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模具行業新型機床主軸箱結構設計

2024-8-30 來（lái）源（yuán）：沈陽機床（chuáng）中捷友誼廠有限公司作者：裴計達

【摘要】: 為（wéi）了（le）滿足模具行業的加工要求，對傳（chuán）統型機（jī）床主軸箱結構進行分析和改進，設計一種新型數控機床主（zhǔ）軸箱和絲杠傳動結構，不僅提（tí）升了（le）零件加工（gōng）精度和表麵質量，還解決了主軸移動速度慢、重複定位精度差及主軸箱熱伸長等一係列問題。

【關鍵詞】: 模（mó）具行業 ; 機（jī）床 ; 主軸箱 ; 新型結構 ; 絲杠傳（chuán）動係統

1. 序言

龍門式（shì）數控鏜銑床廣泛應用於軍工、電力、冶金、礦（kuàng）山、工程機械、化工、模具及動力等（děng）行業，是箱體類、殼體類、桁架類、機體和機座類零件的（de）理想加工設備，尤其（qí）適合外形尺寸大、形（xíng）狀複雜（zá）、精度要求高及加工工序多（duō）的箱體類、板類零件的（de）銑削、鑽削、鏜削、鉸（jiǎo）削及攻螺（luó）紋加（jiā）工。

模具行業的發展，給模（mó）具行業用機床的研發帶來了更高的（de）要求。由於（yú）模具行（háng）業零件加工（gōng）的要求和難度提高（gāo），因（yīn）此對機床性（xìng）能參（cān）數的要求也隨之提高。模具行業除了對機床的移動速度、精度要求比較高外，更重要的是對機床加工的穩定性（xìng）要求（qiú）提高。新型結構主軸（zhóu）箱的誕（dàn）生，彌補了傳統型（xíng）機床主軸箱的（de）缺陷。

2.傳統型主軸箱結構

傳統型數控機（jī）床主（zhǔ）軸箱由灰鐵 300 鑄造而成，導（dǎo）軌（guǐ）和滑（huá）枕是一體的，主軸箱移動的距離為（wéi）1000mm，滑鞍總長度約（yuē）為 1100mm，滑枕（zhěn）和主軸總長度約為 2100mm。主軸箱總質（zhì）量約 5t。由於主軸箱的平（píng）衡采用兩個平衡液壓缸方式，所以在主軸箱移動時有一定的延時時間，同步性能無法保證。又由於主軸箱的質量比較大，所以移動速（sù）度相應會降低。滑鞍（ān）和滑（huá）枕之間主要靠貼塑麵和鑲條配合接觸，主軸箱和滑枕之間的摩擦屬（shǔ）於滑動（dòng）摩擦（cā），主軸箱貼塑麵刮研的效果，直接影響主軸箱精度。原始方法主要是采用（yòng）刮研（yán）接觸點的方法來保證（zhèng）滑鞍與滑枕之間的接（jiē）觸率，表麵上可以滿足在（zài） 25mm×25mm 範圍內（nèi）存在 8~10 個點的技術要求，但是在潤滑油積存量上存在缺陷，積存（cún）量較小，潤滑效果不佳。主軸箱經過長時間的運轉後，滑枕和滑（huá）鞍之間的（de）接觸點磨損，接觸麵增（zēng）大，直接影響主軸箱精度，從而影響整機的幾何精度，導致機床質量（liàng）下降（jiàng）。

傳統（tǒng）型（xíng）主軸箱結構如圖 1 所示，其主軸為短鼻式，應用於較深的模腔加工時，有可能與滑枕發生（shēng）幹涉（shè），導致深腔無法加工。如（rú）果（guǒ）隻能采用加長刀具的方式（shì），則加工時易發生顫振（zhèn），且增加成本。由於模具加工需要（yào）機床高速運轉，隨著加工時間的增加，主軸箱頻繁移動會使絲杠（gàng）溫度提（tí）高，導致絲杠產生熱伸長變形，所以對於（yú）精度較高的模具來說，精度一定會受到影響，同時也增加（jiā）了加工成本。

圖 1 傳統型主軸箱結構

3.傳統型絲杠傳動結構

傳統型主軸箱絲杠傳動結構如圖 2 所（suǒ）示，分為固定端和拉伸端兩部分。固定端軸承安（ān）裝方式是整體麵對麵地（dì）安裝，兩個一組，一端兩組 ; 拉（lā）端軸承采取的也是整體麵（miàn）對麵的安裝方（fāng）式，不僅能增大（dà）軸（zhóu）承受的支（zhī）撐力，還能增強軸承的軸向承載能力。

