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摘要：随着机床行业制造装配水平的不断发展，数控车铣复合立式车床在机械加工中越来越扮演者极其重要的角色，提高加工效率，主轴部件对数控车铣复合切削机床的加工精度起着非常重要的作用，从而使机床的加工能力推动着加工工艺的发展。本文通过数控车铣复合立式车床主轴部件的设计应用研究，对实际的生产有一定的参考价值。
Abstract： With the continuous development of the manufacturing and assembly level of the machine tool industry， CNC turning and milling vertical lathes are playing an increasingly important role in machining， improving processing efficiency， and the machining accuracy of spindle components on CNC turning and milling cutting machine toolsIt plays a very important role， and the processing capability of the machine tool promotes the development of processing technology.This article has a certain reference value for actual production through the design and application research of the spindle components of the CNC turning-milling composite vertical lathe.
关键词：主轴部件;数控复合机床;传动
Key words： spindle parts;CNC compound machine tools;transmission
中图分类号：TG502 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）05-0068-02
0 引言
数控车铣复合立式车床是复合加工机床的一种典型机床，它具有复合的机床的特点，可以经过一次装夹零件进行多种工序的加工，大大的提升了加工效率和加工精度，降低了操作者的工作强度，具体来说，数控车铣复合切削机床很好的结合了立车与龙门铣床的加工特点，并且运用数控技术可以提高自动化程度来实现铣平面，车削回转体零件的表面，实现钻、扩孔等加工。同时具有车、铣、镗等复合功能的车床复合切削机床可以完成大部分的加工工序。目前较为先进的车铣复合车床可以实现五轴联动，其主轴结构也较为复杂，作为机床制造业的高端机床，可以用于生产汽车、航空航天等主要结构形状复杂与精度要求高的零件。
1 立式车铣复合车床的整体结构分析
立式车铣复合车床的整体结构由六部分组成，分别为基础部件、数控系统、主轴部件、进给系统、换刀装置以及辅助设备。基础部分主要指的是床身底座，其强度、刚度、稳定性和吸振性影响了立式车铣复合机床的性能，它承受着加工中心的静态负载和在加工过程中的动态负载。通常，床身是采用铸铁材料的零部件，工艺相对简单，铸铁的刚度较好，而且能够吸振。数控系统是实现自动化加工的核心，作为机床的大脑，往往决定机床加工的性能、稳定性与可靠性，包括了数控装置、伺服系统、PLC等。主轴部件与普通机床不同，立式车铣复合机床综合了车削主轴和铣削主轴的功能。当车削主轴准停锁紧时，可以在确定的角度对工件进行铣削操作，所以车铣复合加工中心可以实现工序集中，减少生产周期。但是，立式车铣复合机床的主轴相对普通的数控主轴有了更为严格的设计要求。进给系统以伺服电机为动力源，通过滚珠丝杠控制车削刀架的进给，因此，较高加工精度的立式车铣复合机床需要使用精度高的丝杠和先进的控制系统。换刀装置可以节约加工过程中的辅助时间，实现加工中心的自动化程度。辅助设备完成冷却，排削的功能，虽然没有直接参与切削，但对提高加工质量起到重大影响。
2 主传动系统的功能要求
