主轴是怎样设计的

轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响主轴组件的工作性能。主轴的回转精度在很大程度上由轴承所决定。

1、主轴滚动轴承

（1）滚动轴承的类型

滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳定地工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声很大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对转速有很大的限制。滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承。陶瓷轴承是指轴承滚动体是用陶瓷材料制成的，而内外圈则仍用轴承钢制造。之所以选用滚动体，主要是因为它具有以下特性：一是重量轻，二是热膨胀系数小，三是弹性模量大。所以它具有离心力小，动摩擦力小，预紧力稳定，弹性变形小，刚度高的特点。

（2）主轴轴承的合理布置

1）主轴轴承的选择和配置形式

机床主轴有前、后2个支承和前、中、后3个支承两种，以前者较为多见。两支承主轴轴承的配置形式，包括主轴轴承的选型，组合以及布置，主要根据对所涉及主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求。

在确定两支承主轴轴承配置形式时应遵循以下一般原则：

①适应刚度和承载能力的要求：主轴轴承配置形式的选择首先应满足所要求的刚度和承载能力。

②适应转速要求：不同型号、规格和精度等级的轴承所允许的最高转速是不同的。在相同条件下，点接触的比线接触的高；圆柱滚子比圆锥滚子高。

③适应精度的要求：主轴组件承受轴向力的推力轴承配置形式直接影响主轴的轴向位置精度。

2）三支承主轴组件

某些机床由于结构设计上的原因，导致主轴箱长度较长，其主轴两个支承之间的支承跨距远大于最佳跨距，此时，应考虑增设中间支承来提高主轴组件的刚度和抗振性。

3）主轴滚动轴承的应用设计

①主轴滚动轴承的刚度和承载能力

滚动轴承的刚度主要取决于滚动体与滚道之间的接触刚度。运动轴承的刚度与轴承类型、载荷和预紧情况有关，且随着载荷的增大呈非线性特性。

②主轴轴承的润滑

润滑对主轴组件的工作性能与轴承的寿命有很大的影响。润滑不合理可能引发热量增加，降低主轴工作精度，并加速轴承磨损。用于滚动轴承的润滑剂可分为两大类，即油脂润滑剂和液体润滑剂。

③主轴滚动轴承的密封

滚动轴承密封装置的作用在与防止冷却液、切屑、灰尘、杂物等进入轴承，并使润滑剂无泄漏地保持在轴承内，从而充分发挥轴承的性能，确保轴承的使用寿命。对主轴组件密封装置的要求是：适宜主轴的转速、适应工作环境、结构紧密。主轴轴承的密封分接触式和非接触式。前者又可分为径向密封圈密封盒毛毡圈密封，一般适用于低速主轴。非接触式密封可分为间隙式密封、曲路式密封盒垫圈式密封，为保证密封作用，旋转部分与固定部分的径向间隙应小于0.2-0.3mm，在密封处应有回油控，以防漏油。

2、主轴滑动轴承

滑动轴承因具有良好的抗振性、旋转精度高、运动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精度数控机床。

主轴滑动轴承按产生油膜的方式，可以分为动压轴承和静压轴承两大类。按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气动滑动轴承。

（1）液体动压轴承

动压轴承时靠主轴以一定转速旋转时带着润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油膜而将主轴浮起，并制成载荷。

（2）液体静压轴承

液体静压轴承由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。静压轴承与动压轴承相比有如下有点：承载能力高、旋转精度高、油膜有均化误差的作用、可提高加工精度，抗振性好，运转平稳，既能在极低速下工作，也能在极高速下工作，摩擦小，轴承寿命长。

静压轴承主要的缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。

（3）用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴相同。由于空气的黏度比液体小得多，摩擦小，功率损耗小，能在极高转速或极低温度下工作，振动、噪声特别小，旋转精度高，寿命长，基本上不需要维护，用于高速、超高速、高精度数控机床主轴组件中。

（4）磁力轴承是一种新型的高性能轴承，具有各种传统轴承无法相比的特殊性能。磁力轴承不予轴颈表面接触，不存在机械摩擦和磨损，不需要润滑和密封，温升低，热变形小，转速高，寿命长，能耗低；磁力轴承基本电磁反馈控制系统保证主轴的旋转精度，刚度和阻力可调控，可消除转子质量部平衡，回转特性可由传感器和控制系统获得，便于状态监控和诊断。磁力轴承主要用在加工中心的主轴组件中。

本文主要对数控机床中主轴变速箱如何设计进行了论述，在进行改良之后可以提升整个机床的工作效率，以达到提升整个数控机床的工作效率，同时可以解放生产力，实现工业企业利益最大化的目的,欢迎大家借鉴哦!

