铣磨机主轴优化设计分析
2018-1-19 来源：畅河南工业职业 畅河南中 畅南阳建设 作者：刘旸 高志华 徐树青 赵华清
摘要： 以光学铣磨机主轴加工、装配和维修为例， 介绍加工、使用过程中所遇到的主要问题。依据长期维修跟踪， 得出更优化、更简单的解决办法， 使得铣磨机主轴方便制造、使用和减少维修， 降低成本， 提高效率等方面， 都有很大的提高。
关键词： 主轴； 加工成本； 精度； 生产周期
自２０ 世纪８０ 年代以来， 全球光电科学技术迅猛发展与进步， 我国光学产品的加工设备研发也随之发展起来。光学产品的精度要求越来越高， 加工光学产品的加工机床精度也必然要得到提高， 这就涉及到此类机床设备的关键零部件的加工和装配精度的问题。其中， 光学加工机床铣磨机的核心部件———高速旋转主轴， 其加工、装配、使用寿命、维修在很大程度上对主轴精度都有很大的影响。
在光学行业所用的加工机床中， 高速旋转主轴的精度是该类机床的一个重要技术指标。其中， 光学铣磨机主轴转速高达９ ０００～１２ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 要保证主轴高速旋转的精度， 首先要保证各个关键零件的精度； 其次， 也是人们常常容易忽略的， 主轴的装配。关键点就是要保证主轴、主轴轴承座等零件的形位公差—同轴度、垂直度， 以及轴承安装部位局部尺寸公差等； 再加上合理的装配工艺， 才可以保证主轴部件的装配精度。
现就光学铣磨机主轴的加工、装配、维修过程中所出现的问题， 对如何保证高精度主轴高速旋转的精度和使用寿命等相关问题， 进行探讨和研究。具体对现有的加工、装配工艺方法进行介绍和对比， 以期得到更优化、更经济、精度更高的加工装配工艺和维修方法。
1 、现在的加工工艺和装配方法
主要部件主轴、主轴轴承座以及主轴装配图如图１—３。以下是零部件部分尺寸设计、装配要点。
图１ 主轴
图２ 主轴轴承座
图３ 主轴部件
主轴和主轴轴承座安装轴承位置的尺寸公差、形位公差比较高， 目的要保证装配后主轴的转速达到９０００、１２ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 并且运转要灵活平稳， 不应有不正常的尖叫声和不规则的冲击声； 在主轴轴承达到稳定温度时， 其温度和温升应符合机床规定的技术要求； 主轴的径向跳动和轴向窜动应符合机床精度标准的规定和图纸要求。
为达到以上要求和装配的方便， 主轴和主轴轴承座的局部尺寸公差和形位公差标准比较严格， 主轴尺寸公差在ＩＴ３ 级以上， 主轴轴承座的尺寸公差为ＩＴ３级； 同轴度公差在ＩＴ４ 级左右。这使得零件的加工难度增加， 不利于加工， 加工成本增大。
轴承的选用： （１） 选用国产７２０５Ｃ 级（Ｐ４） 轴承， 要求是正规大厂生产的， 比如洛阳轴承研究所；轴承价位１１５ 元／套， 若要求配对， 要加价２０％左右；四套轴承， 或两两配对的， 价格在４６０～５８０ 元。（２）也可选用进口轴承７２０５Ｄ 级（Ｐ５） 来替代国产轴承；配对好的， 一对大约４００ 元， 两对大概８００ 元左右。并配磨轴承内、外隔圈。
以上是主轴零部件加工、装配过程中必须要做到的， 目的是为了保证主轴部件的装配精度。
在实际的生产中， 大概有４ ～５ 年， 此类加工、装配的缺点是：
（１） 加工难度和加工成本成倍增加；
（２） 设备精度不稳定， 用过一段时间后， 调节比较频繁， 影响设备的有效使用率； （３） 装配效果比预想的要差些， 转动噪声和温升偏大， 维修次数较多。
2、第一次改进优化设计
在现有的零部件设计、加工、装配基础上， 近７年来， 根据实际工作中遇到的各类问题， 通过多次的整改、优化设计、维修， 得出以下比较系统的、成熟的零部件设计方案。
具体的解决方案是：
（１） 改变和轴承内、外圈相配套的主轴和主轴轴承座的公差配合， 把其中过度或过盈配合变为滑动配合———间隙配合。具体要求： 装配零件清洗干净，涂抹润滑脂后， 轴承内、外圈分别可以用手用力推或橡皮锤轻敲， 即可顺利完成和主轴、主轴轴承座的装配。
