裝備制造業(yè)的基礎在于機床，而加工中心機床集高精度與高效率于一體，同時是產(chǎn)品質量的保證。國際上從上世紀 90 年代后期，將機床主軸作為機床的關鍵功能部件逐步由機床主機廠分立出來，目前國內(nèi)
90%以上中主軸產(chǎn)品是中國臺灣及其他國外產(chǎn)品。加工中心機床主軸分為電主軸和機械主軸，電主軸是將電動機內(nèi)置于主軸單元的高新技術產(chǎn)品，將變頻電動機和機床主軸合二為一，實現(xiàn)了機床的零傳動， 尤其在磨床上和雕銑機床上得到了廣泛的應用。對比電主軸與機械主軸，電主軸存在制作成本高，潤滑冷卻裝置復雜，需要控制系統(tǒng)等外圍設備，維護和維修成本高，而機械主軸具有結構簡單成本低，使用配置簡單， 維護和維修成本低，機械主軸得到大量應用。
加工中心機械主軸的高速切削，因切削摩擦而產(chǎn)生大量的切削熱是影響加工中心機床加工精度和表面 質量的主要因素，同時，摩擦熱產(chǎn)生導致切削溫度的升 高，從而加劇了刀具的磨損，縮短刀具的使用壽命。
1 AP1230 加工中心機械主軸簡介
一般的加工中心機械主軸結構，如圖 1 所示，主軸內(nèi)部設計有松拉刀機構，外部設置有同步帶輪傳動機構，傳動方式多是皮帶傳動，即采用普通電動機驅動， 通過電動機帶輪轉動皮帶驅動加工中心主軸同步轉 動，松拉刀機構采用氣缸推動拉桿的方式。這種加工中心機械主軸的傳動方式存在較多的缺點，如傳動不平穩(wěn)，皮帶的振動會影響加工中心機械主軸的正常運轉，影響主軸的加工精度，噪音大，低速重切削時易出現(xiàn)皮帶跳脫打滑問題。另外多級傳動機構造成加工中心機床結構龐大復雜，占用空間大。
現(xiàn)有加工中心機械主軸的冷卻一般解決主軸的自 身溫升，大都采用殼體設計有螺旋冷卻水槽結構，通過 循環(huán)冷卻水降低主軸高速旋轉產(chǎn)生的溫升。對加工工 件銑削部位和刀具產(chǎn)生的熱量，一般通過加工中心機床自帶的冷卻管噴射冷卻液進行冷卻，存在冷卻液的噴射方向單一，在改變加工工件部位和更換不同刀具等工況發(fā)生變化時，冷卻液的噴射卻不會及時自行調整噴射角度和高低等，對正在加工銑削中心部位的冷卻效果大大降低，因切削高溫加劇刀具磨損，縮短使用 壽命，進一步造成工件加工精度的超差。
2 APHZ1230 加工中心機械主軸結構的創(chuàng)新設計
機械主軸主要分為齒輪傳動式、皮帶傳動式和直聯(lián)式 3 種傳動方式。從加工中心高速性能的要求，相比之下只有直聯(lián)式傳動方式符合。直聯(lián)式主軸是由聯(lián) 軸器直接將電動機和主軸單元相聯(lián)，優(yōu)點是省去了中間傳動環(huán)節(jié)，傳輸功率損耗小，可實現(xiàn)高速，且噪音低于皮帶式主軸。
同時，為降低刀具與工件切削產(chǎn)生的熱量，延長加工刀具的使用壽命，從主軸的傳動系統(tǒng)結構和內(nèi)部冷卻結構方面考慮，結合現(xiàn)有的加工中心機械主軸冷卻方式的發(fā)展，在原有加工中心機械主軸的結構基礎上， 設計一種創(chuàng)新型的環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸，主要創(chuàng)新結構有三部分，如圖 2 所示。
2. 1 加工中心機械主軸直聯(lián)式結構設計
為提高加工中心機械主軸的傳動效率，取消傳統(tǒng)的皮帶傳動，在主軸末端采用聯(lián)軸器與驅動電動機軸聯(lián)接的結構，同時保證主軸松刀機構的功能不變，松拉 刀利用加工中心機床打刀臂推動連接體通過連軸銷帶 動拉桿實現(xiàn)松拉刀，傳動更加平穩(wěn)，降低了機床的難度，空間更加緊湊，更具有經(jīng)濟性。
環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸，主要包括由轉軸、前蓋、殼體、連接體、拉桿和連軸銷等主要零部件，轉軸 設計為中空并安裝有拉桿，拉桿芯部設計有軸向氣道， 在轉軸上段設計有 U 形限位徑向通孔并安裝有徑向連軸銷，連軸銷設計為中空有氣道結構，中部與拉桿配合， 兩端與連接體配合，連接體軸向設計為臺階結構，在內(nèi) 部設計有氣道結構，在轉軸末端設計有軸向臺階結構， 配合安裝有聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的輸入端與電動機軸匹配 安裝聯(lián)接。在直聯(lián)結構中，連接體的設計是關鍵，如圖
