數控車床主軸裝配工藝的研究

雷飛凌 楊傳啟

(①同濟大學機械與能源工程學院，上海200092;②德馬吉(上海)機床有限公司，上海201612)

國內制造業的相對落后造成了目前的現狀:我國已經是世界上最大的數控機床制造和消費國，但是絕大部分機床制造商還在大量使用進口主要零部件，其中轉速較高的機床主軸主要采用臺灣甚至歐美、日本等的進口部件。當然以洛陽軸承為主的國內主軸生產商一直在努力研發和生產各類主軸，以期打造國內品牌，搶占市場份額，但是效果一直不佳。有些國內制造商在使用同樣的設計，甚至同樣零部件的前提下，依然無法達到進口主軸同等的性能。針對這一現象，本文對主軸裝配的工藝進行了深入研究，并提出了具體裝配要求，且在近千臺機床上得到了驗證。

本文研究的主軸是某歐洲知名機床生產商沿用已久的設計，迄今已有近20年。但是前些年剛引入國內后也頻頻出現問題，甚至于在機床還沒出廠時，軸承就異常磨損。在進行深入分析研究后，全面改良了裝配工藝，并最終達到進口主軸的同等品質。如此簡單的設計，歷經20年仍然活躍在這個技術不斷更新的時代而不顯得過時。究其原因:成熟簡單的設計保證了良好的裝配性;較易實現的零件精度要求又保證了零件的加工性;成熟的裝配工藝最終保證了該主軸良好的生命力。

1 主軸結構簡介

圖1是某數控車削中心的主軸裝配簡化圖，圖中分別標出了與其精度及壽命相關的主要零件。實際加工過程中前軸承會受到相應的軸向力和徑向力，為保證主軸的精度，也為了保證足夠的剛性以抵御受力變形，前軸承5在壓蓋7、主軸3、隔套4以及主軸箱6的作用下處于完全緊固狀態。同時為避免主軸受熱伸長，后軸承僅僅內圈緊固，軸承外圈可以隨著主軸的受熱伸長而沿著主軸箱內孔前后游動。

2 主軸裝配工藝研究

2.1 裝配前的準備

2.1.1 相關零件的清潔、檢查

主軸及其相關零件都有較高的表面硬度，都有與軸承精度級別相適應的幾何精度和表面粗糙度，因此，零件表面的毛刺、碰傷、凸點在裝配過程中或裝配后都可能直接反映到軸承滾道上，造成滾道的受損或變形，進而損壞軸承的旋轉精度，甚至使用壽命。因此所有相關零件都應逐個地清洗，并用油石或精細砂紙除盡存在的銳邊、毛刺、碰傷、凸點，所有安裝螺紋孔內的雜質清理干凈。為高效清潔且不產生二次污染，建議采用工業專用防銹潤滑清潔劑WD40、油石、無塵紙或無塵布等工具。為避免鐵性雜質混入，經過平面磨床加工過的鐵質零件都應該進行退磁處理。另外為避免二次污染，清潔準備區域必須與裝配區域有效隔離。

2.1.2 主要零件的尺寸、形狀誤差檢查

檢查并記錄主軸、主軸箱內孔相關尺寸，并確保所有零件的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度達到設計要求。為保證最佳的主軸旋轉精度，測量并標定主軸徑向跳動最大位置。

主軸鎖緊螺母的壓緊端面與主軸螺紋的垂直度至關重要，可以通過與主軸配磨螺紋來實現，但是加工工藝復雜，成本高，且互換性小，目前已不再采納。因此需要檢查主軸螺母與主軸螺紋的配合間隙是否過緊，要確保有一定的間隙，以便在壓緊軸承時能自動調位，以保證軸承受力均勻，減小滾道變形。

檢查軸承包裝是否完好，并記錄軸承內外徑相關尺寸。為避免加入油脂時造成二次污染及不能準確控制油脂加入量，建議采用軸承制造商預加油脂的軸承，并盡量縮短軸承拆開包裝到實際裝配的時間。

2.1.3 軸承的選擇和配對

由于每個加工件實際尺寸都不一致，由軸承廠商提供的軸承尺寸也會不一致。如果任意選取零件進行組合會有各種難以預料的情況發生:有些軸承會過盈量太大，造成滾道變形嚴重而運轉中異常發熱而損毀;有些軸承內外圈與主軸或箱體會出現不應有的間隙，會造成本應固定的內外圈產生相對轉動滑移，而影響精度和剛性、甚至使用壽命。因此必須合理選用配對零件，以保證裝配體足夠的剛性和精度。

考慮軸承的配對，必須考慮相關零件受熱后尺寸的變化。材料受熱變化率——線膨脹系數就是考量零件受熱尺寸變化的主要參數。線膨脹系數是指材料每升高一攝氏度單位長度的變化率，對于直徑為D的零件，其直徑隨溫度的變化為

