2014年第1期（总第447期）上CHINESE&FOREIGNENTREPRENEURS1.前言
加工中心（MachiningCenter，简称MC）是能够实现多工序
编程并能根据需求具备切换刀具功能的数控机床。它将铣床、镗床、钻床多种数控功能聚集在一台设备上，配备刀库和自动换刀装置，能够同时完成多道工序。由于其减少了工件装夹、产品和设备调整，节约了工件的转移时间，因此其效率比通用机床高出80%以上。
2.加工中心主传动系统的特点
加工中心主传动系统的组成主要分为主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件。加工中心的主传动优点为高转速、高回转精度、高机构刚性以及抗震性。加工中心的主轴系统具备以下特点：（1）主轴必须具有一定的调速范围并实现无级变速。（2）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。（3）升降速时间短，调速时运转平稳。（4）主轴组件要有较高的固有频率，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。（5）有自动换刀和刀具自动夹紧功能。（6）主轴具有足够的驱动功率或输出转矩。（7）主轴具有准停功能又称主轴定位功能（SpindleSpecifiedPositionStop）。
3.加工中心主传动系统设计
3.1变速系统设计如要求主轴转速40r/min～4000r/min，电机功率4kw
（1）选用直流电动机无级变速机构。
（2）主轴的计算转速。（3）转速图的设计。
a.主轴要求的恒功率变速范围
b.电动机可达到的恒功率变速范围电机功率4kw，电机转速4000r/min～320r/min，额定转速为
1330r/min。
c.公比和传动级数的确定一般变速箱有2级、3级、4级。选用，即分级变速箱为4级变速。
公比。
则分级变速箱的转速图如图1所示。变速箱有4种传动比（1/1）×（1/1）=（1/1）；（1/2）×（1/1）=（1/2）；（1/1）×（1/4）=（1/4）；
（1/2）×（1/4）=（1/8）。传动比为1/1时，主轴转速为4000r/min～1330r/min；为1/2时，主轴转速为2000r/min～667r/min；为1/4时，主轴转速为1000r/min～335r/min；为1/8时，主轴转速为500r/min～168r/min。这四段用的全是电动机的恒功率区。168r/min～40r/min为恒转矩区。分级变速箱的结构如图1。
收稿日期：2014-01-02作者简介：葛亚玺，（1987-），男，江苏江阴人，本科，研究方向：机械结构。
数控加工中心主轴的结构设计和改进葛亚玺（上海新跃联汇电子科技有限公司，上海200233）
摘要：加工中心是一种快速、高效的多功能数控机床，它的成熟和发展代表了国家工业设计和工业制造水平。本文通过加工中心主传动变速系统的设计、加工中心主轴组件结构的设计等两方面，就加工中心的主轴组件的结构设计和改进进行详细的阐述。关键词：主轴组件；轴承；准停中图分类号：TH13文献标志码：A文章编号：1000-8772（2014）01-0208-03
图1分级变速箱结构图
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CHINESE&FOREIGNENTREPRENEURSd.分级变速箱各轴齿数的选择查《机床设计手册》[1]，根据各齿轮间的转速比确定各个齿轮的齿数。则分级变速箱内的结构及各个齿轮的齿数、模数如图2所示。
图2分级变速箱的机构及齿轮分布图3.2加工中心主轴材料的选择及热处理主轴材料的选择主要根据刚度、载荷情况、耐磨性、热处理变形大小等因素确定。主轴的刚度大小与材料的弹性模量E有关，钢的E值较大（E=2.1×107N/cm2左右），所以主轴材料首先考虑钢材。而且钢的弹性模量E的数值与钢的种类和热处理方式无关。因此在选择钢材时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢）。只有在高载荷和大冲击或者减少材料变形以及需要高强度耐磨性时，才考虑选择合金钢。当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可以不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（48HRC～54HRC）。当采用滑动轴承时，为减少磨损，轴颈表面必须有很高的硬度。因此通常在轴颈处进行高频淬火；对大直径主轴（φ350～400mm）也可用火焰淬火来提高其表面硬度；对手较大冲击的主轴，可用15或20钢，并在轴颈表面渗碳、淬火及回火。主轴材料常采用的有45钢、GCr15等，需经渗氮和感应加热淬火。3.3加工中心主轴结构设计3.3.1初选主轴直径（1）主轴直径。主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。[2]（2）主轴内孔直径。主轴的内孔直径用于通过刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，主轴部件的相对重量也越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。[2]
3.3.2主轴悬伸量a的确定主轴悬伸量a是指主轴前支承径向支反力的作用点到主
轴前端面之间的距离，见图3。它对主轴组件刚度影响较大。根据分析和实验，缩短悬伸量可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时在满足结构要求的前提下，尽量缩短悬伸量a。[3]