车铣复合加工机床有极高的加工准确性及丰富的工作形式，军工、航天、航空等需要车铣复合机床加工其中的复杂以及精度高的零部件。当机床主轴固定，工作台旋转时，工作台则起到了C轴的作用，可以对工件进行铣削。当机床车工件时主轴只做扭转运动，对主轴扭转的位置不进行控制。作为C轴进行铣削加工时，工作台驱动扭矩比较小，但是作为车削运动旋转时，机床需要的驱动扭矩较大。这样，机床就具有更大的调速范围并实现无极调速。
实现C轴功能的方式通常有三种，第一种是电机直接安装在主轴上;第二种是伺服主轴电机经减速器驱动;第三种是用进给伺服电机经减速器驱动，这里设计采用的是第一种，把电机直接安装在主轴上，因为电主轴和电机是接触的，所以电主轴传动比比较小，传动结构之间的误差彻底的消除了，其工件表面的加工精度和质量都会比其他方式或者机床的高很多，其实不仅这些小的零件的加工，包括一些复杂或者体积比较大的零件也可以实现它的功能。 3 立式车铣复合车床主轴部件传动方案的选择
3.1 齿轮传动方式
作为机械传动方式的重要形式一齿轮传动，应用的场合十分广泛，能够实现较大功率的机械运作状态。齿轮传动具有传动效率高、结构紧凑、机械工作寿命长和传动比固定的特点，但是，在实际齿轮制造以及安装要求需要很高的精度导致成本较高，而且传动距离受到限制，不宜有太远距离的跨度。
3.2 带传动方式
带传动也是常见的传动方式，一种典型的挠性传动形式。带轮之间通过传动带实现动力传递。目前主要由两种形式的带传动一平带、V带、多楔带和同步带。带传动相对于齿轮传动，其结构简单、传动平稳和成本低，最为重要的性质它可以缓冲吸振，具有过载保护的功能。而同步带相比于V带，又有类似齿轮的特性，它可以保证固定的传动比，实现定比传动。
3.3 电主轴传动方式
目前机械加工朝着高速切削的方向发展，于是出现-一种较为新型的传动形式，将电机与机床的主轴设计为一体结构，成为独立的电主轴动力系统，电主轴大大降低了主轴结构的复杂程度，主轴作为转子，可以实现高速转动。电主轴相比其他的传动方案，它具有结构简单，质量轻，转动惯量小，动平衡性能较好的特点，可以实现高速切削，可以提高机床的工件加工精度。
3.4 速度刚度型的主轴支承
方案的前支承是三个角接触球轴承，后支承采用双列圆柱滚子轴承。其中两个角接触轴承呈大口朝外的配置，可以承受较大的轴向力，还有一个与其他两个背向布置，可以得到很大的支承跨距，有利于提高抵抗主轴的颠覆力矩的能力和结构刚度。
3.5 主轴支承方案的分析比较与确定
根据对上述的三种支承方案的分析，速度型的支承方式可以满足主轴的高速运转时的工作性能，但是在主轴受热膨胀时会导致轴承卡死，而且角接触球轴承的滚子以点接触，磨损严重，使用寿命较短。刚度型支承方案可以实现机床的较大承载能力，但是其运转速度受到限制。结合前两种方案的速度刚度型具有良好的综合性能，能够在较高承载的情况下，实现高速加工。综上所述，本设计车铣复合加工中心的支承方式采用速度刚度型的支承方案。
4 主轴的润滑与密封装置
车铣复合加工中心在切削时，主轴处于较高的转速状态，会使的主轴部件（尤其主轴轴承）加快磨损和热变形，以致主轴运动的精度严重下降，加工的工件的质量难以达到设计标准。而且，在数控车铣复合立式车床的外部，会有杂质进入主轴部件内部，也会加大零部件的磨损。因此，在主轴的设计中，关于主轴润滑和密封的装置设计是必不可少的。
4.1 主軸的润滑
主轴润滑会减少主轴运转过程中的摩擦，带走热量，降低主轴的磨损和热变形程度。目前，主轴的润滑形式主要利用循环润滑系统，具体有两种形式：油气润滑方式和喷注润滑方式B。油气润滑就是在一定时间间隔给主轴润滑系统添加一定量的油雾。而喷注润滑则是用恒温大流量润滑油对主轴轴承进行润滑，同时对主轴有冷却的功能，降低主轴的热变形，提高主轴的运转时的精度。
4.2 主轴的密封
主轴系统为了运转平稳，降低组件的磨损，往往会使用润滑油以及油脂。然而，为了防止润滑油流失和外界杂物（包括切削液、灰尘和切削等）进入主轴系统中，需要为主轴设计出相应的密封装置。在设计过程中，需要综合考虑主轴的转速、零件空间布局、密封方向和经济性。密封方式分为静密封和动密封，因为主轴在运转工作是处于运动的状态，因此，主要考虑动密封的方式。
动密封主要由两种，即接触式和非接触式。在主轴的高速工作时，非接触式的密封方式更为合理，而在非接触式的密封方式包括迷宫式、离心式、螺旋式、浮环式、全闭式和磁流式。在以上的密封方式中，迷宫式的密封方式主要用于旋转轴上的润滑油的密封，它与其他的密封（毡封和橡胶圈密封）相比，在主轴运转时不易磨损，对主轴的转动不产生影响。迷宫密封的机构有三种。但在一般情况下会联合使用迷宫沟槽或者与其他的密封方式联合配置，会达到更好的密封效果。
