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裝備制造業的基礎在于機床，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

90%以上中高端主軸產品是中國臺灣及其他國外產品。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置于主軸單元的高新技術產品，將變頻電動機和機床主軸合二為一，實現了機床的零傳動，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，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。

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現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，通過循環冷卻水降低主軸高速旋轉產生的溫升。對加工工件銑削部位和刀具產生的熱量，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新設計

機械主軸主要分為齒輪傳動式、皮帶傳動式和直聯式 3 種傳動方式。從加工中心高速性能的要求，相比之下只有直聯式傳動方式符合。直聯式主軸是由聯軸器直接將電動機和主軸單元相聯，優點是省去了中間傳動環節，傳輸功率損耗小，可實現高速，且噪音低于皮帶式主軸。

同時，為降低刀具與工件切削產生的熱量，延長加工刀具的使用壽命，從主軸的傳動系統結構和內部冷卻結構方面考慮，結合現有的加工中心機械主軸冷卻方式的發展，在原有加工中心機械主軸的結構基礎上，設計一種創新型的環噴直聯式加工中心機械主軸，主要創新結構有三部分，如圖 2 所示。

2. 1 加工中心機械主軸直聯式結構設計

為提高加工中心機械主軸的傳動效率，取消傳統的皮帶傳動，在主軸末端采用聯軸器與驅動電動機軸聯接的結構，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松拉刀，傳動更加平穩，降低了機床的難度，空間更加緊湊，更具有經濟性。

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環噴直聯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，配合安裝有聯軸器，聯軸器的輸入端與電動機軸匹配安裝聯接。在直聯結構中，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錐中的污物。

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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。

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加工中心機床啟動后，當電動機處于工作狀態時，電動機軸轉動，通過聯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，經連軸銷和拉桿氣道到達拉桿內，在換刀時吹凈轉軸錐孔內側壁灰塵。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。冷卻液體經殼體螺旋水槽由殼體水道進入的環噴前蓋進水孔，到達環形水槽，然后經環形水槽最終由端面出水孔的旋轉噴射接頭噴射出。通過冷卻液環噴作用，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。

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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部都會引起軸承振動或軸承燒傷，降低軸承壽命，甚至產生軸承咬死現象。

環噴直聯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部。前蓋在設計環噴結構的同時，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，同時主軸的徑向表面設計有多道環形的密封槽，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，對環噴直聯式加工中心機械主軸進行性能檢測，包括靜態幾何精度檢測和動態綜合性能檢測，經檢測，各項技術指標均符合國家標準，主軸高速跑合達到穩定溫度時，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: 主軸采用聯軸器替代皮帶傳動，優化了驅動方式，傳動平穩，傳動功率大幅提高，在主軸前端采用環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，更加具有經濟性。

加工中心機械主軸結構的新設計

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