卧式镗铣加工中心主轴部分设计研究
2026-5-18 来源：齐齐哈尔工程学院 作者：汝晓艳，郝岩利，谢伟东，付川川，冯春凤
【摘要】作为机床设计中一个较为核心的部件，卧式镗铣加工中心主轴的工作性能会直接影响到机床的性能，因此，在对其进行设计时，要考虑刚度、精度以及稳定性，回转精度等这些因素，还要考虑抗震和热变形等方面。通过以卧式镗铣加工中心主轴传动部分设计为例，详细阐述主轴的结构设计和它的理论计算，并通过机床样机进行测试，以验证主轴设计的合理性和计算过程的正确性。
关键词：工业设计；卧式镗铣加工中心；主轴传动
1、 产品概述
卧式镗铣加工中心主要是针对矿山、船舶和航天事业等这些重要的行业而开展的，其设计宗旨是将零件单机完工作为主要目的，以最大限度改善机床设计中不同零件的加工和配合能力。在机床设计中，有时为了功能效果会自动切换刀机系统，比如车和铣主轴等大部分是采用较大功率的电主轴进行的驱动，在对工件做一次统一的装卡调整之后，会综合利用多轴联动这一功能完成零件倾斜部位以及一些较为复杂的曲面空间的设计加工，这样可以最大限度地提高作业流程的工作效率和工作精度。
2 、新技术的应用情况
对现代数控机床而言，其主要特征是具有更加高速高精度以及高动态性的特征，而沈阳机床对重型卧式镗铣加工中心的动态性能研究，则一直走在行业前列[1]。为开展快速而有效的研究，国内外不少机床动态特性的测试都争相媲美，争相借鉴，将机床整机仿真分析进行全方位学习提升，为高档数控机床性能评估的完善，以及结构优化的完善贡献力量，为卧式镗铣加工中心更进一步的优化可以针对现有的机床原型构建更加完善的机床动力学模型，提升其主要部件在实践中的应用功效。
2.1 高刚性高定位精度B轴技术
主轴后端装有直接反馈精密啮合，保证了 B 轴的分度精度，与机械 B轴相比，主要有以下优点：一是减少了齿轮链条，二是利用电机结构扭矩代替原来的齿轮设计，可以提高工作效率等[2]。B 轴驱动，主要是以在主轴上安装的高扭矩和高可靠性的矩电机一起组合起来的，它的外圈设计也主要是有水套的功能，这一功能可以保证力矩电机整体上的循环冷却处于正常的水平，这样可以达到控制综合操作的目的。B轴温升，主轴旋转时，转台轴承靠在旋转支架上。同时，在保持 B 轴的扭矩不变这个情况下，也会进一步提高系统的传动效率，实现快速响应。机床主轴采用高速可靠的内装电机，有利于实现直接驱动，以保证工件任意角度定位进行铣、钻加工时的锁紧刚性。镗铣加工中心副主轴锁紧装置改进为滑块锁紧，床身加高更改内部筋型，B轴三齿盘锁紧机构由外布置改为内布置结构[3]。第二主轴锁紧原为液压压板布置在床身内侧，其结构如图1、图2所示。
图1 对前床身的结构进行改进
图2 对后床身结构进行改进
原来的 B 轴分度锁定机构也将位于执行器的外部。暴露的系统容易受到石油和天然气污染和腐蚀。同时，当原来的铣头被机构完全变形时，锁定角度会导致精度不能很好地保持，一旦出现误差。此升级还集成了锁定机构，因此可以完全定位在 B 轴箱内并靠近铣头，用 B 轴对整体进行保护，通过锁紧机构的使用提升其精度和寿命[4]。
2.2 卧式镗铣加工中心动态性能测试及拓扑优化
通过对卧式镗铣加工中心全流程的动态性能研究，借鉴国内外机床动态特性测试方法，加强机床仿真分析研究，最终导致数控机床整体性能的更高提升。本文在现有的一些机床样机的基础上建立了机床动力学模型，进行综合分析计算，并对机床主要部件进行进一步的设计优化和改进，促进卧式镗铣加工中心优化升级。
（1）模态测试。
