装备制造业的基础在于机床，而加工中心机床集高精度与高效率于一体，同时是产品质量的保证。国际上从上世纪 90 年代后期，将机床主轴作为机床的关键功能部件逐步由机床主机厂分立出来，目前国内

90%以上中主轴产品是中国台湾及其他国外产品。加工中心机床主轴分为电主轴和机械主轴，电主轴是将电动机内置于主轴单元的产品，将变频电动机和机床主轴合二为一，实现了机床的零传动， 尤其在磨床上和雕铣机床上得到了广泛的应用。对比电主轴与机械主轴，电主轴存在制作成本高，润滑冷却装置复杂，需要控制系统等外围设备，维护和维修成本高，而机械主轴具有结构简单成本低，使用配置简单， 维护和维修成本低，机械主轴得到大量应用。

加工中心机械主轴的高速切削，因切削摩擦而产生大量的切削热是影响加工中心机床加工精度和表面 质量的主要因素，同时，摩擦热产生导致切削温度的升 高，从而加剧了刀具的磨损，缩短刀具的使用寿命。

1 AP1230 加工中心机械主轴简介

一般的加工中心机械主轴结构，如图 1 所示，主轴内部设计有松拉刀机构，外部设置有同步带轮传动机构，传动方式多是皮带传动，即采用普通电动机驱动， 通过电动机带轮转动皮带驱动加工中心主轴同步转 动，松拉刀机构采用气缸推动拉杆的方式。这种加工中心机械主轴的传动方式存在较多的缺点，如传动不平稳，皮带的振动会影响加工中心机械主轴的正常运转，影响主轴的加工精度，噪音大，低速重切削时易出现皮带跳脱打滑问题。另外多级传动机构造成加工中心机床结构庞大复杂，占用空间大。

现有加工中心机械主轴的冷却一般解决主轴的自 身温升，大都采用壳体设计有螺旋冷却水槽结构，通过 循环冷却水降低主轴高速旋转产生的温升。对加工工 件铣削部位和刀具产生的热量，一般通过加工中心机床自带的冷却管喷射冷却液进行冷却，存在冷却液的喷射方向单一，在改变加工工件部位和更换不同刀具等工况发生变化时，冷却液的喷射却不会及时自行调整喷射角度和高低等，对正在加工铣削中心部位的冷却效果大大降低，因切削高温加剧刀具磨损，缩短使用 寿命，进一步造成工件加工精度的超差。

2 APHZ1230 加工中心机械主轴结构的创新设计

机械主轴主要分为齿轮传动式、皮带传动式和直联式 3 种传动方式。从加工中心高速性能的要求，相比之下只有直联式传动方式符合。直联式主轴是由联 轴器直接将电动机和主轴单元相联，优点是省去了中间传动环节，传输功率损耗小，可实现高速，且噪音低于皮带式主轴。

同时，为降低刀具与工件切削产生的热量，延长加工刀具的使用寿命，从主轴的传动系统结构和内部冷却结构方面考虑，结合现有的加工中心机械主轴冷却方式的发展，在原有加工中心机械主轴的结构基础上， 设计一种创新型的环喷直联式加工中心机械主轴，主要创新结构有三部分，如图 2 所示。

2. 1 加工中心机械主轴直联式结构设计

为提高加工中心机械主轴的传动效率，取消传统的皮带传动，在主轴末端采用联轴器与驱动电动机轴联接的结构，同时保证主轴松刀机构的功能不变，松拉 刀利用加工中心机床打刀臂推动连接体通过连轴销带 动拉杆实现松拉刀，传动更加平稳，降低了机床的难度，空间更加紧凑，更具有经济性。

环喷直联式加工中心机械主轴，主要包括由转轴、前盖、壳体、连接体、拉杆和连轴销等主要零部件，转轴 设计为中空并安装有拉杆，拉杆芯部设计有轴向气道， 在转轴上段设计有 U 形限位径向通孔并安装有径向连轴销，连轴销设计为中空有气道结构，中部与拉杆配合， 两端与连接体配合，连接体轴向设计为台阶结构，在内 部设计有气道结构，在转轴末端设计有轴向台阶结构， 配合安装有联轴器，联轴器的输入端与电动机轴匹配 安装联接。在直联结构中，连接体的设计是关键，如图

