主轴与测头单元连接在加工中心上的应用

为了使国产主轴单元更好地应用于加工中心，通过对机床典型工况的分析，确定主轴部件所能承受的最大切削力。利用有限元分析软件对加工中心箱体结构进行优化，安装热传感器并进行系统热补偿，有效提高了整机的刚度和精度。结合易贝机床整体主轴独特的气幕保护和锥孔吹扫功能，设计了主轴干气和锥孔保护气动系统，最大限度地保证了主轴的可靠性和稳定性。

关键词:国产主轴单元；最大切削力；有限元分析；系统热补偿；空气幕保护

0简介

我国机床行业近年来取得了长足进步，但核心功能部件与欧美品牌存在一定差距。主轴系统性能与机床的加工精度密切相关，是机床最重要的功能部件。主轴单元的动静态性能对加工精度和运行可靠性有很大影响。

本文详细阐述了国产立式加工中心主轴的设计和应用方案。机床样机试制完成后，进行了大量的热补偿和可靠性试验，总结了一些问题并反馈给主轴部件配套单位(北京易贝机床厂)，为其后续改进和批量生产提供了理论依据。建设质量优良、结构先进的机床功能部件，是提高我国机床工业整体水平的重要组成部分，是确保制造业核心竞争力和产业结构升级的必由之路。

2.机床主轴功能部件的设计

2.1主轴功能部件气动系统的设计

气动设计是这个主轴系统的关键部件，直联主轴的气路复杂，对气流的压力和干燥度都有要求。如图4所示，主气源通过气动三联件4分成三路:一路接压力检测开关5，监测整个系统的压力，过低机器会报警；第一路连接到盘式刀库，刀库上设有控制刀套转动的电磁换向阀；最后一条路径在进入聚合物干燥器6之前分成三条路径。第一路通过电磁阀7控制主轴箱上竹筒的加工和吹风，起到清洗和冷却工件的作用。第二路连接气液转换刀缸9，将气压转换成油压控制松刀，同时控制主轴拉刀和主轴锥孔吹气；第三路经聚合物干燥器6过滤后，再由调压阀3和电磁阀2依次控制锭子上的空气幕保护功能。

2.2主轴功能部件的结构设计

主轴系统的质量直接影响到整个机床的性能。不同于以往传统的分体式结构，从图5中可以看出，伺服电机1直接与主轴箱2相连，减少了中间环节，提高了主轴系统的整体精度和刚度。主轴箱采用高强度铸铁，经过多次时效处理，有效抑制了加工过程中切削力引起的变形和应力。外冷却管3集成在主轴箱右侧，结构紧凑，为加工提供大流量冷却液。Z轴导轨防护罩4由不锈钢制成，运行稳定可靠，保护立柱导轨的硬化表面不受极端工作条件的损坏。压板和镶块5配合塑料贴刮技术，摩擦阻力小，承载能力高，精度保持时间长。

高强度螺母座6配合大扭矩交流伺服电机和滚珠丝杠直接传动，保持零件加工的高精度；导轨和滚珠丝杠副采用中央集中自动稀油润滑，每个节点配有定量分油器7台。定时定量向各润滑部位注油，保证各滚动面均匀润滑，有效降低摩擦阻力，提高运动精度，保证滚珠丝杠副和导轨的使用寿命。高刚性联轴器8连接主轴和电机，确保主轴在高速运转过程中能够稳定可靠地传递扭矩。

3.机床主轴功能部件的热补偿及可靠性试验

3.1主轴系统热误差的原因

温升引起的热误差占总误差的40%~60%，是影响加工精度的主要因素。如图6所示，当主轴高速旋转时，主轴轴承内外圈高速摩擦产生大量热量，改变主轴的空间姿态，产生热伸长、热倾斜、热漂移等变形，进而引起刀具与工件的相对位置发生变化，导致工件加工精度变差。

3.2温度测量

VMC850L立式加工中心的三个进给轴上各布置两个温度传感器，一个靠近X、Y、Z轴的丝杠螺母位置，另一个远离丝杠电机端；在机床主轴和底座上分别安装两个温度传感器(环境温度)，采集相应的温度场信息并反馈给误差补偿系统，实现全闭环热定位误差的实时补偿。温度传感器在数控机床上的安装如图7所示。

3.3数控系统补偿功能分析

根据机床工况和关键点温度预测热误差，数控系统反向调整机床坐标系原点或进给轴参数，抵消或减小热误差。智能补偿模块采集机床热敏感点的实时温度，根据补偿模型计算补偿参数，并将补偿参数传输给PLC，然后PLC通过通信接口将补偿参数写入数控系统，改变CNC中的热误差补偿参数，实现热误差补偿。

测量机床主轴热漂移的五点法，记录主轴在X方向的热变形数据，具有补偿主轴在空转和不补偿各5 min热误差的功能。补偿后的热漂移明显减小，补偿效果良好。

3.4主轴最大扭矩和功率测试

在机床的恒扭矩区选择主轴转速n = 400 r/min，用直径D0 = 80 mm的六齿YG6硬质合金钢立铣刀进行铣削实验，通过改变进给速度或切削深度，使机床达到设计的最大扭矩t = 70n·m，在此实验过程中，主轴和过载保护装置工作正常可靠。

在机床恒功率区选取主轴转速n = 1550 r/min，用直径D0 = 28 mm的四齿硬质合金钢端铣刀进行铣削试验。通过改变进给速度或切削深度，机床可以达到设计的最大功率11 K W，在这个测试过程中，主轴也正常可靠地工作。

根据GB/T 18400.2-2010《加工中心检验条件第2部分:立式或万能主轴头机床垂直主轴(垂直Z轴)几何精度检验》中的G10、G11项，对负载试验后的主轴单元精度进行复验，测得精度优于国家标准。

4.结论。

随着数控加工中心自身功能需求的扩大，需要与之匹配的功能部件的水平也不得不大大提高，甚至很多功能都需要通过功能部件来增加和完善。通过本次主轴功能部件在加工中心的应用试验，可以充分了解和挖掘国产功能部件的性能和特点，为今后功能部件的改进和品牌提升奠定基础。在国外竞争面前不受约束，是中国基础制造业的重中之重。当机床投放市场，面向最终用户时，主轴等功能部件对机床的精度维护、可靠性和稳定性起着很大的作用。随着国产零部件质量和匹配度的提高，机床行业也将焕发出新的活力，国产机床整体性价比将大幅提升。