【文章內(nèi)容簡介】 軸的基本要求 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在手動或低速、空載時，主軸前端定位面的徑向跳動△ r、端面跳動△ a 和軸向竄動值△ o。如圖 21 所示：圖中實線表示理想的旋轉(zhuǎn)軸線，虛線表示實際的旋轉(zhuǎn)軸線。當主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的漂移量即為運動精度。 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各主要件（如主軸、軸承及支承座孔等）的制造精度和裝配、調(diào)整精度；運動精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能和潤滑以及主軸部件的動態(tài)特性。各類通用機床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在機床精度標準中作了規(guī)定，專用機床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度則根據(jù)工件精度要求確定。 剛度 主軸組件的剛度 K 是指其在承受外載荷時抵抗變形的能力，如圖 22所示，即 K=F/y（單位為 N/? m），剛度的倒數(shù) y/F 稱為柔度。主軸組件的剛度，是主軸、 軸承和支承座的剛度的綜合反映 ，它直接影響主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。顯然，主軸組件的剛度越高，主 △a△o△r 圖 21 主軸的旋轉(zhuǎn)誤差 軸受力后的變形就越小，如若剛度不足，在加工精度方面，主軸前端彈性變形直接影響著工件的精度；在傳動質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動齒輪的嚙合狀況，并使軸承產(chǎn)生側(cè)邊壓力，從而使這些零件的磨損加劇，壽命縮短；在工件平穩(wěn)性方面，將使主軸在變化的切削力和傳動力等作用下，產(chǎn)生過大的受迫振動，并容易引起切削自激振動 ，降低了工件的平穩(wěn)性。 圖 22 主軸組件靜剛度 主軸組件的剛度是綜合剛度，影響主軸組件剛度的因素很多，主要有：主軸的結(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動件的布置方式、主軸組件的制造與裝配質(zhì)量等。 抗振性 主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的能力。在切削過程中，主軸組件不僅受靜載荷的作用，同時也受沖擊載荷和交變載荷的作用，使主軸產(chǎn)生振動。如果主軸組件的抗振性差，工作時容易產(chǎn)生振動，從而影響工 件的表面質(zhì)量，降低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。隨著機床向高精度、高效率方向發(fā)展，對抗振性要求越來越高。 評價主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動和自激振動能力的大小。 溫升和熱變形 主軸組件工作時因各種相對運動處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生了溫升，溫升使主軸組件的形狀和位置發(fā)生畸變，稱為熱變形。熱變形應以主軸組件運轉(zhuǎn)一定時間后各部分位置的變化來度量。 主軸組件溫升和熱變形，使機床各部件間相對位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度機床尤為嚴重；熱變形造成主軸彎曲， 使傳動齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞；熱變形還使主軸和軸承，軸承與支承座之間已調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承正常工作，間隙過小將加速齒輪和軸承等零件的磨損，嚴重時甚至會發(fā)生軸承抱軸現(xiàn)象。 影響主軸組件溫升、熱變形的主要因素有：軸承的類型和布置方式，軸承間隙及預緊力的大小，潤滑方式和散熱條件等。 耐磨性 主軸組件的耐磨性是指長期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主軸組件各個滑動表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動軸承配合的軸頸表面，移動式主軸套筒外圓表面等，都必須具有很高的硬度，以保證 其耐磨性。 為了提高主軸組件的耐磨性，應該正確地選用主軸和滑動軸承的材料及熱處理方法、潤滑方式，合理調(diào)整軸承間隙，良好的潤滑和可靠的密封。 主軸組件的布局 主軸組件的設計，必須保證滿足上述的基本要求，從而從全局出發(fā)，考慮主軸組件的布局。 機床主軸有前、后兩個支承和前、中、后三個支承兩種，以前者較多見。