淺析主軸箱體的加工精度與機(jī)床幾何、工作精度

摘 要：文章著重介紹了主軸箱體的加工精度與機(jī)床幾何精度（主軸精度）、工作精度的關(guān)系。并例舉說(shuō)明了主軸箱體的主要加工精度對(duì)機(jī)床精度等方面產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：加工精度；圓度；同軸度；垂直度；間隙

中圖分類號(hào)：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）17-0098-02

數(shù)控機(jī)床的精度主要分為幾何精度、位置精度和工作精度。幾何精度主要包括床頭主軸精度和導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)部件的精度以及床頭精度相關(guān)聯(lián)的精度，工作精度就是加工工件的精度。

主軸箱體零件是機(jī)床重要部件和基礎(chǔ)件。由它將一些軸、套和齒輪等零件組合在一起，使其保持正確的相互位置精度關(guān)系，彼此能夠按照一定的傳動(dòng)關(guān)系協(xié)調(diào)地運(yùn)動(dòng)。主軸箱體的加工質(zhì)量對(duì)整個(gè)機(jī)床精度、性能和壽命都有著直接的影響。尤其是對(duì)機(jī)床的幾何精度（床頭主軸）和工作精度影響較大，特別是近幾年，隨著機(jī)床行業(yè)的迅猛發(fā)展，用戶對(duì)機(jī)床精度特別是幾何精度和工作精度的要求越來(lái)越高，所以為了保證機(jī)床整機(jī)精度要求，首先要保證組成機(jī)床的零件的自身精度要滿足技術(shù)要求。也就是說(shuō)首先要保證零件的加工精度前提下，才能保證機(jī)床的整機(jī)精度。因此，本文將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析主軸箱體的主要加工精度影響機(jī)床的幾何精度（床頭主軸）和工作精度。

1 機(jī)床幾何精度（床頭主軸）及工作精度（加工精

度）要求

①機(jī)床幾何精度（床頭主軸精度）要求。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16462—1996《數(shù)控臥式機(jī)床精度檢驗(yàn)》要求：幾何精度（床頭主軸）共有4項(xiàng)要求（以我廠目前HTC80( CKS6180) 為例）。其一，主軸的周期性軸向竄動(dòng)，主軸卡盤定位端面的跳動(dòng)。其二，主軸軸端的卡盤定位錐面的徑向跳動(dòng)。其三，主軸錐孔軸線的徑向跳動(dòng)：靠近主軸端面，距主軸端面500處。其四，刀架移動(dòng)對(duì)主軸軸線的平行度：在主平面內(nèi)及在次平面內(nèi)。

②工作精度（工件加工精度）要求。有以下幾項(xiàng)要求。其一，精車試件外圓：圓度及直徑的一致性。其二，精車端面的平面度。

2 主軸箱體的結(jié)構(gòu)形式及主軸組件精度

2.1 主軸箱的基本結(jié)構(gòu)

目前我廠普及型數(shù)控床頭箱結(jié)構(gòu)通常采用由伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)帶動(dòng)皮帶輪的旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到主軸旋轉(zhuǎn)的目的。通常我們管這種結(jié)構(gòu)叫做單軸結(jié)構(gòu)。而對(duì)應(yīng)的主軸箱體零件的結(jié)構(gòu)通常有兩支撐的、三支撐的箱體結(jié)構(gòu)。兩支撐的主軸箱體有兩孔同軸度要求、圓度要求，垂直度要求。三支撐的主軸箱體有三孔的同軸度要求、橢圓度要求，垂直度要求。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的要求，對(duì)主軸箱體有著不同的技術(shù)要求。我廠HTC80（CKS6180）系列床頭結(jié)構(gòu)為兩支撐結(jié)構(gòu)。

2.2 主軸組件精度

①主軸1∶12錐度與軸承的接觸率。主軸1∶12錐度與軸承接觸的好壞，在箱體總裝精度起著非常重要的作用。我們通常在磨削加工主軸外圓時(shí)，用軸承研合檢查接觸率配磨株洲外圓，而且是一個(gè)軸承對(duì)應(yīng)一個(gè)主軸。