圖 2 傳統型主軸箱絲杠傳動（dòng）結構（gòu）

絲杠（gàng）作為傳動機構（gòu），對於機床加工起著（zhe）重要的作用，但是由於傳動絲（sī）杠在長時間工（gōng）作狀態下會產生大量熱量，造成絲杠的伸長量逐漸增大，因此會影響機床的定位（wèi）精度和重複定位精度，最（zuì）終導致機（jī）床加工的零件精度質量不達（dá）標。

新型主軸（zhóu）箱結（jié）構（gòu）如圖 3 所示，滑鞍長度約為950mm，滑枕和主軸總長度約為 2000mm。主軸箱總質量約為 3.5t。新型（xíng）主軸箱選擇比傳統電（diàn）動機功率大的伺服電動機，利用伺服電動機來控製主（zhǔ）軸箱平（píng）衡。用直線（xiàn）導軌代替傳統主軸箱貼塑的配合模式，不僅減少了裝配技術人員刮研的時間，還縮短了裝配周期。直（zhí）線（xiàn）導軌不僅能夠保證主軸箱的移動（dòng）速度，而且能夠滿足（zú）模具行業加（jiā）工的快速移動（dòng）要求。新型主軸箱增加了絲（sī）杠內冷（lěng）功能，絲杠兩端也改變了原有的軸承安裝模式，在固定（dìng）端采用整體麵對麵的模式，拉伸端采用軸承（chéng）整體大端朝上的模式。內冷絲杠是利（lì）用油在絲杠中循環流動來消除絲杠長（zhǎng）時間運轉產生的熱量，從而解決了絲杠發熱導致主軸箱變形的問（wèn）題，提高了零件（jiàn）加工質量。新型主軸箱的移動速度可達 16m/min，而且主（zhǔ）軸箱（xiāng）重複定位精（jīng）度達到（dào）0.004mm，大幅降低（dī）了由（yóu）熱溫升產生的熱量對絲杠熱變形的影響，不僅可以（yǐ）使機床（chuáng）溫（wēn）度較快（kuài）進入穩定狀態，而且還提（tí）高了機床自身的精度。新型主軸箱采用長鼻主軸，不僅降低了刀具成（chéng）本，還

能夠滿足模（mó）具的深腔（qiāng）加（jiā）工需求，提高了零件的加工效（xiào）率。

圖 3 新型主軸（zhóu）箱結（jié）構（gòu）

5. 新型絲杠傳動結構

新型（xíng）主軸（zhóu）箱絲杠傳動結構如圖 4 所示，分為固定端和拉伸端兩部分。其特征在於 Z 軸承載力大，主（zhǔ）軸熱伸長變形量小。而且軸承在固定端和拉伸端的數（shù）量以及（jí）安裝方法比起傳統的傳動機構（gòu）也（yě）存在差異。

圖 4 　新型主（zhǔ）軸箱絲杠傳動結構

在固定端傳動係統中每個零件單元的裝配結構 : 先將軸承座與滑鞍結合，再依（yī）次裝入調整墊、軸承壓蓋、軸承和（hé）鎖緊螺母等零件，合並（bìng）後一起穿入絲杠內，通過絲杠定位，並用螺母消除軸承（chéng）和其他部件之間的間隙，放入止動墊圈後，使用另一個螺母進行鎖緊，整體穿（chuān）入軸承（chéng）座內，密（mì）封油封、O 型橡膠（jiāo）密封圈與油封（fēng）座結（jié）合，與端蓋（gài）用螺釘按圓（yuán）周均（jun1）布螺孔與軸承座連接成一體，最後（hòu）將緩衝墊用螺釘與壓蓋連接成一體。

在拉伸端傳（chuán）動係統中每個（gè）零（líng）件單元的裝配結構 : 先將防緩衝墊（diàn）和壓蓋傳入絲杠待裝，將電動機座通過螺釘按圓周均布孔與滑鞍連（lián）接（jiē），依次將（jiāng）調整墊、軸承等各自與絲杠結合，利用絲杠（gàng）進（jìn）行定位，並用（yòng）螺母消除軸承和其他部件之間的間隙，放入止動墊圈，再使用另一個螺母進行鎖緊，密（mì）封油封和 O 型橡膠密封圈分別與（yǔ）油封座結合。將另一個密封油（yóu）封安裝在油封座內，通過螺釘按圓周均布孔（kǒng）與油封座進行連接（jiē），最後安裝壓蓋和墊圈，用螺釘按圓周均布孔與電動機座連接成一體。

6. 絲杠預拉伸

絲杠在安裝（zhuāng）時要進行拉伸試驗（yàn）。預拉伸（即（jí）加入預緊力）可消除軸（zhóu）向間隙，增加滾珠絲杠副的剛度，減少滾珠體（tǐ）、絲杠及螺母間的彈（dàn）性變形，達到更高的精度。不（bú）同型號絲杠的拉伸方式不同。用於精確定位且能夠根據旋（xuán）轉角度和導程間接測量軸向行程的滾珠絲杠副稱（chēng）為（wéi）定（dìng）位型滾珠絲杠副（positioning ball screw，P 型）。一般定位型滾珠絲杠副必須預（yù）緊，傳動型滾珠絲杠副（transportball screw，T 型）可不預緊。