（２） 此铣磨机的床身， 质量大约３８０ ｋｇ， 材料为ＨＴ２００， 是该设备最大的零件， 占该设备总质量的３／５ 以上， 还是该设备所有零部件装配的基础件， 在加工前一定要经过严格的时效处理。最好是自然失效， 虽然时间长， 资金占用偏大， 但加工、装配后效果好， 装配使用过程精度稳定不变； 若采用人工时效回火， 时间虽然比较短， 但在加工过程中， 不能在一个工厂、一个车间、一台机床上加工完毕， 一定要尽可能拉长床身各个工序间的加工地点和时间， 最大限度地消除铸件的应力， 使得最终精加工后的尺寸精度保持稳定不变。
（３） 选用７２０５Ｐ５ 级进口轴承， 配对好的， 替代国产的７２０５ Ｐ４ 级轴承。根据配对轴承标示的游隙值， 配磨轴承内、外隔圈， 以保证配对轴承内外圈间隙的一致性， 为调节主轴前后轴承的间隙做准备。
（４） 润滑脂选用国产的白色特种润滑脂， ８００ ｇ，价格４０ 元上下。也可选用进口的润滑脂， 价格大概是此种润滑脂的８～９ 倍。没特殊要求， 不推荐使用。根据近几年的具体实施， 做到以上４ 点， 就可以保证合格的零件装配后， 达到设计的技术指标， 保证有良好使用效果， 基本避免前面所说的生产装配后的三大缺点。
3、铣磨机主轴部件改用外购的电主轴
该设备零件数量偏多， 绝大部分零件体积比较小， 部分零件加工精度又比较高， 加工和装配费时费工， 这些都大大增加了设备的成本， 延长了整机的生产周期。
一般来讲， 现在与客户签订的合同要求的交货期都比较短， 此时对于及时交货来说， 成本稍高点倒是次要的， 加工周期倒是急需解决的第一难题， 比较长的加工周期不利于在多变的市场中赢得客户。
具体针对铣磨机主轴部件来说， 高精度的零件，加工精度高， 加工周期长， 加工成本高； 另外， 该部件零件数量比较多， 加工时间和周期自然就比较长。由图３ 可以看到： 自制件有１５ 个品种， 除了轴承内、外隔圈， 都为单件， 不利于组织生产， 并且部分零件的精度要求较高； ２ 个常用件， 主轴轴承（两对共四套Ｐ５ 级进口轴承） 和弹簧需外购。
另外， 带动主轴旋转的部件和相关附件， 自制件共有９ 个品种， 组装、固定后， 用来固定、调整和保护电机（ＹＳ８０１２）。并由电机带轮增速４ 倍左右， 所以电机带轮直径偏大， 须选用铸铝材料， 并且要作动平衡试验。
以上直接成本合计２ ３００～２ ４００ 元， 且不包含人工的装配调试成本。其中装配中所用到的各种标准件暂忽略不计。
近十多年来， 电主轴发展迅速， 各项技术性能指标也日趋完善， 这也为选择电主轴准备了相应可靠的物质基础。在此基础上， 通过反复调研、对比多个厂家、多个品种的产品性能指标， 定做和主轴轴承座外部尺寸相符合、技术指标相当的或更高的电主轴， 价格每套在２ ７００ 多元（当然价格低的有一千多元多的， 高的有四、五千元的）； 功率选１畅５ ｋＷ， 原设计的带动电机ＹＳ８０１２ 功率０畅７５ ｋＷ， 功率应该足够。现在， 去掉铣磨机原设计主轴， 换上外购的电主轴， 已经陆续在近１０ 台铣磨机上试用， 时间近两年，使用一切正常， 还没出现意外的问题， 效果还算满意。
更换为电主轴后， 直接成本增加３００ ～４００ 元，加工周期基本就变为外购周期， 时间更短、更省心，省去了主轴加工、装配（铣磨机的加工装配中的重点和难点）， 电机支架的加工、安装等； 加工和装配周期的时间节约在９５％ 以上， 能更好地和快速变化的市场对接。随着时间的推移、实践的检验， 电主轴的设计采用应该是一种很好的设计思路和方法。
4、 结论
从以上３ 种方法使用效果来看， 主轴的优化设计是一种成熟的加工装配， 解决了绝大多数问题， 目前应用最广泛； 电主轴的采用， 省去了大量繁琐的工作， 加工装配周期优势特别明显， 是很值得推广的一种思路和方法。
在现代工业化的社会中， 分工会更细化， 做好、做精某一个或某一项工作才是未来的发展方向， 协调、利用好社会上的各种优势资源， 为我所用， 应该是一种好的思路和发展方向。不能小而全， 那样只会增加时间和成本， 不利于工作的开展和推进， 也不可能在工业化社会中长期立足。
推而广之， 在现代的工业化生产中， 机床的生产和维修， 要尽可能地去选用专业厂家已有的、现成的、成熟的零部件， 利用别人的优势， 其结果往往是事半功倍。不要每样东西都立足自己加工制造， 费时费工， 效果还未必好。
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