机床主轴结构的优化和改良技术

摘 要 数控机床中，主轴对机床起至关重要的作用，所以主轴结构的设计在数控机床设计中占主要地位。目前在机床主轴的结构设计中，基于优化设计理论的基本思想与求解方法，已得到学术界与实业界的广泛认可。故本文将此方法用于机床主轴的结构设计，建立了机床主轴结构优化设计的数学模型，并采用内点惩罚函数法对模型求解，获得最优结构设计方案。使得本设计下，机床主轴满足本文假设中的各种约束条件，材料最为节省，刚度达到最好。

关键词 机床；主轴；优化设计；数学模型

中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0145-01

1 数控机床的主轴结构改进

数控机床设计中，如何设计主轴结构对数控机床的运行来说十分重要。主轴设计中，结构设计是其中的首要问题，即在机床的主轴设计中，其结构设计是首先要解决的问题，且在加工与装配的过程中，工艺问题也是需要设计者考虑的设计因素。如图1-1所示，是机床主轴的设计中所普遍采用的结构。其中，轴承4、5、8支撑主轴1，主轴上的3个压块紧锁螺母3、7、9用来实现轴承的轴向定位。主轴的装配质量，主轴及其相关零件的加工精度等级、轴承的精度等级对主轴系统的精度起决定作用。主轴的双列圆锥滚子轴承4和主轴的外锥配合程度直接对轴承的工作精度造成影响，一般情况下，要求它们之间配合时的接触面积应大于75%。所以，为了达到要求，在购买轴承时，应对轴承的等级与品牌严格要求；且在设计时，将主轴的高度较高的两端的同轴度设置为0.005mm。而对相关零件，例如螺母3、7、9与隔套6的端面对主轴线的跳动为0.008mm以内。一般压块螺母在进行实际加工时，精度难以达到要求，使装配时，主轴精度很低，以至于需要反复调整圆螺母的松紧来达到要求，但是这种达标也仅仅是刚刚符合，很难做到精准。最终导致轴承偏紧，且精度、稳定性较差，安装的位置也不准确，出现游隙不均匀的现象。那么在机床运行时，就会出现噪声大、工作温度过高，震动严重，对工件的加工质量与轴承的寿命均造成不利的影响。用圆锥滚子轴承来代替原有轴承，可平稳的运行，并可承载的负荷较大，精度调整好后，可保持机床精度；高速与轻型机床的运行要求却不能很好的满足。

1.主轴；2.法兰盘；3.圆螺母；4.双列圆锥滚子轴承；5.球轴承；6.调整垫；7.圆螺母；8.双列圆锥滚子轴承；9.螺母

根据这种情况，需对机床主轴结构的设计做一定的改进，在原有的设计中，取消双列圆锥滚子轴承，将其替换为角接触球轴承，改善主轴装配与加工工艺。在新的设计中，由于取消了主轴两端的圆锥部分，使加工变得易于操作，且可保证主轴较高两端的同轴度，对压块紧锁螺母的加工，要求也可适度的降低。

2 模型建立

机床主轴通常为支撑空心阶梯轴，基于计算要求，将阶梯轴简化成当量直径的截面轴。本文以两支撑机床的主轴为例，优化其设计。机床主轴的参数为：机床的最大直径Dmax=350mm，主电机的功率P=7.5kW，等公比φ=1.26，Z=12级转速，最低转速nmin=30r/min， 切削力F=15 000N，材质为40Cr。孔径d，外径D，跨距L，外伸长度a。其中，取d/D=0.55。以体积最小，刚度最好为目标，满足机床主轴的传动、节约材料、降低成本与减轻重量的要求。建立如下目标函数： （1-1）截面C的惯性矩，则有：（1-2） 由式1-2，以及机床计算的原理可以将主轴结构设计的变量设置为：（1-3）根据机床主轴刚度的要求与材料力学的要求，对本模型的参数作如下约束：主轴的外伸端挠度y小于规定值y0。轴允许的偏角＜[]，[]为允许值，=则： g3(x)= -[]≤0。轴扭转的变形条件，则： =，其中，T为机床轴的扭矩: ，G为其材料剪切的弹性模量：，Ip是其轴面的惯性矩：，则有： g4(x)=≤0。机床的切削力其中，则有：g5(x)=。

3 优化方法及其结果分析

由于；属于3变量5约束的多目标混合的最优化问题，隶属于小型优化设计问题。所以选择优化内点惩罚函数法得到最终优化的参数为： 圆整后：，刚度提高：（5.853-5.216）/5.853x100%=10.9%，体积减少：(44.577-38.640)/44.577x100%=15.56% 即，本优化设计可提高刚度，且减少了体积，满足优化的要求。

4 结论

改进设计方案后的主轴结构，在动刚性与精度上均达到了较好的效果，且在加工时不会引起超负荷的运转，轴承配合良好，通过理论分析与实践验证，设计合理。机械优化设计方法作为传统机械设计的延伸，其实际应用的意义也就更为明显，在设计中所得到的主轴结构参数也更为合理。

参考文献

[1]濮良贵，纪名刚.机械设计学习指导(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]孙靖民.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]田福祥.机械优化设计理论与应用[M].北京：冶金工业出版社，2008.