论述卧式机床主轴组件的优化设计
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【摘 要】数控机床技术是现代生产信息化、自动化发展过程的必然产物，数控机床技术有力的提高了关键生领域内的生产效率。然而，数控机床各项组件中最为关键的部件就是主轴部件，机床中主轴部件动态性能的好坏会直接影响到整个数控机床对于产品进行加工的性能的质量。本文章通过对选用弹簧的阻尼单元进行模拟轴承的约束实验，分析论述了如何优化数控机床主轴组件的优化设计问题。
0.引言
数控机床技术在日常生产过程中，极大的提高了工厂企业的工作生产效率，解放了广大职工的双手，但是为了进一步地提高数控机床加工技术重要关键部件设计的可靠性和安全性，一般而言，加工设计人员在进行关键部位的部件产品设计的具体过程中，会对所有产品的性能要进行必要的评价，从而更近一步地对其进行一定的设计改进。数控机床中的关键部件就是主轴部件，主轴部件的动态性能好与坏直接影响着数控机床加工性能的优劣，所以说对主轴部件的动态特性进行一定的理论分析和研究具有着不可低估的现实指导意义。
1.关于卧式机床技术理论的分析
在我国国内，近年来关于数控机床技术中卧式机床理论的研究还比较少，一些先进的理论技术经常是被国外所垄断的。因此，加快我国的数控人才培养和理论建设迫在眉睫。
目前，国内普遍应用的一套卧式数控车床技术就是BW60HS系列车床高速加工技术。而这套车床加工技术的设计、制造、维修技术及工具以及应用技术都完全来源于德国，机床部的一些关键零部件（如：电主轴、数控转台、滚珠丝杠、线性导轨、轴承、绝对式光栅尺测量系统、液压系统、系统、气动系统、数控系统及驱动控制系统、刀库等）均采用德国进口的一些国际知名品牌。BW60H系列高速卧式加工中心，具有高速度、高精度、高效率以及高可靠性的特点，是目前国内乃至国际上都遥遥领先的现代化数控机床技术，其技术用用极其广泛，它能够应用于仪表、摩托车、液压件、汽车、模具、航空等行业领域，更是加工箱体、壳体、阀体、连杆类零部件加工以及轴类零件端面加工的理想加工设备。
2.卧式机床主轴组件技术性能分析
2.1主轴部件横态性能分析
对于主轴部件的横态分析应结合所有能体现整个主轴部件的振动特性每一个阶的模态振型来进行展开。在开展这一项工作的时候，要求工作人员具备相当高的专业技术水准。对于每一步的技术操作都要求精确严密。因此，我们可以采取限制每一个弹簧外侧的硬点所有自由度的技术方式，通过对整个主轴部件进一步地采取模态分析的专业步骤来进行，这样的话，我们就可以得出主轴部件所有阶的无阻尼自由振动振型和固有频率。
2.2主轴部件有限元模型的建立
德国的BW60HS 系列高速卧式加工中心的主轴组件主要包括同步带轮、传动皮带轮、主轴、液压卡盘和锁紧螺母。弹簧的建模步骤第一步就是在轴承的外圈建立4个相对比较均布的关键点位，然后再在内圈的具置再建立4个硬点位，连接这两个相应的硬点和关键点。第二步就是把这些链接直线划分成为不同的弹簧单元。在整个模型中通常都是在前支撑设有4根径向的弹簧，后支撑设计4根径向的弹簧，在前支撑一般都会设有4根轴向的弹簧，主要是用于模拟角的接触球轴承所承受的轴向力，所以共计就是12根弹簧。第三步再输入整个主轴部件材料的相关属性，这其中钢材料结构有液压卡盘、液压油缸和主轴，而皮带轮的材料一般都是选用铸铁即可。
3.数控机床技术对卧式机床主轴组件的技术要求
对主轴及其组件的基本要求有很多，如旋转精度、刚度、精度保持性、耐磨性、抗震性、温升和热变形等等，本文仅仅就其中的旋转精度和刚度进行一下技术分析。
3.1旋转精度
主轴部件在工作过程中的旋转精度的准确性，是对卧式数控机床生产出合格产品的硬性技术要求，主轴部件设计工作者要格外重视设计工作过程中的旋转精度问题，务必保证设计出来的产品，符合各项技术指标的要求。旋转精度主要取决于主轴、支承轴承、主轴箱上轴承孔等的制造、装配和调整精度。显然，若要保证主轴组件的旋转精度，则必然对主轴支承轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及其上的回转零件的动平衡度、止推轴承的滚道及滚动体的误差以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提高较高的整体要求。
3.2刚度
考察研究卧式机床主轴部件的刚度情况，可以很好地了解整个机床工作过程中的各项技术参数，为保持整个车床稳定健康的工作状态有着极其重要的影响。在进行此项技术操作的过程中，工作人员应该充分把握好实施力度，做到精确、精准、精细。
主轴组件的刚度，实际上是主轴轴承轴承座孔等的综合反映，主轴自身的结构形状和尺寸、滚动轴承的配置形式、背靠背，面对面，同向，混合等，数量，类型，预紧等都将直接影响其刚度，为了保证足够的刚度，通常尽量使主轴前端的悬伸量缩短，主轴直径增大，并通过计算求出支承轴承间的最佳跨距，进行预紧，采用合理的轴承及其相应的配置形式等措施，然而尽管如此，如果以上因素中的任和一项因素发生变化或者工作情况不合理，那么这也都将必然导致对产品进行加工的质量水平的下降，从而影响产品的整体合格率。
4.关于主轴部件实验的研究
4.1激振试验结果分析
根据主轴部件的正弦激振的结果，我们可以得出曲线为十振点在外加了10N的激力的共同作用之下的速度响应曲线。数据表明在320Hz～410Hz之间共出现了3个小峰值，出现这种情况的原因可能是因为机床的前支撑轴承预紧出现了间隙，理论上应该出现的是一个大峰值，对应整个主轴前端的液压卡盘的摆动。参考波峰两边的曲线具体走向，一阶的共振频率一般都在400Hz左右，而10N激振力的共同作用之下的响应是35dB，0dB所对应的振动具体速度值是0.1mm/s。这个时段，动柔度：动刚度：F/D=5.528N/μm；D/F=0.1809μm/N。
4.2有限元分析结果验证
在对主轴部件进行检验试验工作过程中，设计工作人员通过对部件有限元的分析，研究了弹簧的阻尼单元的整体分布方式对整个分析结果的影响力和影响效果。建立了部件和主轴的有限元模型。通过选用弹簧的阻尼单元进行模拟轴承部分的约束，进一步分析了BW60HS系列高速卧式加工中心的主轴部件的动态特性；结合其动态激振试验，模态分析的所有阶试验值和固有频率值都比较接近，误差有效地控制在了10%之内，谐响应分析中前两阶动刚度值是和试验相吻合的，误差还不到5%，从而验证了有限元分析结果的准确性。
5.结语
综上所述，通过对数控机床技术中的卧式机床主轴组件的优化设计技术的讨论分析，可以很清楚的看到，主轴组件的优化设计研究工作对于提高机床整体运行效果和安全性有这极其重要的客观性作用。因此，对于如何做好主轴部件的优化设计工作，对于目前国内的设计人员来说，是一个非常值得深思的课题。
【参考文献】
[1]吴玉厚著.数控机床电主轴单元技术[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]张珂，佟俊，吴玉厚.陶瓷轴承电主轴的模态分析及其动态性能实验[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2008（3）.