【正文】 主軸組件是機床的重要組成部分之一。主軸組件通常由主軸、軸承和安裝在主軸上的傳動件等組成。車床工作時，由主軸夾持著工件直接參加表面成形運動。所以主軸組件的工作性能，對加工質(zhì)量和機床生產(chǎn)率有重要影響。 對車床主軸組件的要求，和一般傳動軸組件有共同之處，就是都要在一定的轉(zhuǎn)速下傳遞一定的扭矩；都要保證軸上的傳動件和軸承正常的工作條件。但是主軸又是直接帶著工件進行切削的，機床的加工質(zhì)量，在很大程度上要靠主軸組件保證。因此，對于主軸組件，又有許多特殊要求。 旋轉(zhuǎn)精度 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，是指裝配后，在無載荷、 低速轉(zhuǎn)動（用手轉(zhuǎn)動或低速機動轉(zhuǎn)動１的條件下，主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動值。 當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，與低速時相比，其旋轉(zhuǎn)精度有所不同。這個差異，對于精密和高精度機床是不能忽略的。這時，還應(yīng)測定它在工作轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)時的 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度決定于組件中各主要零部件如主軸、軸承等的制造精度和裝配、調(diào)整精度。運動精度則還決定于主軸轉(zhuǎn)速、軸承的設(shè)計和性能以及主軸組件的平衡。 靜剛度 靜剛度或簡稱剛度，反映了機床或部、組、零件抵抗靜態(tài)外載荷的能力。主軸組件的彎曲剛度 K，定義為使主軸前端產(chǎn)生單 位位移，在位移方向所需施加的力。 K=P/δ （ N/μ m） 影響主軸彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量和配置形式及預(yù)緊，滑動軸承的型式和油膜剛度，前后支承的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的卻置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。目前對主軸組件的彎曲剛度標(biāo)準(zhǔn)尚無統(tǒng)一規(guī)定。 第頁共 34 頁 抗振性 工件的振動會影響工件的表面質(zhì)量、刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會產(chǎn)生噪聲，影響工作環(huán)境。如果發(fā)生切削自激振動，將嚴(yán)重影響加工質(zhì)量，甚至可能使切削無法進行下去。 影響抗振性的主要因素是主軸組件的靜剛度 、質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前軸承的阻尼）。主軸的固有頻率應(yīng)遠大于激振力的頻率，使它不易發(fā)生共振。 熱變形 主軸組件的熱變形使主軸伸長，使軸承的間隙發(fā)生變化。如果主軸軸承是滑動軸承，則溫升使?jié)櫥偷恼扯认陆?，從而降低軸承的承載能力。溫度使主軸箱發(fā)生熱膨脹，使主軸偏離正確位置。如果前、后軸承溫升不同，還將使主軸傾斜。 由于受熱膨脹是材料的固有性質(zhì)，因此高精度機床如加工中心等要進一步提高加工精度，往往受到熱變形的限制。 耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便能長期保持精度。磨損后對精度有影 響的部位首先是軸承，其次是安裝夾具、或工件的部位如錐孔等。如果主軸裝有滾動軸承，則支承處的耐磨性決定于滾動軸承，與軸頸無關(guān)。如果裝有滑動軸承，則軸頸的耐磨性對精度的保持影響很大。為了提高耐磨性，一般機床的上述部位應(yīng)淬硬至 HRC60 左右，深約 1mm。常用高頻淬火。 車床主軸常用滾動軸承 軸承選型 主軸滾動軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響主軸組件的工作性能。 滾動軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤滑維護簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動范圍下穩(wěn)定工作，在數(shù)控機床上廣泛采用。但與滑動軸承相比，滾動軸承噪音大，滾動體數(shù)目有限，剛度是變化的，抗振性略差并且對轉(zhuǎn)速有很大限制。數(shù)控機床主軸組件在可能的條件下，盡量使用滾動軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠作軸向移動的主軸。