滾珠絲（sī）杠軸的預拉伸也是非常必要的。為了提高滾珠絲杠進給係統的剛度和精度，對（duì）絲杠軸實施預拉伸是有效的。但是由（yóu）於絲杠（gàng）軸（zhóu）的各斷麵不同，而溫升值又不易精確（què）設定，所以按有關文獻計算出的（de）預緊力隻能作為一個參考量。在生（shēng）產實踐中常對具有負值方向（xiàng）目標值的絲杠軸（zhóu）進行預拉伸，使機床工作（zuò）台的定位（wèi）精度曲線的走向（xiàng）接近水平即可。因為精密級絲杠（gàng）在出廠時（shí）都（dōu）會考慮到溫升問題，所（suǒ）以絲杠的螺紋長度會比圖（tú）樣長（zhǎng）度短。

在機床（chuáng）裝配時根據絲杠的長度（dù），通過尾端的鎖緊螺母進行預拉伸，具體預拉伸量或者扭矩通過計算（suàn）並輔以經驗（yàn）取得。主軸（zhóu）箱（xiāng）絲杠預拉伸方式如圖5 所示。

圖（tú） 5 主軸箱絲杠預拉伸方式

7. 軸承預（yù）緊

不光是絲杠要進行預拉伸，軸承也需（xū）要預緊。軸（zhóu）承預（yù）緊一般（bān）分為定位預緊與（yǔ）定壓預緊兩種。軸承由於其分離的整體結（jié）構，因此內部存在間隙（即遊隙）是正常情況（kuàng），否則也無（wú）法轉（zhuǎn）動。但是在實際運（yùn）用中，有時會對（duì）軸承（chéng）預先施加一定的壓（yā）力，或（huò）者通過鎖定的方式，施加一定的載荷（hé），使軸承內部遊隙在呈現 “負值” 的狀態下運轉（zhuǎn）。這種方法（fǎ）稱為 “軸承預緊”，常見於角（jiǎo）接觸球軸承（chéng）和圓錐（zhuī）滾子軸承。

在施加預緊力後（hòu），滾動體和內外圈始終（zhōng）存在彈性壓力，對（duì）軸也會施加壓力，可以有效抵製主軸的跳動，提高主軸（zhóu）的旋轉精度與定位精度，振動及噪聲也會降低，從而更適（shì）於高速旋轉。

但是過猶不及，若預緊過度，則（zé）會降低軸承壽命，摩擦增大導致（zhì）軸承溫升（shēng）過高過快，由此，在施加軸承預（yù）緊（jǐn）力（lì）時，需 “因用製宜”，根（gēn）據使（shǐ）場景決定要施加的預緊量。

8. 數據驗（yàn）證

新（xīn）型結構絲杠研製成功後（hòu），分別對兩（liǎng）種結（jié）構絲杠的同款數控機床（不帶光柵尺）在同一環（huán）境（恒溫車間（jiān））中進（jìn）行（háng）試驗，連續快速往複開（kāi）動 Z 軸，利用激光幹涉儀對其進行多次檢測，對絲杠兩端絲母座、軸承座及（jí）絲杠本身溫度進行監控，得到絲杠溫升試驗數據（jù）見表 1。

表 1 絲杠溫（wēn）升試（shì）驗數據

由表（biǎo） 1 可以看出，新型主軸箱可大幅降低由熱溫（wēn）升產生的熱量對絲杠熱變形的（de）影（yǐng）響，提高工件的加工（gōng）質量和效率，還（hái）可以使機床溫度較快進入穩定狀態。

後續對多台機（jī）床進行跟蹤（zōng）及數據采（cǎi）集，主軸箱的變形量和整體變化趨勢與表1數（shù）據基（jī）本相符，證明（míng）新型主軸箱結構具有高穩定性和可靠性，足（zú）以在模具行業占（zhàn）據（jù）一定的有利地位（wèi）。

9. 結束語

通過對傳統型和新型主軸箱結構的（de）對比（bǐ）可知（zhī），新（xīn）型主軸箱不僅變輕了，而且各項性能尤其在（zài）機床的穩定性方（fāng）麵具有一定（dìng）的優勢。經過模具廠家（jiā）的（de）實（shí）際驗證，它是一種結（jié）構簡化、性能（néng）可靠的高精密主軸箱傳動機構，零件的加工精度和表麵質量等各（gè）項指標均能滿足模具行業的要求，並且解（jiě）決了主軸移動速度慢、重複定位精度差及主軸（zhóu）箱熱伸長影響加工質量等一係（xì）列問題。

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