兩支承主軸軸承的配置型式，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據(jù)對所設計主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求，并考慮軸承的供應、經(jīng)濟性等具體情況，加以確定。在選擇時，具體有以下要求： （ 1）適應剛度和承載能力的要求 主軸軸承選型應滿足所要求的剛度和承載能力。徑向載荷較大時，可選用滾子軸承；較小時，可選用球軸承。雙列滾動軸承的徑向剛度和承載能力，比單列的大。同一支承中采用多個軸承的支承剛度和承載能力，比采用單個軸承的大。一般來說，前支承的剛度，應比后支承的大。因為前支承剛度對主軸組件剛度的影響要比后支承的大。表 21所示為滾動軸承和滑動軸承的比較： 表 21 滾動軸承和滑動軸承的比較 基本要求 滾動軸承 滑 動 軸 承 動壓軸承 靜壓軸承 旋轉(zhuǎn)精度 精度一般或較差?？稍跓o隙或預加載荷下工作。精度也可以很高，但制造困難 單油楔軸承一般，多油楔軸承較高 可以很高 剛 度 僅與軸承型號有關(guān)，與轉(zhuǎn)速、載荷無關(guān)，預緊后可提高一些 隨轉(zhuǎn)速和載荷升高而增大 與節(jié)流形式有關(guān)，與載荷轉(zhuǎn)速無關(guān) 承載能力 一般為恒定值，高速時受材料疲勞強度限制 隨轉(zhuǎn)速增加而增加，高速時受溫升限制 與油腔相對壓差有關(guān)，不計動壓效應時與速度無關(guān) 抗振性能 不 好 ， 阻 尼 系 數(shù)D= 較 好 ， 阻 尼 系 數(shù)D= 很 好 ， 阻 尼 系 數(shù)D= 速度性能 高速受疲勞強度和離心力限制，低中速性能較好 中高 速性能較好。低速時形不成油漠，無承載能力 適應于各種轉(zhuǎn)速 摩擦功耗 一般較小，潤滑調(diào)整不 當 時 則 較 大f=～ 較小 f=～ 本身功耗小，但有相當 大 的 泵 功 耗f=～ 噪 聲 較大 無噪聲 本身無噪聲，泵有噪聲 壽 命 受疲勞強度限制 在不頻繁啟動時，壽命較長 本身壽命無限，但供油系統(tǒng)的壽命有限 （ 2）適應轉(zhuǎn)速要求 由于結(jié)構(gòu)和制造方面的原因，不同型號和規(guī)格的軸承所允許的最高轉(zhuǎn)速是不同的。軸承的規(guī)格越大，精度等級越低，允許的最高轉(zhuǎn)速越低 。在承受徑向載荷的軸承當中，圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速，比圓錐滾子軸承的高。在承受軸向載荷的軸承當中，向心推力軸承的極限轉(zhuǎn)速最高；推力球軸承的次之；圓錐滾子軸承的最低，但承載能力與上述次序相反。因此，應綜合考慮轉(zhuǎn)速和承載能力兩方面要求來選擇軸承型式。 （ 3）適應精度的要求 起止推作用的軸承的布置有三種方式：前端定位 — 止推軸承集中布置在前支承；后端定位 — 集中布置在后支承；兩端定位 — 分別布置在前、后支承。 采用前端定位時，主軸受熱變形向后延伸，不影響軸向定位精度，但前支承結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)整軸承間隙較不便，前支承處發(fā)熱量 較大；后端定位的特點與前述的相反；兩端定位時，主軸受熱伸長后，軸承軸向間隙的改變較大，若止推軸承布置在徑向軸承內(nèi)側(cè)，主軸可能因熱膨脹而彎曲。 （ 4）適應結(jié)構(gòu)的要求 當要求主軸組件在性能上有較高的剛度和一定的承載能力，而在結(jié)構(gòu)上徑向尺寸要緊湊時，則可在一個支承（尤其是前支承）中配置兩個或兩個以上的軸承。 對于軸間距很小的多主軸機床，由于結(jié)構(gòu)限制，宜采用滾針軸承來承受徑向載荷，用推力球軸承來承受軸向載荷，并使兩軸承錯開排列。 （ 5）適應經(jīng)濟性要求 確定主軸軸承配置型式，除應考慮滿足性能和結(jié)構(gòu)方面要求外，還應作經(jīng) 濟性分析，使經(jīng)濟效果好。 在中速和大載荷情況下，采用圓錐滾子軸承要比采用向心軸承和推力軸承組合配置型式成本低，因為前者節(jié)省了兩個軸承，而且箱體工藝性較好。 綜合考慮以上因素，本設計的主軸采用前、后支承的兩支承主軸，前支承采用雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合， D 級精度；后支承采用圓柱滾子軸承， E 級精度。其中前支承的雙列圓柱滾子軸承，滾子直徑小，數(shù)量多（ 50— 60 個），具有較高的剛度；兩列滾子交錯布置，減少了剛度的變化量；外圈無擋邊，加工方便；軸承內(nèi)孔為錐孔，錐度為 1： 12，軸向移動內(nèi)圈使之徑向變形，調(diào) 整徑向間隙和預緊；黃銅實體保持架，利于軸承散熱。前支承的總體特點是：主軸靜剛度好，回轉(zhuǎn)精度高，溫升小，徑向間隙可以調(diào)整，易保持主軸精度，但由于前支承結(jié)構(gòu)比較復雜，前、后支承的溫升不同，熱變形較大，此外，裝配、調(diào)整比較麻煩。 