5 主轴的材料选择与热处理
主轴的机械性能，包括强度、刚度和稳定性，往往决定于主轴的材料选择和热处理方式。主轴要求具有较好的刚度，在主轴部件的连接处还要有足够的硬度抵抗零件对其的磨损，而且主轴切削时会产生大量的热量，所以要求主轴能够抗热变形。上述的这些性质要求，必须再设计主轴结构时选择好符合要求的材料和热处理方式。
5.1 主轴的材料
数控车铣复合立式车床具有较高的加工精度，这对主轴的刚度要求比较苛刻，而主轴的刚度则取决于使用材料的性能，弹性模量可以很好的描述材料的刚性。因此，要选择弹性模量大的材料制造主轴，钢材作为首选材料，钢材之间的弹性模量差别不大。常用的钢材有优质合金钢，其中45号钢最为典型，对于精度要求较高的主轴可以考虑合金结构钢（比如40Cr）。结合本设计的技术要求选择40Cr作为数控车铣复合立式车床的主轴材料。
5.2 主轴的热处理
数控车铣复合立式车床的主轴在工作运转时，要承受工件重量与主轴的自重，在支撑端要有较高的接触强度和耐磨性。为了提高工件的定位精度，对于轴端面的定位表面要求表面质量高和硬度大。于是可以对主轴进行局部热处理，本设计在上述的材料选择部分已经说明，采用40Cr作为主轴材料。合金结构钢可以经过化学热处理，比如渗碳处理和渗氮处理。
6 结束语
综上所述数控车铣复合立式车床的主轴机械结构设计过程中，需要根据设计要求拟定数控车铣复合立式车床的主轴机械结构方案，并且对于所提出的方案作出客观的评估，结合本设计的自身设计需求再进行结构优化。综合考虑结构、安装简易程度、结构稳定性和达到设计精度的简易程度等方面的因素进行选择，实现最优的设计方案。
参考文献：
[1]王庆利，范春宏，吴丽，等.精密卧式主轴设计研究[J].制造技术与机床，2012（5）：147-149.
[2]魏兴春，冯瑞成，郭俊锋，等.加工中心主轴部件刚度分析[J].组合机床与自动化加工技术，2009（6）：20-21.
[3]卢强，左锋，朱军.数控车床主轴静动态特性研究[J].金属加工：冷加工，2018（01）：55-59.
[4]纪海峰，等.虚拟样机技术在数控加工车床设计研究中的应用[J].农机使用与维修，2017，11（38）：12-13.
[5]白向娟，李积元，苟卫东，等.数控铣床主轴部件综合性能检测技术研究[J].制造业自动化，2018，40（08）：11-15，35.
Abstract： With the continuous development of the manufacturing and assembly level of the machine tool industry， CNC turning and milling vertical lathes are playing an increasingly important role in machining， improving processing efficiency， and the machining accuracy of spindle components on CNC turning and milling cutting machine toolsIt plays a very important role， and the processing capability of the machine tool promotes the development of processing technology.This article has a certain reference value for actual production through the design and application research of the spindle components of the CNC turning-milling composite vertical lathe.
关键词：主轴部件;数控复合机床;传动
Key words： spindle parts;CNC compound machine tools;transmission
中图分类号：TG502 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）05-0068-02
0 引言