对卧式镗铣加工中心优化升级的研究中，将综合模态分析方法应用其中，用模态试验的结果进一步去验证和校正其所实验的模态仿真设置。由于在模态仿真中需要设置模型的材料参数、边界条件和结合面部件等效参数，变量较多，各变量对仿真结果的影响机理较为复杂[5]。
（2）立柱轻量化。
通过优化升级机床立柱箱体的整体结构，如图 3 所示，将机床的箱体结构改造成开放式的结构。例如，对其垂直横筋做更好的修改，比如改为开放式的，还可以修改成更加稳定的结构——斜交叉肋，这样可以增加整体的稳定性和美观度。
图3 轻量化立柱结构与剖视图
通过以上剖析图可以看出，在立柱结构中，机床模型的模态仿真程度最高，这种模型的设置参数需要做进一步调整，调整成和原来的机床原仿真模型一样的结构，这样就可以将原模型进行改良，将其立柱结构替换成更适合的机床结构，这样可以在操作中更好地起到作用。
（3）铣主轴结构优化。
在固有的频率较低的说明结构的铣主轴结构中，因为其承载质量较大，会影响到其转速，因此要想法提高结构的刚度或对结构承载质量进行降低，这样可以提高机床固有频率，提高其工作效率[6]。根据对设计对象的完善性研究，机床的铣主轴长度有时仅有 350mm，这样可以更好地节省空间，有利于机床的动态性发挥。
（4）结构拓扑优化。
在 HTM3150iy 床鞍结构的设计中，通过完善尺寸，如图4所示。借助Isight软件建立RBF近似模型，并根据所建立的 RBF 近似模型，基于帕累托法则，得到输入输出的帕累托图。利用RBF近似模型进行优化分析，借助优化算法，得到最优解，为了方便铸造，对尺寸进行一定的改进[7]。并基于原始有限元模型，将设计尺寸改为优化改进后的尺寸，并且降低了机床床鞍最大变形量，且结构的静动态特性有所加强，因此该尺寸优化改进是可行的。
图4 HTM3150iy床鞍结构
3 、成果应用及推广情况
通过对HTM系列卧式镗铣加工中心进行研究，在实践推广中可以进一步引入机床结构优化技术和热变形误差补偿技术等，也可以对卧式数控加工设备的研发，以及在生产中提出较为重要的参考要求和指导标准。
在对卧式加工机床实行生产装配中，技术工人要对机床刀架在主轴中所放的位置提出更加精准的要求，由于卧式镗铣加工中大多运用双刀架，其可能会对位置的精度要求更好一些，因此合理安排卧式加工设备装配工艺，可以进一步保证卧式机床的精度要求，使其更新换代到具有国际先进水平的状态。在对卧式镗铣加工产品研发和产品生产过程中，要不断增强与用户之间的联系程度，多参考几个针对卧式镗铣加工中心的典型案例，也可以进一步掌握先进的加工工艺和优化的用户群体，同时要更加努力地开拓市场，进一步明确市场需求，拓展市场空间，在产品设计中始终要把用户的需求放在重要位置，作为生产的第一考量因素，可以更长久地解决销售终端和一些其他问题，以促使卧式镗铣加工产业化的目标可以得到很好的实现。
4、 结束语
综上所述，本文详细探讨了卧式镗铣加工中心主轴部分的设计及其对整体机床性能的影响，研究重点在于提高机床的刚度，精度与稳定性。论文对主轴结构进行了改进优化，切实提升了工作效率，提高了加工质量，实现高速高精度加工。实践中可引入新技术，如高刚性高定位精度 B 轴技术，并对卧式镗铣加工中心动态性能进行拓扑优化，从而大幅提升机床的整体性能。未来的研究将继续关注机床性能的进一步提升，特别是动态性能、热变形控制和自动化方面。
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如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
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