這時因滾動軸承可以用潤滑脂潤滑以 第頁共 34 頁 免漏油。滾動軸承根據(jù)滾動體的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類。 主軸支承分徑向和推力支承。角接觸軸承包括角接觸球軸承和圓錐滾子軸承，兼起徑向和推力 支承的作用。主軸軸承，可選用圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。 主軸軸承，主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來選擇。為了提高精度和剛度，主軸軸承的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承剛度高，但在一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低。下面簡述幾種常用的數(shù)控機床主軸軸承的結(jié)構(gòu)特點和適用范圍。 ①雙列圓柱滾子軸承（ NNU4900K、 NN300K），內(nèi)孔為 1： 12的錐孔，與主的錐形軸頸相配合，軸向移動內(nèi)圈，可把內(nèi)圈脹大，以消除徑向間隙或預(yù)緊，這種軸承只能承受徑向載荷。 NNU4900K 系列雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈可分 離， NN300K 雙列圓柱滾子軸承外圈可分離。這類軸承多用于載荷較大、剛度要求高、中等轉(zhuǎn)速的地方。 ②雙向推力角接觸球軸承 BTAA/BTAB。這種軸承與雙列圓柱滾子軸承相配套，用來承受軸向載荷。 ③角接觸球軸承，這種軸承既可以承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。常用的接觸角有兩種： α ＝ 250和 α ＝ 150。其中 α ＝ 250的編號為 7000AC型屬特輕型；編號為 7190AC 型，屬超輕型。 α ＝ 150的編號為 7000C 型，屬特輕型；或編號為7190C 型，屬超輕型。角接觸球軸承多用于高速主軸，隨接觸角的不同有所區(qū)別，α ＝ 250 的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速約低，多用于車、鏜、銑加工中心等主軸； α ＝ 150 的轉(zhuǎn)速可更高些，但軸向剛度較低，常用于軸向載荷較小，轉(zhuǎn)速較高的磨床主軸或不承受軸向載荷的車、鏜、銑主軸后軸承。這種軸承為點接觸，剛度較低，為了提高剛度和承載能力，常用多聯(lián)組配的辦法 . 軸承精度 軸承的精度，分為 0 五級其中 2 級最高， 0 級為普通精度級。主軸軸承以 4級為主（記為 4）。高精度主軸可用 P2 級。要求較低的主軸或三支承主軸的輔助支承可用 P5 級。 P6 級和 P0 級一般不用。此外又規(guī)定了 2 種輔助精度等級 SP（特殊精密級）和 UP（超精密級。它們的旋轉(zhuǎn)精度相當(dāng)于 P4 級和P2 級，而內(nèi)、外匿的尺寸精度則分別相當(dāng)于 P5 級和 P4 級。由于軸承的工作精 第頁共 34 頁 度主要決定于旋轉(zhuǎn)精度，箱體孔和主軸軸頸是根據(jù)一定的間隙和過盈要求配作的。因此，軸承內(nèi)、外徑的公差即使寬些也不影響工作精度，但卻降低了成本。 不同精度等級的機床，主軸軸承的精度可參照表 選用。數(shù)控機床 ,可按精密級或高精度級選用。 表 主軸軸承精度 機床精度等級 前軸承 后軸承 普通精度等級 P5 或 P4（ SP） P5 或 P4（ SP） 高精度級 P2（ UP） P2(UP) 軸承的剛度 滾動軸承在 0游隙下，軸承在外載荷作用下的變形為： 點接觸的球軸承： δ r= δ r= （ ） 線接觸滾子軸承 δ r= δ a= () 式中 δ r、 δ a— 徑向和軸向變形（ μ m）； α — 接觸角（ 0） la— 滾子的有效長度，等于滾子長度扣除兩端倒角（ mm） Qr、 Qa— 作用于單個滾動體的徑向和軸向載荷（ N） Qr= Qa= () Fr、 Fa— 用于軸承上的徑向和軸向載荷（ N） i、 z— 滾動體的列數(shù)和每列的滾動體數(shù) 零游隙時軸承的剛度： K= 當(dāng)為球軸承： Kr== () Ka= () 第頁共 34 頁 當(dāng)為滾子軸承： K r==(iz) () Ka== () 式中 K r 、 Ka—— 軸承的徑向和軸向剛度（ N/μ m）。 由上述公式可知，滾動軸承剛度是載荷的函數(shù)。它隨載荷的增大而增大。計算時，如果外載荷無法確定，可取額定動載荷的 1/10 作為軸承載荷，計算結(jié)果一般代表軸承剛度。 對于滾子軸承，剛度與載荷的 次冪成正比，載荷對剛度的影響不大，因此計算時可以不考慮預(yù)緊。 