3 所示，连接体既要在打刀臂的作用下带动拉杆进行打刀，还要通入空气吹走主轴换刀时内锥中的污物。

连轴销气道的进气道一端与连接体气道对接，中空出气道与拉杆中部轴向气道对接。连接体气道的进 气道一端与定位块出气道对接，出气道一端与连轴销进气道对接。

加工中心机床启动后，当电动机处于工作状态时， 电动机轴转动，通过联轴器输出端直接驱动加工中心机械主轴转轴转动，需要换刀时，电动机接到信号停止转动; 同时，加工中心机械主轴也停止转动，加工中心机床的打刀臂作用在机械主轴连接体台阶面，推动连接体轴向向下移动，同时连接体带动连轴销、拉杆和拉刀爪向下移动，拉刀爪进入转轴空槽后涨开松开刀柄， 实现松刀过程，进行换刀，同时，高压气体通过定位块的气孔进入连接体气道，经连轴销和拉杆气道到达拉杆内，在换刀时吹净转轴锥孔内侧壁灰尘。换刀完成后，加工中心机床打刀臂脱离与连接体的接触，在碟簧的作用力下，拉杆带动拉刀爪向上移动，拉紧刀柄。

2. 2 加工中心机械主轴环喷冷却方式的设计

为提高加工中心机械主轴的冷却效果，降低加工切削中心部位的温升，设计一种具有环喷冷却结构的前盖，如图 5 所示，前盖由前小盖和衬圈组成，衬圈与前小盖过盈热下组合在一起，前小盖与衬圈配合部分的外径设计有环形冷却水槽，在前盖左端设计有轴向进水孔和径向水道相通，并通到环形水槽，在前盖的外 侧端面设计有均布的出水孔，配合安装有可旋转喷射接头。

在壳体的螺旋水槽的左端设计水道，与前盖的进水孔连通。冷却液体经壳体螺旋水槽由壳体水道进入的环喷前盖进水孔，到达环形水槽，然后经环形水槽最终由端面出水孔的旋转喷射接头喷射出。通过冷却液环喷作用，冷却液始终喷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变而降低冷却效果，刀具切削工件产生热量的散热问题得到有效的解决，同时对加工刀具起到了润滑作用，有效避免积屑瘤的产生，降低刀具的磨损，延长刀具的使用寿命，减少因切削热变形导致加工精度超差和表面质量降低的因素。

2. 3 加工中心机械主轴气封结构的设计

加工中心机械主轴必须进行密封设计，主轴在高速运转的情况下，任何灰尘和冷却残液通过缝隙进入轴承内部都会引起轴承振动或轴承烧伤，降低轴承寿命，甚至产生轴承咬死现象。

环喷直联式加工中心机械主轴在主轴采取迷宫密封结构和气密封结构相结合的方式。迷宫结构是主轴前后端设计有前、后密封垫两个零件，如图 1 所示，在前、后密封垫两个零件内部挖槽，使其形成迷宫结构， 可防止冷却残液和灰尘进入轴承内部。前盖在设计环喷结构的同时，设计有气密封结构，在前盖左端设计有轴向进气孔和径向气道相通，如图 4 所示，在前盖通入洁净的压缩空气使其在主轴的径向表面形成气环，同时主轴的径向表面设计有多道环形的密封槽，有效地将进入主轴缝隙的冷却残液和灰尘吹出，这两种密封方式的有效结合可防止灰尘和冷却残液进入轴承内部，大大提高了加工中心机械主轴的可靠性。

3 初步试验

按照国家有关标准，对环喷直联式加工中心机械主轴进行性能检测，包括静态几何精度检测和动态综合性能检测，经检测，各项技术指标均符合国家标准， 主轴高速跑合达到稳定温度时，温升不大于 20 ℃ ，噪

音不大于 78 dB，振动值不大于 1. 0 mm / s。在加工中心安装试用，传动效率和冷却效果达到中心机械主轴设计要求并满足机床的使用要求，刀具切削温升也大幅降低，加工效率也大幅提高。

4 结语

本文所设计的新型加工中心机械主轴主要特征在于: 主轴采用联轴器替代皮带传动，优化了驱动方式，传动平稳，传动功率大幅提高，在主轴前端采用环喷和气 密封一体结构的设计，既降低工件与刀具的温升，提高 加工精度，延长刀具的使用寿命，又防止加工过程中灰 尘和冷却残液进入轴承内部，提高主轴的可靠性。加工中心设备结构紧凑，占用空间小，更加具有经济性。