②主軸的預(yù)緊力和動(dòng)平衡。主軸組件裝配后根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)、精度、主軸的轉(zhuǎn)速、負(fù)載等要求，確定機(jī)床主軸軸承的配置形式，并進(jìn)行預(yù)緊力試驗(yàn)消除軸承的間隙，保證主軸的剛度和回轉(zhuǎn)精度。

主軸組的動(dòng)平衡質(zhì)量直接影響主軸高速回轉(zhuǎn)精度和振動(dòng)，從而影響加工精度。我廠裝配主軸組件后，都必須上動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，保證主軸組件的動(dòng)平衡。

我廠的CKS系列機(jī)床主軸在裝配時(shí)做好預(yù)緊力和動(dòng)平衡。

由于我廠數(shù)控車床單軸結(jié)構(gòu)的主軸箱體，主軸箱體孔前面的軸承支撐通常為一對(duì)高精度角接觸球軸承“70系列”和一個(gè)高剛性的雙列圓柱滾子軸承“NN30”系列組合。在裝配時(shí)保證了主軸軸承安裝合適，預(yù)緊可靠，動(dòng)平衡符合要求，使主軸組件有一個(gè)良好的精度和剛性，本文就是在主軸組件精度和其他精度合格的基礎(chǔ)上探討本論文的主題，所以提高和控制主軸箱體的主要加工精度，減少對(duì)機(jī)床幾何精度和工作精度的影響，顯得尤為重要。下面就箱體的加工精度影響簡(jiǎn)單進(jìn)行分析。

3 箱體加工精度影響分析

3.1 主軸箱體孔同軸度的影響

兩支撐的主軸箱體，如果前、后軸承孔同軸度超差，就是我們通常說(shuō)的兩孔的中心線不在同一理想中心線上，既兩孔錯(cuò)心，當(dāng)主軸穿入箱體孔時(shí)，（我們認(rèn)為主軸兩軸承支撐外圓是理想的同軸）那么，主軸勢(shì)必在箱體內(nèi)發(fā)生變形產(chǎn)生彎曲，軸承內(nèi)、外環(huán)發(fā)生錯(cuò)心，軸承的游隙量發(fā)生變化，在同一圓周上造成軸承的滾動(dòng)體受力不均，部分滾柱不是在正常地轉(zhuǎn)動(dòng)，而在瞬間打滑。正是這打滑磨擦現(xiàn)象，會(huì)引起軸承意外的升溫發(fā)熱。種種發(fā)熱的不利因素，會(huì)造成軸承的早期劣化損傷。特別是那些較高轉(zhuǎn)數(shù)的數(shù)控主軸，除表面有運(yùn)轉(zhuǎn)的異常雜聲外，重則嚴(yán)重影響主軸的剛性。導(dǎo)致切削加工試件時(shí)“振刀”。這時(shí)如果將千分表或百分表的指針垂直指向主軸的短錐外圓上，你就不難看出表的指針的擺動(dòng)。同時(shí)主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)質(zhì)量發(fā)生偏移，動(dòng)平衡質(zhì)量超差產(chǎn)生振動(dòng)。在被加工零件的表面，出現(xiàn)程度不同的振紋。目前我廠HTC80(CKS6180)主軸箱體同軸度不超過(guò)0.008 mm。

3.2 主軸箱體孔圓度的影響

箱體孔的加工，不管采用何種設(shè)備，必然存在著較大的形狀誤差。而且，極容易地干涉著軸承外圈在箱體孔中的形狀。也就是受箱體孔的約束也會(huì)變形（這一點(diǎn)我們可用內(nèi)徑千分表測(cè)量，在相同的截面不同的點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量）。當(dāng)軸承外圈的內(nèi)滾道面圓度偏大之后，軸承的滾柱因在某位置區(qū)域出現(xiàn)了間隙而滑動(dòng)。由于滾動(dòng)體的滑動(dòng)會(huì)引起意外的升溫發(fā)熱。種種發(fā)熱的不利因素，同樣會(huì)造成軸承的早期劣化損傷，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)異常出現(xiàn)雜聲，并嚴(yán)重影響主軸的剛性，主軸的剛性下降，導(dǎo)致切削加工試件時(shí)“振刀”。在被加工零件的表面，出現(xiàn)不同程度的振紋。目前我廠HTC80（CKS6180）主軸箱體孔圓度不超過(guò)0.01mm。