数控车铣复合立式车床是复合加工机床的一种典型机床，它具有复合的机床的特点，可以经过一次装夹零件进行多种工序的加工，大大的提升了加工效率和加工精度，降低了操作者的工作强度，具体来说，数控车铣复合切削机床很好的结合了立车与龙门铣床的加工特点，并且运用数控技术可以提高自动化程度来实现铣平面，车削回转体零件的表面，实现钻、扩孔等加工。同时具有车、铣、镗等复合功能的车床复合切削机床可以完成大部分的加工工序。目前较为先进的车铣复合车床可以实现五轴联动，其主轴结构也较为复杂，作为机床制造业的高端机床，可以用于生产汽车、航空航天等主要结构形状复杂与精度要求高的零件。
1 立式车铣复合车床的整体结构分析
立式车铣复合车床的整体结构由六部分组成，分别为基础部件、数控系统、主轴部件、进给系统、换刀装置以及辅助设备。基础部分主要指的是床身底座，其强度、刚度、稳定性和吸振性影响了立式车铣复合机床的性能，它承受着加工中心的静态负载和在加工过程中的动态负载。通常，床身是采用铸铁材料的零部件，工艺相对简单，铸铁的刚度较好，而且能够吸振。数控系统是实现自动化加工的核心，作为机床的大脑，往往决定机床加工的性能、稳定性与可靠性，包括了数控装置、伺服系统、PLC等。主轴部件与普通机床不同，立式车铣复合机床综合了车削主轴和铣削主轴的功能。当车削主轴准停锁紧时，可以在确定的角度对工件进行铣削操作，所以车铣复合加工中心可以实现工序集中，减少生产周期。但是，立式车铣复合机床的主轴相对普通的数控主轴有了更为严格的设计要求。进给系统以伺服电机为动力源，通过滚珠丝杠控制车削刀架的进给，因此，较高加工精度的立式车铣复合机床需要使用精度高的丝杠和先进的控制系统。换刀装置可以节约加工过程中的辅助时间，实现加工中心的自动化程度。辅助设备完成冷却，排削的功能，虽然没有直接参与切削，但对提高加工质量起到重大影响。
2 主传动系统的功能要求
车铣复合加工机床有极高的加工准确性及丰富的工作形式，军工、航天、航空等需要车铣复合机床加工其中的复杂以及精度高的零部件。当机床主轴固定，工作台旋转时，工作台则起到了C轴的作用，可以对工件进行铣削。当机床车工件时主轴只做扭转运动，对主轴扭转的位置不进行控制。作为C轴进行铣削加工时，工作台驱动扭矩比较小，但是作为车削运动旋转时，机床需要的驱动扭矩较大。这样，机床就具有更大的调速范围并实现无极调速。
实现C轴功能的方式通常有三种，第一种是电机直接安装在主轴上;第二种是伺服主轴电机经减速器驱动;第三种是用进给伺服电机经减速器驱动，这里设计采用的是第一种，把电机直接安装在主轴上，因为电主轴和电机是接触的，所以电主轴传动比比较小，传动结构之间的误差彻底的消除了，其工件表面的加工精度和质量都会比其他方式或者机床的高很多，其实不仅这些小的零件的加工，包括一些复杂或者体积比较大的零件也可以实现它的功能。 3 立式车铣复合车床主轴部件传动方案的选择
3.1 齿轮传动方式
作为机械传动方式的重要形式一齿轮传动，应用的场合十分广泛，能够实现较大功率的机械运作状态。齿轮传动具有传动效率高、结构紧凑、机械工作寿命长和传动比固定的特点，但是，在实际齿轮制造以及安装要求需要很高的精度导致成本较高，而且传动距离受到限制，不宜有太远距离的跨度。
3.2 带传动方式
带传动也是常见的传动方式，一种典型的挠性传动形式。带轮之间通过传动带实现动力传递。目前主要由两种形式的带传动一平带、V带、多楔带和同步带。带传动相对于齿轮传动，其结构简单、传动平稳和成本低，最为重要的性质它可以缓冲吸振，具有过载保护的功能。而同步带相比于V带，又有类似齿轮的特性，它可以保证固定的传动比，实现定比传动。
3.3 电主轴传动方式
目前机械加工朝着高速切削的方向发展，于是出现-一种较为新型的传动形式，将电机与机床的主轴设计为一体结构，成为独立的电主轴动力系统，电主轴大大降低了主轴结构的复杂程度，主轴作为转子，可以实现高速转动。电主轴相比其他的传动方案，它具有结构简单，质量轻，转动惯量小，动平衡性能较好的特点，可以实现高速切削，可以提高机床的工件加工精度。
3.4 速度刚度型的主轴支承
方案的前支承是三个角接触球轴承，后支承采用双列圆柱滚子轴承。其中两个角接触轴承呈大口朝外的配置，可以承受较大的轴向力，还有一个与其他两个背向布置，可以得到很大的支承跨距，有利于提高抵抗主轴的颠覆力矩的能力和结构刚度。
3.5 主轴支承方案的分析比较与确定
