机床主轴部件设计

　　主轴部件是机床重要部件之一。作为机床的执行件，其功能是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。
　　主轴部件由主轴及其支承轴承和安装在主轴上的传动件、密封件及定位元件等组成。对于钻、镗床，主轴部件还包括轴套和镗杆等。主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。
　　一、主轴部件应满足的基本要求
　　（1）旋转精度——主轴的旋转精度是指机床主轴部件装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向圆跳动和端面圆跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔以及主轴上其他相关零件的制造、装配和调整精度。
　　（2）刚度——主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端部产生一个单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力的大小来表示。
　　主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承和轴承座等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状，使用轴承的类型、数量、预紧程度和配置形式，传动件的数量及布置方式，以及主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。
　　（3）抗振性——主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。在切削过程中，由于各种因素引起的冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动。抗振性差，表现为主轴部件工作时易产生振动且振幅较大，降低已加工表面质量和刀具寿命，加速传动件的磨损，诱发加工时的噪声，影响工作环境。严重的振动则可破坏刀具或主轴部件正常运转，使加工无法进行。
　　（4）温升及热变形——主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，其尺寸、形状及位置发生变化，造成主轴部件的热变形。主轴热变形可引起轴承间隙变化，温升后会使润滑油粘度降低，这些变化都会影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。
　　（5）精度保持性——主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力。主轴部件丧失其原始精度的主要原因是磨损。磨损速度与摩擦的种类有关，与主轴及轴承的结构特点、表面粗糙度、材料的热处理方式、润滑、防护及使用条件等许多因素有关。要长期的保持主轴部件的精度，必须提高其耐磨性。对耐磨性影响较大的因素有主轴的材料、轴承的材料、热处理方式、轴承类型及润滑防护方式等。
　　二、主轴的传动方式
　　主轴的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。可根据主轴的转速高低、所传递的扭矩大小、对运动平稳性的要求，同时还根据主轴结构、以及安装、维修等具体条件来进行主轴传动方式的选择。
　　三、主轴部件的结构设计
　　多数机床主轴采用前、后两个支承。这种方式结构简单，制造装配方便，容易保证精度。为提高主轴部件的刚度，前后支承应消除间隙或预紧。
　　为提高主轴部件的刚度和抗振性，某些机床主轴采用三个支承。但对三支承主轴而言，通常只有两个支承（其中一个为前支承）起主要作用，而另一个支承只起辅助作用。三个支承中可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承，也可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承。
　　推力轴承在主轴前、后支承的配置形式，直接影响主轴的轴向刚度和主轴热变形的方向和大小。推力轴承在主轴上的常见配置形式：1）前端配置；2）后端配置；3）两端配置；4）中间配置。
　　传动件在主轴上轴向位置的合理布置，可改善主轴的受力情况，减小主轴变形，提高其抗振性。其主要原则是尽量使传动力引起的主轴弯曲变形要小；引起主轴前端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。主轴上的传动件应尽量靠近前支承布置，有多个传动件时，其中最大的传动件应靠近前支承。
　　传动件轴向布置的几种情况：1）传动件布置在两个支承之间；2）传动件布置在主轴前悬伸端；3）传动件布置在主轴后悬伸端。
　　主轴主要结构参数的确定：
　　1）主轴前轴颈直径D₁的选取：一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径来选取。
　　2）主轴内孔直径d的确定：卧式车床的主轴孔径d通常不小于主轴平均直径的55% ~ 60%；铣床的主轴孔径d可比刀具拉杆直径大5 ~ 10mm即可。
　　3）主轴前端悬伸量a的确定：主轴前端悬伸量a是指主轴前端面到前轴承径向反力作用中点（或前径向支承中点）的距离。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度和抗振性影响很大，故在满足结构要求的前提下，设计时应使a值越小越好。
　　4）主轴主要支承间跨距L的确定：合理确定主轴主要支承间的跨距L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。理论上存在着一个最佳跨距L₀。即当采用该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般取L₀ = (2~3.5) a。
　　主轴的结构形状一般为空心阶梯轴，主轴端部的形状和尺寸已经标准化。
　　普通机床主轴可首选45钢，调质处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬，以提高其耐磨性。当载荷较大和有冲击、或精密机床需要减小热处理后的变形、或有其它特殊要求时，才考虑选用合金钢。
　　主轴的技术要求，应根据机床精度标准有关项目制订。首先制定出满足主轴旋转精度所必须的技术要求，然后再考虑其它性能所需的要求。应尽量做到主轴的设计基准与工艺基准相重合。主轴各部位的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和表面硬度等具体数值应根据机床的类型、规格、精度等级及主轴轴承的类型来确定。
　　四、主轴滚动轴承
　　主轴部件主要支承常用滚动轴承的类型：1）角接触球轴承；2）双列短圆柱滚子轴承；3）圆锥滚子轴承；4）推力轴承；5）双向推力角接触球轴承；6）陶瓷滚动轴承；7）磁浮轴承。
　　主轴轴承的配置形式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见主轴轴承典型的配置形式有速度型、刚度性和刚度速度型三种。
　　在选择滚动轴承精度等级时，因前支承的精度比后支承对主轴部件的旋转精度影响大。故应选择前轴承的精度比后轴承高一些，一般高一级。
　　主轴滚动轴承的预紧是采用预加载荷的方法来消除轴承间隙，并且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度。预紧是提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性的重要手段。
　　主轴部件的主要支承轴承都要预紧，预紧有径向预紧和轴向预紧两种。
　　滚动轴承润滑的作用是利用润滑剂在摩擦面间形成润滑油膜，减小摩擦系数和发热量，并带走一部分热量，以降低轴承的温升。
　　润滑剂和润滑方式的选择主要取决于滚动轴承的类型、转速和工作负荷。滚动轴承所用的润滑剂主要有润滑脂和润滑油两种。
　　五、主轴滑动轴承
　　主轴滑动轴承按产生油膜的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。按流体介质不同，可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。
　　液体动压滑动轴承的工作原理是当主轴旋转时，带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔而产生油膜压力将主轴抬起。油膜的承载能力与工作状况有关，转速越高、间隙越小，油膜的承载能力越大。
　　动压轴承按油楔数可分为单油楔轴承和多油楔轴承。多油楔轴承有固定多油楔滑动轴承和活动多油楔滑动轴承两类。活动多油楔滑动轴承利用浮动轴瓦自动调位来实现油楔。
　　液体静压轴承由供油系统供给一定压力的润滑油输进轴和轴承的间隙中，利用油的静压力支承载荷，轴颈始终浮在压力油中。所以轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。