機床主軸系統對加工精度的影響分析

摘 要：數控機床的主軸相關的參數是很多的，設置起來也很復雜和麻煩。只要在相關參數里輸入主軸電機代碼，再將主軸初始化就可以了，初始化以后裝載的是該電機的標準參數。可以實現其基本應用。對于實力不太強的生產廠家而言也不會進一步優化了。

關鍵詞：機床主軸系統；加工精度；支承剛度

機床主軸系統是機床重要的組成部件，直接影響機床的加工精度。機床主軸系統在運行過程中，其固有的振動特性對于機床加工精度產生影響，因此，必須研究其振動的頻率和類型以及其在結構參數方面的特性，在主軸系統的結構設計上對振動的發生加以避免，提高機床的加工質量和精度。近年來，對機床主軸系統的動態性能的研究已經成為一項重要課題得到國內外大量專家學者的關注，也出現了很多的研究方法。其中，有限單元法在機床主軸系統的動態性能研究方面受到了社會上越來越多的人的廣泛關注。數控機床主軸驅動系統是數控機床的大功率執行機構。它包括主軸驅動裝置、主軸電動機、主軸位置檢測裝置、傳動機構及主軸。

1.對主軸驅動系統的要求

目前主軸驅動裝置的恒轉矩調速范圍已可達1：100，恒功率調速范圍也可達1：30，一般過載1.5倍時可持續工作達到30min。主軸在全速范圍內均能提供切削所需功率，并盡可能在全速范圍內提供主軸電動機的最大功率。由于主軸電動機與驅動裝置的限制，主軸在低速段均為恒轉矩輸出。為滿足數控機床低速、強力切削的需要，常采用分級無級變速的方法，以擴大輸出轉矩。要求主軸在正、反向轉動時均可進行自動加、減速控制，并且加、減速時間要短。目前一般伺服主軸可以在1秒內從靜止加速到6000r/min。即進給功能（C軸功能）和定向功能（準停功能），以滿足加工中心自動換刀、剛性攻絲、螺紋切削以及車削中心的某些加工工藝的需要。為了提高傳動件的制造精度與剛度，采用齒輪傳動時齒輪齒面應采用高頻感應加熱淬火工藝以增加耐磨性。最后一級一般用斜齒輪傳動，使傳動平穩。采用帶傳動時應采用齒型帶。應采用精度高的軸承及合理的支撐跨距，以提高主軸的組件的剛性。

2.主軸和主軸箱體的精度

在零件設計過程中往往對尺寸公差比較重視，對形狀和位置誤差注意得不夠，在很多情況下甚至不提要求，這是不對的。因為軸承的內外圈均為薄壁件，主軸軸頸和箱體孔的形狀和位置誤差很容易引起軸承滾道變形，以至影響軸承的旋轉精度。在設計中按照以上推薦的主軸和主軸箱體的形狀和位置公差進行選配，就可以最大限度地消除由此類誤差所引起的軸承滾道變形對軸承旋轉精度的影響。主軸前后軸頸和箱體前后軸承孔都必須要有同軸度要求。一般情況下主軸的同軸度比較容易達到，測量起來也比較方便，而箱體孔同軸度的保證和測量卻比較困難。因此在主軸箱體孔加工之前要認真進行工藝分析，設計時要考慮前后軸承孔一次裝夾加工完成，以減少多次裝夾而產生的誤差。

3.主軸系統動靜剛度的影響

3.1主軸前后軸承的支承距

主軸前后軸承的支承距是指主軸相鄰兩支承反力作用點之間的距離。在設計中除根據機床結構要求保證主軸的軸徑、主軸懸伸量外，還要合理地確定前后軸承的支承距，使得主軸部件有最大的靜剛度。機床主軸系統設計過程中，在滿足主軸的精度、負荷和速度的條件下應盡可能選擇大直徑主軸，再根據選擇的軸承確定最佳的支承距，使主軸系統有較高的靜剛度。

3.2主軸系統的動態特性

機床加工精度不僅受到前面諸多因素的影響，還要受到主軸-軸承系統的動態特性影響。而機床的振動就取決主軸-軸承系統的動態特性。由于主軸-軸承系統是一個復雜的振動系統，其動態特性不僅與系統的阻尼和靜剛度有關，還與由系統結構所決定的振型有關。因此在進行機床設計時，要進行動力學分析，計算出主軸箱體的一階、二階固有頻率，使其一階固有頻率要避開主軸的最低轉速，二階固有頻率要避開主軸的最高轉速，以避免主軸系統產生共振，消除由于振動對機床加工精度的影響。

3.3主軸軸承的配置和預加載荷

軸承可以通過不同的組合來滿足各種機床的要求。在進行機床設計時，根據機床的結構、精度、主軸的轉速、負載等要求，確定機床主軸軸承的配置形式，并根據承載情況確定合適載荷的軸承。機床主軸軸承都必須有軸向預加載荷才能進行正常工作。預加載荷不僅可以消除軸承的軸向游隙，還可以提高軸承的剛度和主軸的旋轉精度，抑制振動和鋼球自轉時的打滑現象。根據重負荷、中等負荷和精密機床的不同類型，確定軸承的預加載荷形式，有重載、中載和輕載三種。一般切削負荷大；轉速較低時，選重載；精密機床選輕載；中載介于兩者之間。主軸軸承加載的緊固方式對主軸的運動精度有很大的影響，預緊螺母或預緊隔套的工作面必須與主軸回轉中心垂直，否則在預緊時會使軸承歪斜，從而影響主軸的回轉精度和軸承的溫升。

3.4主軸系統熱性能的影響

機床的主軸軸承必須要預加載荷，以提高軸承的剛度。但預加載荷越大，軸承克服摩擦所作的功轉化成的熱量就越多，這樣軸承的溫升就越高，主軸系統的溫度就會提高，甚至可能造成軸承的燒傷。因此要根據主軸的轉速范圍和負載情況來選擇合適的預加載荷值。由于軸承摩擦是主軸系統熱量的主要來源，所以用合理的主軸潤滑和冷卻是控制主軸系統溫升的有效措施。主軸軸承的潤滑有脂潤滑、油潤滑、油霧潤滑、氣霧潤滑等多種方式。由于油霧、氣霧潤滑的成本較高，所需設備復雜，一般在數控車床中不予采用。目前，數控車床主軸設計多采用脂（具有良好品質的鋰基脂）潤滑形式，控制好潤滑脂的填充量就可以達到有效抑制主軸溫升的效果。

4.結束語

影響主軸系統精度的因素很多，不同的機床，有不同的主軸結構和軸承配置，需根據機床的精密程度、負荷大小進行合理的主軸系統設計，以保證主軸系統有較高的精度和精度保持性。

參考文獻：

[1]張學玲.機械結構靜態性能優化設計[J].企業文化，2012

[2]唐進元.結構參數對主軸系統動態性能的影響[J].機械工程，2013