根据对上述的三种支承方案的分析，速度型的支承方式可以满足主轴的高速运转时的工作性能，但是在主轴受热膨胀时会导致轴承卡死，而且角接触球轴承的滚子以点接触，磨损严重，使用寿命较短。刚度型支承方案可以实现机床的较大承载能力，但是其运转速度受到限制。结合前两种方案的速度刚度型具有良好的综合性能，能够在较高承载的情况下，实现高速加工。综上所述，本设计车铣复合加工中心的支承方式采用速度刚度型的支承方案。
4 主轴的润滑与密封装置
车铣复合加工中心在切削时，主轴处于较高的转速状态，会使的主轴部件（尤其主轴轴承）加快磨损和热变形，以致主轴运动的精度严重下降，加工的工件的质量难以达到设计标准。而且，在数控车铣复合立式车床的外部，会有杂质进入主轴部件内部，也会加大零部件的磨损。因此，在主轴的设计中，关于主轴润滑和密封的装置设计是必不可少的。
4.1 主軸的润滑
主轴润滑会减少主轴运转过程中的摩擦，带走热量，降低主轴的磨损和热变形程度。目前，主轴的润滑形式主要利用循环润滑系统，具体有两种形式：油气润滑方式和喷注润滑方式B。油气润滑就是在一定时间间隔给主轴润滑系统添加一定量的油雾。而喷注润滑则是用恒温大流量润滑油对主轴轴承进行润滑，同时对主轴有冷却的功能，降低主轴的热变形，提高主轴的运转时的精度。
4.2 主轴的密封
主轴系统为了运转平稳，降低组件的磨损，往往会使用润滑油以及油脂。然而，为了防止润滑油流失和外界杂物（包括切削液、灰尘和切削等）进入主轴系统中，需要为主轴设计出相应的密封装置。在设计过程中，需要综合考虑主轴的转速、零件空间布局、密封方向和经济性。密封方式分为静密封和动密封，因为主轴在运转工作是处于运动的状态，因此，主要考虑动密封的方式。
动密封主要由两种，即接触式和非接触式。在主轴的高速工作时，非接触式的密封方式更为合理，而在非接触式的密封方式包括迷宫式、离心式、螺旋式、浮环式、全闭式和磁流式。在以上的密封方式中，迷宫式的密封方式主要用于旋转轴上的润滑油的密封，它与其他的密封（毡封和橡胶圈密封）相比，在主轴运转时不易磨损，对主轴的转动不产生影响。迷宫密封的机构有三种。但在一般情况下会联合使用迷宫沟槽或者与其他的密封方式联合配置，会达到更好的密封效果。
5 主轴的材料选择与热处理
主轴的机械性能，包括强度、刚度和稳定性，往往决定于主轴的材料选择和热处理方式。主轴要求具有较好的刚度，在主轴部件的连接处还要有足够的硬度抵抗零件对其的磨损，而且主轴切削时会产生大量的热量，所以要求主轴能够抗热变形。上述的这些性质要求，必须再设计主轴结构时选择好符合要求的材料和热处理方式。
5.1 主轴的材料
数控车铣复合立式车床具有较高的加工精度，这对主轴的刚度要求比较苛刻，而主轴的刚度则取决于使用材料的性能，弹性模量可以很好的描述材料的刚性。因此，要选择弹性模量大的材料制造主轴，钢材作为首选材料，钢材之间的弹性模量差别不大。常用的钢材有优质合金钢，其中45号钢最为典型，对于精度要求较高的主轴可以考虑合金结构钢（比如40Cr）。结合本设计的技术要求选择40Cr作为数控车铣复合立式车床的主轴材料。
5.2 主轴的热处理
数控车铣复合立式车床的主轴在工作运转时，要承受工件重量与主轴的自重，在支撑端要有较高的接触强度和耐磨性。为了提高工件的定位精度，对于轴端面的定位表面要求表面质量高和硬度大。于是可以对主轴进行局部热处理，本设计在上述的材料选择部分已经说明，采用40Cr作为主轴材料。合金结构钢可以经过化学热处理，比如渗碳处理和渗氮处理。
6 结束语
综上所述数控车铣复合立式车床的主轴机械结构设计过程中，需要根据设计要求拟定数控车铣复合立式车床的主轴机械结构方案，并且对于所提出的方案作出客观的评估，结合本设计的自身设计需求再进行结构优化。综合考虑结构、安装简易程度、结构稳定性和达到设计精度的简易程度等方面的因素进行选择，实现最优的设计方案。
参考文献：
[1]王庆利，范春宏，吴丽，等.精密卧式主轴设计研究[J].制造技术与机床，2012（5）：147-149.
[2]魏兴春，冯瑞成，郭俊锋，等.加工中心主轴部件刚度分析[J].组合机床与自动化加工技术，2009（6）：20-21.
[3]卢强，左锋，朱军.数控车床主轴静动态特性研究[J].金属加工：冷加工，2018（01）：55-59.
[4]纪海峰，等.虚拟样机技术在数控加工车床设计研究中的应用[J].农机使用与维修，2017，11（38）：12-13.
[5]白向娟，李积元，苟卫东，等.数控铣床主轴部件综合性能检测技术研究[J].制造业自动化，2018，40（08）：11-15，35.