提高主轴整体质量的设计方法研究及应用

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Research and application of designing method on improving the spindle overal qualityWANG Haitao，LI Chuye(Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，CHN)Abstract：Spindle components are very important parts of the CNC machine tools，the spindle is the key part ofspindle components，it S quality good or bad could influence the running stability and processing preci-sion of machine tools.Take the case of the lathe spindle developing and designing，discussing how todesign the main parameters and technical requirements of the spindle，and fulfilling the improving andsetting，the effect is perfect。

Keywords：Spindle；Overal Quality；Influence Factor；Application随着科学技术的发展，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的各个组成部分提出了更高的性能指标。主轴部件是机床的重要部件之-，-般由主轴、主轴轴承以及安装在主轴上的传动零部件等组成，其动力特性对整机的切削加工能力和加工精度有直接影响。

机床工作时，由主轴带动工件直接参与表面的成形运动，因此主轴部件的工作性能对加工质量和机床生产率有着重要的影响。而主轴作为主轴部件最重要的核心件，其自身的设计质量和制造精度对整个主轴部件的运行精度和平稳性起着决定性的作用，最终影响被加工件的质量。所以，设计制造之初，就应对影响主轴精度的各种因素进行充分考虑和风险评估，最大限度地保证主轴的设计合理性和可加工性 ，以提高其装配和使用精度，保证主轴的整体质量。

1 影响因素的确定无论什么类型的数控机床，机床主轴和-般的传动轴在使用中，都要传递运动和扭矩，都要保证轴上传动件和轴承的正常工作，虽然有这样的相似之处，但主轴又是直接带动工件或者刀具进行切削加工的，所以主轴除了满足-般传动轴的要求之外，还有特殊的更高的要求。为了保证主轴部件和轴系的整体精度，必须消除或降低影响主轴精度的主要因素的影响。

通过查阅相关资料，可以知道，影响主轴质量的主要因素集中在主轴结构、主要参数、静刚度的设计验算、材料及热处理和设计所提出的技术要求等几个方面。其相互之间的关系如图1所示。

高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项资助项目(2011ZX04002-141)图l主轴质量的影响因素及加工精度关系图功能都件 Funcl0n Units另外，由于主轴硬度的变化对于主轴、主轴部件甚至于整台机床的精度和寿命影响较大，因此，在材料选韧热处理时，应充分考虑主轴硬度的合理性。

2 方案实施结合 GST-1 15B型精密车床主轴的研发工作，针对以上几个方面，在进行主轴结构和尺寸方案设计时进行分析论证。

2.1 主轴结构确定机床主轴的结构形状主要撒于主轴上安装件的类型、数量、位置以及安装方法，同时还要考虑主轴的加工和装配工艺性。

主轴端部的结构型式非常重要，特别是涉及到工装的标准化和通用性，其他的部分的结构不再赘述。

根据原来 GST系列专用精密车床主轴的使用丁况和结构尺寸，同时吸取了国外数控车床典型主轴结构特点，首先初步确定 GST-1 15B型精密车床主轴的结构方案。对于主轴结构进-步的细化，参照以下 3点：-是，在主轴前端面上预留动平衡配重时所需要的螺纹孔，在 B和 C两种不同直径圆周上均布，如图2所示，这样大大提高了将来主轴动平衡的可靠性和精确性；二是，为便于加工，在不影响主轴精度和刚性的前提下，将原来前后支承用双列滚子轴承更换为组合式角接触球轴承，相应的支承锥面改为圆柱面；三是，当今各种刀具的标准化程度越来越高，为了便于主轴上安装各种国内外标准刀具或夹具，将该主轴前端形状标准化，如刀具安装采用标准莫氏锥度、卡盘安装短圆锥统-标准等，使其通用性得到大幅度的提高，当然这会涉及到工装的逐步更新换代，但从长远来说，有利于现代企业管理和标准化建设。而原来单-的企业标准，往往在更换刀具和工装时，还要加装过渡结构，费时费力，灵活性很差。

1-主轴前端面；2m配重用螺纹孔；3-配重块；4-紧定螺钉。

图2 配重孔及配重结构经过对以上方案的分析研究，GST-115B型精密车床主轴的结构形式如图3所示。详细尺寸还要经过以下几个步骤的实施，进行相关的计算和验证，达到设计任务书中所规定主轴的刚度和强度要求，并能满足各项精度指标后，才能最终确定。