其中:δD為直徑的變化值，δC為周長的變化值，ζ為材料的線膨脹系數，D為材料直徑。

根據式(1)，可以計算出相關零件尺寸溫升后的變化值，詳細見表1。

軸承選配原則一:要求前后軸承內圈與主軸過盈配合，以保證軸承內圈與軸頸沒有相對滑移，但過盈量不宜太大，以避免軸承滾道變形而影響其精度及壽命。按NSK推薦，目標間隙為0～0.004 mm。由于主軸和軸承線膨脹系數基本一致，這樣，主軸正常溫升(25℃)后也能保證軸承與主軸始終保證適量過盈而不至于產生相對滑動。

軸承選配原則二:要求前軸承外圈與箱體孔間隙配合，該間隙大小要適中，以保證預緊及受熱后的軸承外圈與箱體沒有相對轉動滑移，但又不產生過大的徑向力而導致軸承滾道變形。按NSK推薦，目標間隙為0.003～0.008 mm。如果不考慮軸承預緊帶來的直徑變化，正常溫升25℃后，由表1可知主軸箱內孔和軸承外圈直徑變化差值為:

表1 相關零件尺寸大隨溫升變化

因此在主軸正常溫升后，0.003～0.008 mm的目標間隙可以保證軸承外圈和箱體之間處于過渡配合狀態(最大間隙0.001 mm，最大過盈0.005 mm)，既保證了主軸的剛性和精度，又能確保軸承外圈與箱體不會產生相對轉動滑移。軸承選配原則三:后軸承外圈與箱體間隙配合，該間隙大小要適中，以保證主軸受熱受力伸長時后軸承外圈能軸向游動，又能確保軸承外圈與箱體沒有相對轉動滑移。按NSK推薦，目標間隙為0.009～0.015 mm。由式(2)可知，主軸箱內孔與軸承外圈在正常溫升后直徑變化差值約為0.008 mm。因此，理論上軸承外圈與箱體在正常溫升后依然保證了微小間隙(0.001～0.007 mm)，以保證主軸受熱伸長時后軸承能在箱體內游動而避免軸承咬死而很快磨損。

以上選配原則為NSK推薦選配原則，如果嚴格按照該原則選配軸承及相關零件，就能保證裝配后的主軸具有良好的綜合性能。但是要確保較高的選配成功率，所有零件尺寸都需要控制在較小的公差帶內，對于高精度的零件，公差帶縮小1～2μm，可能意味著加工采購成本的成倍增加。因此，根據實際裝配經驗并結合NSK選配原則，筆者也總結了一套軸承選配方法——綜合間隙考量法。

綜合間隙考量法目標與NSK推薦方法是一致的，也是為了保證系統足夠的剛性和精度，并保證后軸承在受熱后可以在箱體內游動。但該選配法不單獨要求軸承內孔和主軸的配合要求，而是綜合考慮軸承內外圈、主軸和箱體的間隙。具體要求:前軸承與主軸箱體內孔配合關系要求為最大綜合間隙為0.006 mm，最大綜合過盈為0.003 mm。后軸承與主軸箱體內孔配合關系為最小綜合間隙為0.005 mm，最大綜合間隙為0.011 mm。計算綜合間隙的方法為，如果軸承內圈與主軸過盈為a，軸承外圈和箱體間隙為b，則綜合間隙為b-a。該方法綜合了主軸與軸承內圈的過盈配合可能造成軸承外圈的尺寸變化，并由此來評估軸承外圈和箱體內孔的綜合間隙。由于使用該辦法并不單獨考量軸承與主軸的過盈量，因此選配成功率要稍高。筆者采用該方法配對裝配以來已成功在近1 000臺車床主軸上使用，主軸系統在客戶現場一年內損壞率小于3%。

兩種選配方法本質基本一致，實際操作中都可以使用。

2.2 主軸裝配

完成了前期細致的裝配準備，后期的裝配工作就相對簡單了。

2.2.1 前軸承的安裝

前軸承與主軸過盈配合，為最小化對軸承精度的影響，推薦采用熱套安裝。可以采用專用電感應軸承加熱器對軸承進行無損加熱(圖2)。

加熱溫度的確定，由于主軸最大徑向跳動為0.003 mm，軸承內圈最大徑向跳動為0.005 mm，最大裝配過盈量為0.004 mm。因此軸承加熱后最小內徑增大需求量為:

即由表1可算得最小需要加熱的溫度:

考慮到實際零件尺寸檢測誤差、圓度誤差、安裝過程中軸承冷卻尺寸縮小及其他不可預測的因素，為了避免軸承安裝過程中的困難，可將軸承加熱至比理論需求溫度高20～30℃。因此加熱設定溫度確定為60℃。

軸承加熱過程中，將主軸垂直放置，并套上前端壓蓋，然后在主軸表面上薄薄地涂抹一層潔凈的潤滑油脂，將加熱好的軸承輕輕套上主軸。為避免熱裝后的軸承在冷卻過程中寬度方向的收縮，而造成軸承內圈和主軸軸肩產生間隙，套上軸承后可用隔套輕輕壓緊軸承內圈，并保持至軸承冷卻到室溫，然后緩緩轉動隔套，找到合適角度，以保證隔套后端跳動最小(圖3)。