對于球軸承，剛度與載荷的 1/3 次冪成正比，預(yù)緊力對剛度的影響是明顯的，計算時應(yīng)考慮預(yù)緊力。有軸向預(yù)緊力 C。時的徑向和軸向載荷分別為： Fr=Fre+Fa0ctgα () Fa=Fae+Fao () 式中 Fre—— 徑向和軸向外載荷（ N） Fao—— 預(yù)緊力（ N） ， α —— 接觸角（ 0） CK6132 主軸軸承剛度計算 CK6132 主軸前支承采用 D3182115(NN30K)雙列圓柱滾予軸承，精寰等級相當(dāng)于 P5 級；后支承采用 D20xx113E 圓錐滾子軸承和 D8113 平底推力軸承，精度等級相當(dāng)于 P5 級。 CK6132 主軸軸承徑向剛度如下： 表 CK6132 主軸軸承徑向剛度 前軸承 后軸承 軸向剛度 1316N/μ m 729N/μ m 296N/μ m 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于軸上所安裝的傳動件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝方法等。同時，還應(yīng)考慮主軸的加工和裝配的工藝性。為了便于裝配，常把主軸作成階梯形。 主軸頭部的構(gòu)造，應(yīng)保證夾具、頂尖或刀具的準(zhǔn)確安裝，并便于裝卸，還應(yīng)盡量縮短主軸端的懸伸長度。主軸頭部已標(biāo)準(zhǔn)化。 第頁共 34 頁 車床主軸是空心的，為了能通過較粗的棒料，中孔直徑常希望大一些，但中孔對主軸剛度是有影響的， d/D（ d和 D分別為中孔和主軸的直徑）不宜大于 。 主軸直徑的選擇 在設(shè)計之初，由于確定的只是一個設(shè)計方案，尚未確定具體構(gòu)造。因此，只能根據(jù)統(tǒng)計資料，初步選擇主軸直徑。 車床、銑床以及其他一些機床的主軸上有多種零件。因裝配的需要，主軸直徑常是從前向后逐段減少的。因此，后軸頸的直徑往往小于前軸頸。車床和銑床主軸的后軸頸的直徑等于（ — ） D。 主軸材料及熱處理 主軸允許受載后的彈性變形是很小的，由此引起的應(yīng)力也很小。因此在一般情況下，強度不是需要考慮的主要問題。只有重載主軸，或因構(gòu)造上的原因，主軸不得不設(shè)計得很細(xì)時，才需考慮強度問題。 在幾何形狀一 定時，主軸的剛度決定于材料的彈性模量。各種鋼材的彈性模量幾乎沒有什么差別，因此剛度不是選擇材料的依據(jù)。 主軸材料的選擇，主要應(yīng)根據(jù)耐磨性和熱處理后變形的大小來選擇。一般普通機床的主軸，可以采用 45 或 60優(yōu)質(zhì)碳鋼，調(diào)質(zhì)到 HB220— 250 左右。在頭部錐孔，定心軸頸或定心錐面等部位，高頻淬硬至 HRC50— 55。如果支承為滑動軸承，則軸頸處也需淬硬，硬度同上。精密機床的主軸，希望淬火應(yīng)力要小，這時可用 40Cr 或低合金鋼 20Cr， 16MnCr,12CrNi2A 等滲碳淬硬。 的主軸結(jié)構(gòu)（ 如圖 所示 ） CK6132 的主軸前端軸頸的直徑 75（ mm），后端軸頸的直徑 65（ mm），通孔直徑38(mm)。前端錐孔為莫氏錐度 5 號，材料 45 鋼。 第頁共 34 頁 圖 CK6132 的主軸結(jié)構(gòu) 第四章 基于 ANSYS 的 CK6132 主軸的靜力分析 主軸靜力分析概述 線性靜力分析的基本步驟 靜力分析用來計算結(jié)構(gòu)在固定不變載荷作用下的響應(yīng)，如反力、位移、應(yīng)變、應(yīng)力等，也就是探討結(jié)構(gòu)受到外力后變形、應(yīng)力、應(yīng)變的大小。所謂固定不變的載荷作用，指結(jié)構(gòu)受到的外力大小、方向均不隨時間變化。 靜力分析中固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時間的變化非常緩慢。一般來講，靜力分析所施加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力等）、位移載荷（如支座位移等）、溫度載荷等。 ANSYS 線性靜力分析的基本步驟： 構(gòu)建有限元模型 —— 創(chuàng)建有限元模型、設(shè)置單元類型、設(shè)定單元選項、定義單元實常數(shù)、設(shè)置材料屬性、劃分網(wǎng)格。 施加載荷求解 —— 定義分析類型（靜力分析）、施加載荷和邊界條件、求解。 后處理 —— ANSYS 提供兩種后處理方式， POST1 和 POST26。前者用于整個模型 在某一載荷步（時間點）的結(jié)果。后者處理模型中特定點在所有載荷步（整個 第頁共 34 頁 瞬態(tài)過程）的結(jié)果。結(jié)果均用彩色云圖、矢量圖和列表來顯示。 機床主軸組件彎曲剛度 機床主軸組件（包括主軸、軸承和 Ф 60mmｘ 90mm 的 45 鋼工件）彎