效、 精密、 可靠、 穩(wěn)定的方向發(fā)展。 具體表現(xiàn)為以下幾方面：（1）高速高效、 高精度、 高可靠。新一代數(shù)控加工中心采用高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速 15000r/min 100000r/min） 、高速且高加 / 減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（快移速度 60m/min120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá) 60m/min） 、 高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速高效。為了滿足客戶的需求，精密級加工中心的加工精度則從 （3 5） um提高到 （1 1.5）um。現(xiàn)代加工中心還通過采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模或超大規(guī)模的及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性。 （2）模塊化、 智能化、 柔性化。 機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化使機(jī)床性能比顯著提高。 CNC系統(tǒng)的發(fā)展使加工中心向智能化、 柔性化迅速發(fā)展。 （3）開放性體系結(jié)構(gòu)。開放性體系結(jié)構(gòu)可通過升擋或剪裁構(gòu)成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)，又可通過擴(kuò)展構(gòu)成不同類型數(shù)控加工中心的數(shù)控系統(tǒng)。 （4）網(wǎng)絡(luò)化。加工中心的網(wǎng)絡(luò)化將能夠更及時(shí)地進(jìn)行生產(chǎn)信息統(tǒng)計(jì)和反饋。（5）行業(yè)化。行業(yè)化指加工中心的零部件有專門的生產(chǎn)廠家。

5.結(jié)語

隨著時(shí)代的進(jìn)步，客戶要求的提高，加工中心也在不斷地向前發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)加工中心主軸轉(zhuǎn)速的超高速，陶瓷軸承開始走進(jìn)人們的視眼。陶瓷軸承是指軸承滾動(dòng)體是用陶瓷材料制成，而內(nèi)外圈則仍用軸承鋼制造。陶瓷材料為高密度熱壓氮化硅（si3N4 ） 。之所以選用陶瓷作為滾動(dòng)體，主要是因?yàn)樗哂腥缦绿匦裕阂皇侵亓枯p，是軸承鋼的1.5倍。 所以它具有離心力小，動(dòng)摩擦力小，預(yù)緊力穩(wěn)定，彈性變形小，剛度高的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)速愈高，則由滾動(dòng)體引起的離心力和慣性滑移亦隨之增高。采用陶瓷滾動(dòng)體，可大大減少離心力和慣性滑移，有利于進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速，其主軸高轉(zhuǎn)速可達(dá)50000。 但由于還存在價(jià)格昂貴和有關(guān)壽命、 可靠性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不充分等問題，還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和完善。不過，其今后有很大的發(fā)展前途。

為了實(shí)現(xiàn)更高速的加工，人們對加工中心的優(yōu)化方面青睞于高速主軸的研究。高速主軸取消了齒輪變速機(jī)構(gòu)，采用集成交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并增加強(qiáng)力的冷卻和潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)。