图3 GST-1 1 5B型精密车床主轴2.2 主轴主要参数确定①主轴前支承处轴颈 D，，该直径对主轴部件刚度影响较大，根据 GST-115B型精密车床主轴传递的功率 P，参考设计任务书中该车床的最大加工直径D 通过支承轴承的速度因数 的验算，确定出前支承处轴颈 D。经计算 60D 105 miI1。

②主轴内孔直径 d的大小，是以减轻主轴重量为主要 目的。根据三爪卡盘所需拉杆直径，在满足主轴整体刚度等基础上进行确定。另外，反复借助有限元软件辅助分析优化，此次设计比同类型车床主轴减重 17%左右。

③主轴的悬伸长度 ，在设计时同样可以借助有限元软件分析计算，在综合考虑保证主轴刚度和结构条件的基础上，使其尽量减校通过优化设计 ，该主轴悬伸量 减小了近 1/3，理论上端部的径向偏移会减小 50%左右。

④主轴的支承跨距 ，通过前 3个参数值，以及前、后轴承的刚度值 K。、 ，计算可以得到支承跨距 L 600 mm。

2.3 主轴的材料选择及热处理- 般轴类零件常用材料为45钢，并根据需要进行正火、退火、调质、淬火等热处理以获得-定的强度、硬度、韧性和耐磨性。

GST-115B型精密车床的前后支承使用滚动轴承，能承受中等载荷和-定的冲击载荷，并适合转速和精度较高的诚，根据这样的使用工况和加工特点，确定该主轴材料为40Cr。

另外，需要特别指出的是，对于主轴必须达到合理的硬度要求，以确保主轴的精度和寿命。主轴部件的寿命主要指保持其应具有的精度性能的使用期限，精度保挣l生越长，寿命越长。影响主轴部件精度性能的主要原因是磨损，磨损又与硬度有关，所以说主轴的材料硬度直接影响主轴部件的寿命。硬度对结构件性能的影响，分为硬度对极限应力的影响(强度方面)和硬度对剪切及弹性模量的影响(刚度方面)两方面。主脚 盏 ； uJo平弟 删轴材料的硬度与屈服极限、抗拉极限、疲劳极限-样，都属于材料的机械和工艺性能，它们之间有-定的联系。

为提高主轴寿命，我们在工程应用上-般采用的方法是正确选择主轴材料及热处理，提高轴颈表面和定位面的硬度、表面粗糙度和几何精度，以提高其耐磨性。

通过以上对主轴硬度重要性的阐述，结合该主轴的实际应用情况，确定进行高频淬火处理，硬度值为52 HRC较为合理。

2.4 主轴静刚度设计计算主轴静刚度是指在切削力作用下，主轴抵抗静态变形的能力，是主轴刚度和支承刚度的综合反映，其合理与否，是保证机床精度的先决条件之-。通过对主轴进行模型简化计算，可比较准确掌握机床在理想加工条件下所能承受的最大载荷。该计算的结果，同样可以与 ANSYS软件分析(如图4所示)后计算出的结果进行比较，以验证主轴静刚度的准确性。

1 lI有限元单元网格划分薯嚣! ～有限元变形分析图4 ANSYS软件辅助分析根据有限元分析得到的变形量，结合受力载荷或扭矩 ，便可很容易地计算出主轴的刚度值。两种结果的数值如表 1所示。

表 1 两种计算结果比较径向弯曲刚度 轴向弯曲刚度 扭转刚度/(N/ m) /(N/txm) /(MN·m/tad)手工计算 853 317 18OANSYS软件计算 86l 323 184原 GST系列车床 450 225 12O主轴刚度设计值通过以上计算结果，可以看出，GST-115B型精密车床主轴的刚度值有了大幅度的提高，这为确保主轴部件的整体刚度奠定了基础，可通过最后机床的精度检测进行验证。

2.5 主轴技术要求主轴件的技术要求应主要包含直径精度、几何形状精度、相互位置精度和表面粗糙度几方面。对轴类零件，可以从回转精度、定位精度、工作噪声这三个方面分析其技术要求。