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 主軸的結(jié)構(gòu)主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位的方法，同時還要考慮主軸加工和裝配的工藝性，一般在機床主軸上裝有較多的零件，為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設計成階梯軸，即軸徑從前軸頸起 向后依次遞減。主軸是空心的或者是實心的，主要取決于機床的類型。此次設計的主軸，也設計成階梯形，同時，在滿足剛度要求的前提下，設計成空心軸，以便通過刀具拉桿。 主軸端部系指主軸前端。它的形狀決定于機床的類型、安裝夾具或刀具的形 式，并應保證夾具或刀具安裝可靠、定位準確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。 查《金屬切削機床設計》第 135 頁中通用機床主軸端部的形狀圖，選短圓錐法蘭盤式主軸端部結(jié)構(gòu)形式。其特點是：主軸端面上有四個螺孔，用來固定和傳遞扭矩給刀具。主軸是空心的，前端有錐度為 7:24 的錐孔，結(jié)構(gòu)如下所示： 圖 23 短圓錐法蘭盤式主軸端部結(jié)構(gòu) 主軸的材料與熱處理 主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點、耐磨性和熱處理變形大小等因素選擇。 主軸的剛度與材料的彈性模量 E 值有關(guān)，鋼的 E 值較大（ 107 N/cm2 左右），所以，主軸材料首先考慮用鋼料。鋼的彈性模量 E 的數(shù)值和鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼， 其彈性模量 E 基本相同。因此在選擇鋼料時應首先選用價格便宜的中碳鋼（如 45 鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時，或者精密機床主軸需要減少熱處理后的變形時，或者軸向移動的主軸需要保證其耐磨性時，才考慮選用合金鋼。 當主軸軸承采用滾動軸承時，軸頸可不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少 45 鋼主軸軸頸仍進行高頻淬火（ HRC48～ 54） .有關(guān)45 鋼主軸熱處理情況如下表 所列： 表 22 使用滾動軸承的 45鋼主軸熱處理等參數(shù) 工 作 條 件 使 用 機 床 材 料 牌 號 熱 處 理 硬 度 常 用 代 用 輕中負載 車、鉆、銑、磨床主軸 45 50 調(diào)質(zhì) HB220～ 250 輕中負載局部要求高硬度 磨床的砂輪軸 45 50 高頻淬火 HRC52～ 58 輕中負載 PV≤ 400（ N m/cm2 s） 車、鉆、銑、磨床的主軸 45 50 淬火回火高頻淬火 HRC42～ 50 HRC52～ 58 此次設計的機床主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選用價格便宜的中碳鋼（ 45 鋼）。查表 22 中，因工作中承受輕、中負荷，且要求局部高硬 度，故熱處理采用高頻淬火， HRC52～ 58。 主軸的技術(shù)要求 主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。主軸和軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關(guān)系到接觸剛度，零件接觸表面形狀愈準確、表面粗糙度愈低，則受力后的接觸變形愈小，亦即接觸剛度愈高。因此，對主軸設計必須提出一定的技術(shù)要求。 （ 1）軸頸 此次設計的主軸，應首先考慮軸頸。支承軸頸是主軸的工作基面、工藝基面和測量基面。主軸工作時，以軸頸作為工作基面進行旋轉(zhuǎn)運動；加工主軸時，為了保證錐孔中心和軸頸中心同軸，一般都以軸頸作為工藝基 面來最后精磨錐孔；在檢查主軸精度時，以軸頸作為測量基面來檢查各部分的同軸度和垂直度。采用滾動軸承時，軸頸的精度必須與軸承的精度相適應。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動軸承的配合質(zhì)量。 對于普通精度級機床的主軸，其支承軸頸的尺寸精度為 IT5，軸頸的幾何形狀允差（圓度、圓柱度等）通常應小于直徑公差的 1/4～ 1/2。 （ 2）內(nèi)錐孔 內(nèi)錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗機床精度時，它是代表主軸中心線的基準，用來檢查主軸與其他部件的相互位置精度，如主軸與導軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經(jīng)常裝拆，故內(nèi)錐孔必 須耐磨。 錐孔與軸承軸頸的同軸度，一般以錐孔端部及其相距 100～ 300 毫米處對軸頸的徑向跳動表示；其形狀誤差用標準檢驗錐著色檢查的接觸面積大小來檢驗，此乃綜合指標；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。 主軸直徑的選擇 主軸直徑對主軸組件剛度的影響很大，直徑越大，主軸本身的變形和軸承變形引起的主軸前端位移越小