3.3 主軸箱體孔與軸承外環(huán)間隙的影響

軸承外環(huán)是是薄壁環(huán)，受箱體孔形狀約束。同時(shí)軸承外環(huán)也受間隙配合的影響，間隙過(guò)大、過(guò)小都將影響著主軸的精度及剛性。箱體孔與軸承外環(huán)間隙過(guò)小，直接影響的軸承的游隙量，旋轉(zhuǎn)后軸承意外的升溫發(fā)熱，會(huì)造成軸承的早期劣化損傷從而影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度及主軸的剛性，主軸出現(xiàn)異常雜聲，高叫、重則嚴(yán)重影響主軸的剛性，主軸精度出現(xiàn)異常，若箱體孔是橢圓形，并且與軸承外環(huán)間隙過(guò)小，那么就會(huì)使軸承外環(huán)受箱體孔的影響而變形。

假設(shè)主軸箱體孔與軸承外環(huán)間隙過(guò)大，外環(huán)在箱體內(nèi)承受徑向力大大減弱，且主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，外環(huán)隨著內(nèi)環(huán)易產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)軸承滾動(dòng)體產(chǎn)生相對(duì)滑移，瞬間打滑。打滑磨擦現(xiàn)象，會(huì)引起軸承意外的升溫發(fā)熱。同樣會(huì)造成軸承的早期劣化損傷。目前我廠HTC80（CKS6180）主軸箱體孔與軸承外環(huán)配鏜間隙不超過(guò)-0.002～0.004mm。

以上問(wèn)題出現(xiàn)后反映在機(jī)床幾何精度上就是主軸軸端的卡盤定位錐面的徑向跳動(dòng)超差、主軸錐孔軸線的徑向跳動(dòng)超差、主軸周期性軸向竄動(dòng)超差、主軸卡盤定位錐面的徑向跳動(dòng)超差。

反映在工作精度上就是工件外圓粗糙度大，振紋、圓度超差等。

3.4 主軸箱體定位基面的影響

如圖1所示，基準(zhǔn)面C、與立面D既是加工基準(zhǔn)，又是裝配基準(zhǔn)。基準(zhǔn)的統(tǒng)一保證了總裝精度的要求。底面C、與立面D是與床身連接的結(jié)合面，是重要結(jié)合面，是保證機(jī)床幾何精度（刀架移動(dòng)對(duì)主軸軸線的平行度在主平面內(nèi)及在次平面內(nèi)）的重要環(huán)節(jié)。

立面D與主軸箱體孔的平行直接影響床頭方向是否向里、向外。基面C與主軸箱體孔的平行直接影響床頭方向是否抬頭還是低頭。因此主軸孔與定位基面的平行度誤差將影響機(jī)床幾何精度（刀架移動(dòng)對(duì)主軸回轉(zhuǎn)軸線的平行度）。反映到機(jī)床工作精度也就是造成車削工件的圓柱度超差，工件出現(xiàn)錐度。

一般我們?cè)谧鞔差^主軸精度時(shí)，只許主軸方向向下，且偏向刀具。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，影響機(jī)床幾何精度和工作精度的因素很多，在機(jī)床其他零部件精度保證的情況下，床頭箱體的主要加工精度對(duì)機(jī)床的幾何精度（床頭主軸）和工作精度（工件的加工精度）產(chǎn)生很大的影響。因此，如何提高數(shù)控機(jī)床精度，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，滿足用戶和市場(chǎng)的需要，采用科學(xué)、合理的工藝手段，是當(dāng)代科技工作者永遠(yuǎn)探討的課題。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB/T16462-1996，數(shù)控臥式機(jī)床精度檢驗(yàn)[S].