摘 要： 社会注意市场经济的发展为我国工业生产创造了条件,在现代一体化生产模式中运用了很多先进的设备。对于数控机床而言,主轴箱是其最为核心的组织结构,整个主轴箱影响着数控机床的变速情况。大部分制造企业在实行技术改造时把重点放在了主轴箱变速器上,这是调整机床运行速度的重点。在设计过程中必须要对主轴箱的每个部件加以控制,这样才能确保数控机床主轴变速性能的良好。

关键词: 数控机床主轴变速箱

　 　引言： 数控机床作为现代化工业企业的一个重要设备，其工作效率直接影响整个企业的经济效益，而作为整个数控机床的最重要部分主轴变速箱，它的工作效率必将影响到整个机床的工作效率，下面就整个主轴变速箱这个核心部件如何设计来加以说明。

　 　1、主轴变速箱主轴结构设计

在今天不同种类的机床已经应用与各个企业，我们大家所熟知的有控铣床数控磨床、加工中心等等。不同的数控机床具有不同的功能，但是它们共同的特点就是其核心构造都是主轴，也就是说主轴的运转速度会直接决定一个机床的性能包括其加工零部件的精度，会直接影响到所加工产品的质量。主轴在变速箱当中的作用是将大小齿轮连接在一起，所以说，变速箱变速效果主要取决于主轴的结构设计，在进行设计之必须要了解主轴的性能构造是怎样的。数控机床的功能不同，主轴做具有的功能也是不同的。所以在进行主轴变速箱设计的时候对主轴的各个不同参数要做详细的分析，下面就从以下几个方面对机床主轴变速箱进行设计。

1.1 主轴的设计重点

最终的设计效果怎样使有主轴的参数来决定的。设计人员在确定各个参数之前，首先要了解企业在生产加工过程中的实际需求，只有这样才能按照需求进行参数的设定，这里的实际需求包括了需要加工零件的`尺寸大小、精度，零件表面要求等。机床主轴的具体参数包括了转速：根据实际生产以及国内目前的数控机床改造技术以及机械制造业的使用需要，数控机床主轴的转速通常的范围是在五十到八万转/分钟之间，另外一个参数就是直径。直径对整个主轴的作用就是使主轴可以更好的进行变速，所以在进行设计的时候对平均直径一定要控制好，直径适当放大可以有效控制主轴发生变形，更好的控制位移的产生。

1.2 旋转精度

所谓旋转精度指的是，在主轴的前面部位利用千分表进行测量得到的端面跳动、径向跳动以及轴向窜动的数字，测量的必要条件是机床主轴组件需要是在空载低速的状况下旋转。如果主轴是在工作转速进行旋转的时候，机器的润滑油膜会对主轴产生一些扰动，那么说测量的旋转精度是不准确的。在数控机床当中旋转精度影响的不仅仅是操控数控机床，同时对所加工的最后零件的也会产生一定的影响，尤其是在精度方面，如果是一些精度要求较高的机床，既要有静态测定还要求测定出正常工作下的动态旋转精度。

1.3 Z轴传动

在主轴变速箱中Z轴传动其中最重要的一部分，这是由于整个Z轴分布的情况对整个数控机床运动性能有这非常直接的影响。Z轴传动包含许多重要的组件，例如滚珠丝杠、电机、直 、联轴器、线滚动导轨、支撑座等等，上面所说到的组件设计人员都要进行详细的分析，给出设计的方案。

1.4 刚度

主轴组件的刚度所指的是在外部有负荷的状态下抗变型的能力的强弱，而弯曲刚度指的是在主轴的最前面位置所产生的单位位移，在此方向所测量得出的力的大小。在数控机床主轴变速箱中，承载能力的衡量尺度就是刚度，同时刚度对齿轮磨损程度也会带来一定的影响。主轴自身的形状和尺寸，机床滚动轴承的型号、轴承的多少、预紧以及出厂时所设定的方式，前后轴之间的距离以及二者之间的悬伸量，轴传动是如何进行布置的，主轴厂家装配和制造的质量等等因素都可能影响到主轴的钢度。

1.5 耐磨性

主轴组件的耐磨性所指的是机床在工作的过程中，主轴组件可以一直保持其出厂精度的一种能力，精度可以保持的时间的长短说明其耐磨性能的好快，也就是说如果主轴组件耐磨性好，那么机床所加工出来的产品质量相对更加稳定而且产品的进度会更高，而且表面加工的光洁度也更好。所以，主轴组件的每一个滑动的表面都要具有较高的耐磨性，只有这样才能保持机床加工的零件一直保持很好的精度。