Function UnIls功能部件在进行精度确定时，特别注意前端锥孔、前端短圆锥和端面、轴承支承轴颈和锁紧螺母(轴向紧固轴承)用螺纹的技术要求。前两项形位公差的精度影响工装和工件的定位，最终影响数控车床的装配精度和加工精度；第三项支承轴颈的精度非常重要，它的精度将直接影响主轴装配后的回转精度；而最后-项螺纹的牙形要正，与螺母的配合间隙要尽量小，必须最终控制螺母端面的跳动，使其在调整轴承间隙的微量移动中，对轴承内圈的压力方向正。

3 验证分析主轴设计经过以上流程完成后，进行数控车床主轴部件装配和整机的装配工作，待完成后，对主轴部件进行相关精度的检测，最终还需通过对加工工件的检测，来验证该数控车床的加工精度。再将测量值和原来该系列车床的加工精度作比较，如表 2所示。由此可以验证新型号机床的精度是否得到提高，也在很大程度上反映了主轴部件和主轴本身设计的合理与否。

表 2 不同型号车床测量精度对比GST-115B GST-10A主轴径向跳动/ram 0.002 0.003 5主轴端面跳动/mm 0.001 2 0.002加工件圆度/mm O.o01 0.oo1 5加工件圆柱度/mm 0.003 O.O(Ⅵ加工件表面粗糙度 R /txm 1.6 3.2通过表中精度值，可以知道：新开发的 GST-115B型比原系列的 GST-10A型数控车床，在机床几何精度和加工上有了较大提高；同时也表明：主轴作为主轴部件的核心件，其设计刚度和结构的提高和改进，对主轴部件的精度和机床加工精度的提高有较大的影响。

4 结语以GST-115B型精密车床的静态和动态精度为主要的衡量指标，纵观该机床主轴的设计开发过程，可以得到以下几点启示，供大家在机床设计时参考。

(1)关键零件的设计非常重要，其结构和刚度等影响其所在部件的精度，以至于整机的加工精度。

(2)零件结构和刚度等指标的改进或提高，符合所设计机床的加工精度或稍高即可，要有限度，充分考虑成本的影响因素。

(3)可以根据零部件的工况，使用有限元软件辅助设计，施加相应的载荷和约束，提供结构优化以及重要指标的分析数据，使人工和辅助设计互动，提高研发· 139 ·汽车制造技术Aul0 Manufacfuring Techn010gy发动机汽缸体液压专用夹具设计李 吉① 赖玉活② 丁刚强③(①广西工学院机械工程系，广西 柳州 545006；②柳州市数控机床研究所，广西 柳州 545007；③柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州 545007)摘 要：针对发动机汽缸体加工部位较多且所Jjn-r部位呈空间分布，生产加工中需要人工手动多次装夹，多次换刀的特点。设计了-种可在jn-r中心中上，仅通过-次装夹，完成对发动机汽缸体的铣削、钻孔NT的液压专用夹具￠绍了该夹具的结构组成及工作原理；选取双液压缸夹紧方案，并设计了相应配套的液压系统。利用该夹具对缸体加工，减少了缸体在加工过程中的装夹次数，大大缩短了加工周期。达到了降低劳动强度，提高加工效率之目的。

关键词：缸体 专用夹具 液压 -面两孔中图分类号：TG757 文献标识码：ADesign of hydraulic special fixture for engine cylinderLI Ji①。LAI Yuhuo②，DING Gangqiang③(①Department of Mechanical Engineering，Guangxi University of Technology，Liuzhou 545006，CHN；②Liuzhou Research Institute of CNC Machine，Liuzhou 545007，CHN；###Liuzhou WuLing Antomofive Industry Co.，Ltd.，Liuzhou 545007，CHN)Abstract：In view of more parts for the engine cylinder processing and the processing site was spatial distribution，and the process needs manualy multiple setups，multiple tool change characteristics.Designed a hy-draulic special fixture which can only through one time damping，completed processing engine cylind ermilling and drilling. Elaborated on the fixture structure characteristic and work principle；Adopteddouble hydraulic cylind er clamping，and designed the corresponding sets of hydraulic system.Used thefixture for cylinder processing，reduced the cylinder block in the process the clamping frequency，great-ly reduced the processing cycle，reached the purposes of reducing the intensity of labor and improvingthe machining efficiency。

Keywords：Cylind er；Special Fixtures；Hydraulic；One Surface with Two Holes发动机汽缸体-般为 70～80 kg，长宽高约为550 mmx285 mm385 mm，材料 HT200，硬度约为l90效率和零件的可靠性，该过程已成为机械设计不可或缺的重要组成部分。