3.3.3主轴最佳跨距L的选择主轴的支承跨距L。主轴前支承点至主轴后支承点之间的距离称为跨距L，见图3。主轴组件的支承跨距对主轴本身刚度
图3主轴跨距图和对支承刚度有着很大的影响。跨距L对综合刚度K的影响不是单向的。如L较大，则主轴变形较大；如L较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以，L有一个最佳值，L太大或太小，都会降低综合刚度。主轴的支承跨距存在着最佳跨距L0，可使主轴组件前端位移最小。主轴组件由于受结构限制以及保证主轴组件的重心落在两支承之间，实际的支承可大于最佳的支承跨距。为了确定最佳跨距L0和前悬伸a之比L0/a，可先求出η。式中：E-弹性模量，钢的E=2.1×107MPa；I———主轴的截面惯性矩，I=0.05×（d4-d4i），mm4；d、di———主轴的外径和孔径，mm；KA———前轴承的刚度，N/um；A———前悬伸量，mm。3.3.4主轴径向刚度的验算通过经验公式验算设计主轴结构满足主轴径向刚度要求。3.4主轴轴承的选择3.4.1主轴轴承精度的选择。精密加工中心主轴前支承应选用B级，而普通精度加工中心主轴前支承轴承则选用C级。主轴后支承轴承，则选用比前支承轴承低一级精度的轴承。`传动轴支承，选用D级或E级。通常，主轴轴承的轴向定位采用的是前端支承定位。这样前支承受轴向力，前端悬臂量小，主轴受热时向后延伸，使前端的变形小，精度高。3.4.2主轴常用动轴承的类型。主轴常用动轴承的类型有四种：（1）深沟球轴承；（2）角接触球轴承；（3）双列圆柱滚子轴承；（4）圆锥滚子轴承。3.4.3主轴轴承的配置与调整。主轴轴承的结构配置主轴轴承
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CHINESE&FOREIGNENTREPRENEURS的结构配置主要取决于主轴的转速特性的速度因素和主轴的刚度要求。主轴轴承结构配置形式主要由下面两种。①适应高刚度要求的轴承配置形式。主轴前支承由3182100型双列向心短圆柱滚子轴承和2268100型推力向心球轴承组成。前者承受径向载荷，后者主要承受轴向载荷，是现有数控机床主轴结构中刚性最好的一种。这种配置形式主要适用于大中型卧式加工中心主轴和强力切削机床主轴。既要高刚性又要高速度是，可以把60°接触角的标准型推力角接触球轴承，换成45°接触角的高速型推力角接触球轴承。THM6350型精密卧式加工中心主轴前支承就采用这种轴承配置，而后轴承采用了两个46117型角接触球轴承组合配置形式。如果后支承采用3182100型调心双圆柱滚子轴承，更能加强主轴刚性。[2]②适应高速要求的轴承配
置形式前支撑采用三个超精密级角接触球轴承组合方式，为
适用高速化要求，且因轴承精度高，能保证较高的回转精度。三个轴承的组合形式，根据载荷大小和最高转速以及结构设计要求，可以在三个轴承间加个隔套，也可以使单个轴承都靠在一起的结构形式。后支承结构，有两个角接触球轴承支承。也有一
个3182100型调心圆柱滚子轴承支承的。由于在运转中发热，主轴必然产生热膨胀。为了吸收这个热膨胀，希望后支承能在轴向移动。3182100型调心圆柱滚子轴承真好具有这种功能，而角接触球轴承由于施加了预紧，轴向不能移动，容易使轴承受损。因此从提高后支承刚性和适应主轴热胀时后端能够自由移动这一要求来说，后部支承采用3182100型轴承为好。[2]
3.5主轴准停装置自动换刀数控机床主轴组件设有准停装置，其作用是使主
轴每次都准确地停止在固定的周向位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键槽，同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而提高孔加工时孔径的一致性。本设计采用机械准停系统，具体结构如图4所示。
4.加工中心的发展改进方向
随着科学技术的发展，加工中心融入更多高新技术。它结
合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、现代化
图4准停装置机构图控制技术理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术。使它朝着高效、精密、可靠、稳定的方向发展。具体表现为以下几方面：（1）高速高效、高精度、高可靠。新一代加工中心采用高速主轴单元（电主轴，转速15000r/min～100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60m/min～120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统实现高速高效。为了满足客户的需求，精密级加工中心的加工精度则从±（3～5）um提高到±（1～1.5）um。现代加工中心还通过采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。（2）模块化、智能化、柔性化。机床结构模块化，数控功能专门化使机床性能比显著提高。CNC系统的发展使加工中心向智能化、柔性化迅速发展。（3）开放性体系结构。开放性体系结构可通过升挡或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控加工中心的数控系统。（4）网络化。加工中心的网络化将能够更及时地进行生产信息统计和反馈。（5）行业化。行业化指加工中心的零部件有专门的生产厂家。5.结语随着时代的进步，客户要求的提高，加工中心也在不断地向前发展。为了实现加工中心主轴转速的超高速，陶瓷轴承开始走进人们的视眼。陶瓷轴承是指轴承滚动体是用陶瓷材料制成，而内外圈则仍用轴承钢制造。陶瓷材料为高密度热压氮化硅（si3N4）。之所以选用陶瓷作为滚动体，主要是因为它具有如