3 所示，連接體既要在打刀臂的作用下帶動拉桿進行打刀，還要通入空氣吹走主軸換刀時內(nèi)錐中的污物。
連軸銷氣道的進氣道一端與連接體氣道對接，中空出氣道與拉桿中部軸向氣道對接。連接體氣道的進 氣道一端與定位塊出氣道對接，出氣道一端與連軸銷進氣道對接。
加工中心機床啟動后，當電動機處于工作狀態(tài)時， 電動機軸轉動，通過聯(lián)軸器輸出端直接驅動加工中心機械主軸轉軸轉動，需要換刀時，電動機接到信號停止轉動; 同時，加工中心機械主軸也停止轉動，加工中心機床的打刀臂作用在機械主軸連接體臺階面，推動連接體軸向向下移動，同時連接體帶動連軸銷、拉桿和拉刀爪向下移動，拉刀爪進入轉軸空槽后漲開松開刀柄， 實現(xiàn)松刀過程，進行換刀，同時，高壓氣體通過定位塊的氣孔進入連接體氣道，經(jīng)連軸銷和拉桿氣道到達拉桿內(nèi)，在換刀時吹凈轉軸錐孔內(nèi)側壁灰塵。換刀完成后，加工中心機床打刀臂脫離與連接體的接觸，在碟簧的作用力下，拉桿帶動拉刀爪向上移動，拉緊刀柄。
2. 2 加工中心機械主軸環(huán)噴冷卻方式的設計
為提高加工中心機械主軸的冷卻效果，降低加工切削中心部位的溫升，設計一種具有環(huán)噴冷卻結構的前蓋，如圖 5 所示，前蓋由前小蓋和襯圈組成，襯圈與前小蓋過盈熱下組合在一起，前小蓋與襯圈配合部分的外徑設計有環(huán)形冷卻水槽，在前蓋左端設計有軸向進水孔和徑向水道相通，并通到環(huán)形水槽，在前蓋的外 側端面設計有均布的出水孔，配合安裝有可旋轉噴射接頭。
在殼體的螺旋水槽的左端設計水道，與前蓋的進水孔連通。冷卻液體經(jīng)殼體螺旋水槽由殼體水道進入的環(huán)噴前蓋進水孔，到達環(huán)形水槽，然后經(jīng)環(huán)形水槽終由端面出水孔的旋轉噴射接頭噴射出。通過冷卻液環(huán)噴作用，冷卻液始終噴射在刀具和加工工件的切削部位，并不因加工工件部位的改變而降低冷卻效果，刀具切削工件產(chǎn)生熱量的散熱問題得到有效的解決，同時對加工刀具起到了潤滑作用，有效避免積屑瘤的產(chǎn)生，降低刀具的磨損，延長刀具的使用壽命，減少因切削熱變形導致加工精度超差和表面質量降低的因素。
2. 3 加工中心機械主軸氣封結構的設計
加工中心機械主軸必須進行密封設計，主軸在高速運轉的情況下，任何灰塵和冷卻殘液通過縫隙進入軸承內(nèi)部都會引起軸承振動或軸承燒傷，降低軸承壽命，甚至產(chǎn)生軸承咬死現(xiàn)象。
環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸在主軸采取迷宮密封結構和氣密封結構相結合的方式。迷宮結構是主軸前后端設計有前、后密封墊兩個零件，如圖 1 所示，在前、后密封墊兩個零件內(nèi)部挖槽，使其形成迷宮結構， 可防止冷卻殘液和灰塵進入軸承內(nèi)部。前蓋在設計環(huán)噴結構的同時，設計有氣密封結構，在前蓋左端設計有軸向進氣孔和徑向氣道相通，如圖 4 所示，在前蓋通入潔凈的壓縮空氣使其在主軸的徑向表面形成氣環(huán)，同時主軸的徑向表面設計有多道環(huán)形的密封槽，有效地將進入主軸縫隙的冷卻殘液和灰塵吹出，這兩種密封方式的有效結合可防止灰塵和冷卻殘液進入軸承內(nèi)部，大大提高了加工中心機械主軸的可靠性。
3 初步試驗
按照國家有關標準，對環(huán)噴直聯(lián)式加工中心機械主軸進行性能檢測，包括靜態(tài)幾何精度檢測和動態(tài)綜合性能檢測，經(jīng)檢測，各項技術指標均符合國家標準， 主軸高速跑合達到穩(wěn)定溫度時，溫升不大于 20 ℃ ，噪
音不大于 78 dB，振動值不大于 1. 0 mm / s。在加工中心安裝試用，傳動效率和冷卻效果達到中心機械主軸設計要求并滿足機床的使用要求，刀具切削溫升也大幅降低，加工效率也大幅提高。
4 結語
本文所設計的新型加工中心機械主軸主要特征在于: 主軸采用聯(lián)軸器替代皮帶傳動，優(yōu)化了驅動方式，傳動平穩(wěn)，傳動功率大幅提高，在主軸前端采用環(huán)噴和氣 密封一體結構的設計，既降低工件與刀具的溫升，提高 加工精度，延長刀具的使用壽命，又防止加工過程中灰 塵和冷卻殘液進入軸承內(nèi)部，提高主軸的可靠性。加工中心設備結構緊湊，占用空間小，更加具有經(jīng)濟性。
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