2.2.2 后軸承的安裝

由于主軸箱與軸承外圈是間隙配合，因此安裝相對容易。當然，如果條件允許，也可以將箱體加熱。烘箱、大功率鹵素燈和工業用電吹風等都比較容易實現主軸箱體的加熱。考慮實際操作的方便，加熱溫度不宜過高，以手能觸碰為準，一般40℃左右即可。然后在主軸箱內壁均勻涂滿薄薄一層潔凈潤滑防銹油脂，將已經預裝好的主軸、前軸承及隔套輕輕插入箱體內，直至前軸承完全進入箱體內孔。從包裝中取出后軸承，輕輕套上主軸，按圖4裝上工裝，然后固定螺桿前端，用扳手輕輕旋緊后端螺母，直至感覺明顯阻力，說明軸承已經到達安裝位置。設計工裝時，要確保壓套只能壓住軸承內圈，并盡可能減輕工裝重量。

為保證更好的旋轉精度，應注意:主軸在前期檢查時已經標定了最大跳動誤差點，而軸承內圈側面也由軸承制造商標有徑向跳動最大位置的記號“O”。因此在安裝前后軸承時都應該確保兩處標記正好處在相反的位置上。

2.2.3 軸承的預緊和緊固

主軸軸承僅僅安裝到位還遠遠不夠，還必須施加合理的壓緊力來實現軸承的預緊和緊固。

如圖5所示本設計中采用的是背對背安裝的角接觸球軸承，在軸向力Fa0作用下，消除了內圈之間的游隙δa0即可得到軸承設計的預緊。如果軸向負荷Fa持續增大，則軸向位移與軸向負荷的對應關系如圖6，由于軸承內外圈摩擦力的存在，兩軸承的實際位移量δaA和δaB并不一致，因此兩軸承實際所承受的軸向負荷FaA和FaB也不一致，這種狀態將一直保持到軸承跑合完成，通過跑合軸承A、B將自適應到最佳狀態。

完成預緊的軸承并沒有完全緊固，還需要進一步施加軸向力來完成軸承內圈的緊固，綜合NSK推薦及相關經驗，后端螺母鎖緊扭矩確定為250 N·m。在鎖緊過程，為避免零件間結構誤差和摩擦力造成的虛假鎖緊，鎖緊扭矩要求從小到大，以100 N·m→150 N·m→200 N·m→250 N·m逐步加大，鎖緊過程中要求先用小扭矩鎖緊然后松開，加大扭矩再次鎖緊，如此反復直至最終用規定鎖緊扭矩鎖緊。鎖緊過程中為最大限度減小前軸承額外受力，必須主軸前端固定，通過扭矩扳手和相應工裝鎖緊后端螺母。

最后通過鎖緊前端壓蓋來保證了前軸承外圈的緊固。如圖7所示，通常采用緊固螺栓對壓蓋進行緊固，但是如果緊固量過大或不均勻，外圈滾道容易產生變形。NSK推薦修配壓蓋尺寸來保證壓蓋與主軸箱體端面間隙δ=0.01～0.03 mm，然后擰緊螺栓，以保證適度的緊固量。但在本設計中，通過大量經驗的積累，無需測量也無需修配壓蓋，只需要用較小的扭矩均勻鎖緊螺栓即可，鎖緊扭矩確定為4 N·m。這樣操作可以節約工時2個多小時，有效地節約了成本。由于是小扭矩鎖緊，為防止長時間使用后螺栓松脫，需要使用螺紋防松膠。

2.3 跑合測試及運轉檢查

完成剩下非主要零件裝配后，為了確認主軸裝配是否正常，并釋放裝配應力，還需要磨合試運轉。運轉在無負荷情況下低速開始啟動，正反轉交替并緩慢提高速度。試運轉過程中需檢查是否有異音、軸承溫升是否正常、軸承潤滑是否泄漏或變色等。運轉過程中如果發現任何異常，應立即停止運轉，檢查后重新開始試運行。必要時需要拆下軸承進行檢查。

3 結語

機床主軸的設計歷經百年，已經有很多成熟的案例供參考，一些大型的軸承生產廠商也會提供一些設計思路，而且國內制造業的快速發展也為高精尖的加工提供了方便。因此主軸設計有了保證，加工也不再是瓶頸，如果再對裝配進行科學合理的分析并由此制定相應的裝配工藝，高精度、高剛性，長壽命的主軸制造也就指日可待了。本文就圖1所示主軸的裝配工藝進行了分析，并就如何選配軸承進行了詳細介紹。主軸的設計千差萬別，但是軸承的選配原則基本一致，因此該選配原則同樣適用于其他主軸裝配。

［1］NSK精密滾動軸承E1254e 2009C-8［Z］.

［2］關國旗.一種高精度數控車床的主軸裝配工藝設計［J］.制造技術與機床，2012(1):45-47.

［3］張曉東，黃裕民，李林、數控車床主軸部件裝配工藝分析與制定［J］，機械設計與制造，2011(5).