1.6 滚珠丝杠

在进行滚珠丝杠的设计时非常重要的一点是要将摩擦力的计算考虑进去，因为滚珠丝杠的整个运动过程是一个线性运动，使数控机床从原来的直线运动变成旋转运动就必须要将滚珠丝杠的摩擦力大小控制好，这样才能让变速箱运行稳定的运行，也就是使机床的主轴可以准确实现定位操作。机床主轴变速箱的设计人员通过计算可以确定摩擦力的大小，从而去分析主轴变速箱运转过程中所呈现的摩擦状况是怎样的，设计人员的任务就是将摩擦力控制在一个最佳范围内，减少主轴在运转过程中的磨损。

　 　2 、主轴变速箱重点参数的选择

只有将主轴的参数确定在一定的范围才能稳定的发挥其性能，设计人员在设计的过程中必须要将参数指标把握好，只有这样才能使数控机床持续维持良好的工作状态，生产出标准的零件。从目前的工业生产需求对于数控机床的基本要求上分析，主轴变速箱在参数的选择上必须疟把握以下几个重点参数的设计，下面就这几个参数来逐项说明。

2.1 如何确定主轴的转速及平均直径

首先在数控机床当中，采用的都是电机直联主轴，因此主轴的速度同机床电机的速度是一致的。其次是平均直径的确定，在主轴变速箱中的主轴部件的刚度受主轴的平均直径影响相对较大，在前面我们也提到过如果直径加大可以有效控制主轴发生变形，更好的控制位移的产生。

2.2确定主轴的悬伸量c

主轴的悬伸量c指的是主轴部分的前端部分到前部的支撑反力作用中点之间的距离。直接影响悬伸量尺寸的主要有主轴部分的端部结构尺寸及形式、前支撑所配置的轴承等几个因素。悬伸量的取值对主轴部件的刚度会产生很大的影响，所以在确定悬伸量c取值的时候所要遵循的原则就是结构可以满足的前提下，取值尽可能小。

因为传动系统从电动机到主轴，通常为降速运动，接近电动机的传动件转速较高，传递的转矩较小，尺寸小一些；反之。

则在拟定主变速传动系时，应尽可能将传动副较多的变速组安排在前面，将传动副较少的安排在后面。此为前多后少原则。

前密后疏：当变速组的扩大顺序与传动顺序相一致时，前面变速组的传动线分布紧密，而后面变速组传动线分布疏散，在传递相同功率的情况下，转矩较小，设计尺寸也相应较小。

前缓后急，由于电动机到主轴的总趋势是降速运动，在分配各变速组传动比时，为使中间传动轴具有较高的转速，以减小传动件的尺寸，则前面的变速组降速要慢些，后面的要快些，但是中间轴不应过高，以免产生振动、发热和噪音，通常不超过电动机转速。

产品介绍

主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。

主轴箱传动系统的设计，以及主轴箱各部件的加工工艺直接影响机床的性能。如图1左图所示为CA6140型卧式车床主轴箱装配图，图1左图中的a为其展开图，是按图1右图所示的轴线Ⅻ一Ⅳ一Ⅰ一Ⅱ一Ⅲ（Ⅴ）一Ⅵ一Ⅺ一Ⅸ一Ⅹ的剖切面A-A展开后绘出的。

主轴箱位于车床左方的床身上。主轴Ⅵ的回转运动是由电动机输出的恒定转速，通过带轮和各级齿轮的传递实现的，通过主轴箱内滑移齿轮组成不同的传递路线，主轴可获得各级转速。通过操纵机构还可以实现主轴的起动、停止和换向等。

动静压主轴的主轴是由一个前置轴承和一个后置轴承组合在一起的；而电机的定子则是被安装在主轴的壳体内，但是需要使用一个冷却套将定子先固定起来。而决定主轴速度的变化则是由它的驱动模块来确定的，如果主轴内的温度过高的话，主轴内部的冷却装置会对它的温度进行限制来保护主轴不受损害。

另外，动静压主轴的电机是直接安装在主轴上的，在电主轴工作的时候，电机的运作速度是很快的，这样在电主轴工作了很长一段时间之后就会产生了很多的热量，随之主轴表面的温度也会随之升高，如果温度过高的话，就会直接影响到电主轴的正常工作。

为了确保动静压主轴的温度在它可以承受的范围之内，在使用前需要根据实际的使用情况确定合适的额定温度，而且如果动静压主轴的表面温度过高的时候，需要采取一些有效的散热方式来降低温度。

就目前来说，主要是通过强制型的降低用于循环的油的温度，随之动静压主轴的温度也会很快降低，从而更好地维护电主轴，使动静压主轴的使用效果得以提高，使用寿命得以延长。

2、中间空心，可以将长工件塞到主轴里，卡盘卡持位置靠近加工位置，保持加工精度

3、主轴前后内孔都可以做成锥面，定位用，前端锥孔还可以放置顶尖，与尾座的顶尖实现双顶尖定位。