主轴系统是机床的核心部件。主轴系统直接决定加工精度。主轴系统影响机床工作效率。主轴系统设计很重要。我们研究主轴系统的设计方法。

主轴系统需要高速旋转。高速旋转产生大量热量。热量让主轴部件膨胀。膨胀改变主轴尺寸。尺寸变化影响加工精度。我们必须控制主轴温升。主轴温升不能太高。我们给主轴设计冷却系统。冷却系统带走热量。常见的有油冷系统。油冷系统用循环油冷却。油在管道里流动。油吸收主轴热量。油流到外部散热器。散热器降低油温。冷油再流回主轴。这样不断循环。主轴温度保持稳定。加工精度得到保证。

主轴旋转需要动力。电机提供动力。电机有两种安装方式。一种电机直接连接主轴。这种叫直驱主轴。直驱主轴结构简单。传动效率很高。但电机发热影响主轴。另一种电机通过皮带传动。电机放在旁边。皮带连接电机和主轴。电机发热不影响主轴。但皮带传动有振动。振动影响加工表面质量。我们根据需求选择方式。高速机床常用直驱主轴。

主轴需要支撑。轴承提供支撑。轴承选择很关键。滚动轴承常用。滚动轴承摩擦力小。滚动轴承转速高。但滚动轴承精度有限。高精度机床用静压轴承。静压轴承用油膜支撑主轴。油膜厚度很均匀。主轴旋转非常平稳。静压轴承精度极高。但静压轴承需要供油系统。供油系统比较复杂。成本也比较高。我们权衡精度和成本。

主轴前端安装工具。工具需要夹紧。夹紧装置要可靠。常见的是弹簧夹头。扳手拧紧夹头。夹头收缩夹住工具。液压夹紧也常用。液压油推动活塞。活塞压紧夹头。液压夹紧力量均匀。夹紧力可以调节。数控机床常用液压夹紧。

主轴系统需要润滑。润滑减少磨损。润滑降低温升。油脂润滑很简单。轴承内部填满油脂。油脂长期不用更换。但油脂散热效果差。油液润滑效果好。油液循环流动。油液带走热量和杂质。油液需要过滤。过滤器清除杂质。清洁油液保护轴承。

主轴系统需要密封。密封防止漏油。密封防止灰尘进入。接触式密封常用橡胶圈。橡胶圈紧贴主轴。橡胶圈成本低。但橡胶圈有磨损。非接触式密封有迷宫密封。迷宫密封有很多曲折通道。油脂和灰尘很难通过。迷宫密封没有磨损。两种密封可以组合使用。

主轴系统需要测量温度。热电偶测量温度。热电偶贴在轴承外圈。温度信号传到控制器。控制器监控温度变化。温度太高就报警。机床停止工作。这样可以防止损坏。

主轴系统需要测量振动。振动传感器测量振动。振动大表示不平衡。振动大表示轴承损坏。振动信号需要分析。我们找出振动原因。然后进行维修。

主轴系统设计考虑刚度。刚度足抵抗变形。切削力会引起变形。变形大影响精度。我们计算切削力大小。我们计算主轴受力变形。我们选择合适的主轴直径。直径大刚度好。但直径大重量大。重量大惯性大。启动停止不方便。我们找到平衡点。

主轴系统设计考虑临界转速。主轴旋转有固有频率。转速接近固有频率时振动很大。这个转速叫临界转速。工作转速必须避开临界转速。我们计算主轴临界转速。我们调整主轴尺寸。我们改变支撑距离。让临界转速高于工作转速。这样避免共振。

主轴系统需要平衡。主轴不平衡会振动。我们进行动平衡。动平衡机测量不平衡量。我们在对应位置去除材料。或者添加配重块。这样主轴旋转平稳。

现代主轴系统有智能功能。主轴内置传感器。传感器监测温度和振动。数据传到电脑。电脑分析主轴状态。电脑预测故障可能性。提前安排维护。这样减少停机时间。

我们设计了一个主轴系统。这个系统用于数控铣床。我们选择了直驱方式。电机型号是XYZ-100。电机功率十千瓦。电机最高转速一万转每分钟。我们选择了静压轴承。静压轴承直径八十毫米。供油压力零点五兆帕。我们设计了油冷系统。油冷系统流量二十升每分钟。油箱容量五十升。我们选择了液压夹紧。夹紧力三千牛。我们安装了热电偶。热电偶监测轴承温度。温度超过七十度报警。我们安装了振动传感器。振动速度超过五毫米每秒报警。我们计算了主轴刚度。主轴前端变形小于五微米。我们计算了临界转速。临界转速一万五千转每分钟。工作转速最高一万转每分钟。工作转速安全。我们进行了动平衡。平衡等级达到G1级。

主轴系统制造完成。我们进行了测试。测试转速从低到高。测试温度数据。温度稳定在六十五度。测试振动数据。振动速度小于三毫米每秒。测试加工精度。加工零件尺寸误差小于八微米。测试结果合格。主轴系统设计成功。

主轴系统设计涉及很多知识。我们需要懂机械原理。我们需要懂材料力学。我们需要懂热力学。我们需要懂流体力学。我们需要懂控制理论。设计过程需要仔细计算。设计过程需要反复修改。制造过程需要精密加工。装配过程需要认真调试。测试过程需要严格记录。一个好的主轴系统需要很多努力。机床行业依赖主轴技术。主轴技术不断进步。未来主轴转速会更高。未来主轴精度会更好。未来主轴更智能。我们继续研究。我们继续改进。我们为制造业做出贡献。