數(shù)控車床主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

王燕

摘要：文章介紹了目前數(shù)控車床主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過與軸承公司合作的實(shí)例詳細(xì)介紹了速度型數(shù)控車床主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。討論了軸承類型，軸承預(yù)緊，軸承配合，潤(rùn)滑方式，隔套等主要零件的設(shè)計(jì)方法與注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床;速度型;車床主軸

引言

近年來，隨著裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)床的性能和檔次也在不斷的提升。主軸作為數(shù)控車床最重要的部件之一，直接關(guān)系到機(jī)床的整體性能，和被加工零件的精度和質(zhì)量。因此主軸的結(jié)構(gòu)和精度也是客戶最關(guān)注的方面之一，下面把在數(shù)控車床上所采用的速度型主軸結(jié)構(gòu)作一個(gè)簡(jiǎn)單的分析和介紹。

圖一：主軸結(jié)構(gòu)

1.性能參數(shù)

該主軸結(jié)構(gòu)經(jīng)過與日本NSK軸承公司的反復(fù)確認(rèn)核實(shí)，通過模擬實(shí)驗(yàn)得出如下數(shù)據(jù)（見表一）：在最高轉(zhuǎn)速2500r/min，無載荷的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)可以超過20萬小時(shí)，外圈溫升15℃，內(nèi)外圈溫差2℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

表一：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

軸承型號(hào) 額定動(dòng)

載荷

（N） 額定靜

載荷

（N） 允許軸

向載荷

（N） 預(yù)載荷

（N） 軸向

剛性

（N/μm） 徑向

剛性

（N/μm）

7038A5BTA

DBDMP4 505000 875000 262000 11000 1000 2450

7036CDB

MP4 370000 550000 175000 4200 300 1800

2.軸承的確定

主軸的最大允許轉(zhuǎn)速是由運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量決定的，而熱量的產(chǎn)生又受到軸承類型，軸承尺寸，軸承預(yù)緊，外部載荷，潤(rùn)滑條件，配件精度和主軸箱結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響。從實(shí)際應(yīng)用情況來看大部分熱量是由滾動(dòng)軸承的摩擦產(chǎn)生，因此具有低摩擦系數(shù)的球軸承比較適合高速場(chǎng)合的應(yīng)用。

3.潤(rùn)滑方式的確定

常用的潤(rùn)滑方式有兩種，一種是油脂潤(rùn)滑，另一種是稀油潤(rùn)滑。油脂潤(rùn)滑優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，由于油脂本身的特性有助于防止污染無和濕氣進(jìn)入軸承。并且可以在一段時(shí)間內(nèi)免維護(hù)。缺點(diǎn)是在高速情況下油脂易老化，壽命短，而且不能把熱量帶走。采用循環(huán)稀油潤(rùn)滑可以及時(shí)把產(chǎn)生的熱量帶走，能夠保證主軸系統(tǒng)的低工作溫度，從而確保主軸的精度。但是，循環(huán)油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。要控制潤(rùn)滑油的速度，流量和粘度，并且要對(duì)油進(jìn)行過濾，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)確保潤(rùn)滑油的清潔。綜合兩種潤(rùn)滑方式的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，圖中結(jié)構(gòu)采用了循環(huán)油潤(rùn)滑來最大限度的來降低溫升對(duì)主軸性能的影響。

4.游隙與預(yù)緊量的確定

對(duì)主軸軸承施加預(yù)緊，有很多好處，可以減小軸承的游隙，提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度，提高主軸的剛性和抑制主軸的震動(dòng)與噪音。但同時(shí)也增大了摩擦，增加發(fā)熱量，因此施加的預(yù)緊量要特別注意。如果預(yù)緊量過大會(huì)引起軸承發(fā)熱量異常增加，甚至引起軸承燒傷或者剝落損壞。因此游隙和預(yù)緊量要根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)速和剛性與軸承廠商反復(fù)確認(rèn)。圖中的結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次的與軸承廠進(jìn)行溝通，確定采用的是M預(yù)壓對(duì)兩組軸承分別采用定位預(yù)壓的預(yù)緊方式進(jìn)行預(yù)緊。在滿足轉(zhuǎn)速和精度的前提下達(dá)到最大剛度。

5.軸承與主軸和箱體的配合

車床主軸軸承屬于外圈固定載荷，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)載荷的使用方式。這類軸承通常內(nèi)圈與主軸采用過盈配合，外圈與主軸箱之間采用間隙配合。主軸軸徑與箱體孔的公差可以根據(jù)軸承的內(nèi)徑與外徑公差來確定。但是這樣會(huì)使配合的公差帶較寬，有可能導(dǎo)致軸承預(yù)緊量和游隙的變化較大，因此，圖中的結(jié)構(gòu)采用的是根據(jù)軸承內(nèi)徑與外徑的實(shí)際測(cè)量尺寸來加工主軸直徑和箱體孔的辦法，這樣可以很好的保證主軸箱裝配后的高精度。

6.主軸的密封

車床的主軸密封通常有兩種。一種是接觸式密封，在配置了精密軸承的主軸箱中很少采用，因?yàn)榻佑|式密封的發(fā)熱量大。僅在速度較低和溫度升高對(duì)主軸工作沒有重大影響的場(chǎng)合，另外一種是非接觸式密封，這種密封雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，但是因?yàn)槊芊庑阅芰己?，污染物和切削液難以進(jìn)入軸承而被廣泛采用。

7.隔套的設(shè)計(jì)

在圖中的結(jié)構(gòu)中每一組軸承之間都有一組隔套，這樣一方面增加了軸承的作用點(diǎn)，對(duì)提高主軸抗彎能力很有利。另一方面來說增強(qiáng)了潤(rùn)滑的效果。值得一提的是同一組內(nèi)外隔套的寬度尺寸的一致性要嚴(yán)格保證，否則會(huì)影響軸承的預(yù)載荷。

8.總結(jié)

主軸箱作為數(shù)控車床最重要的部件之一，結(jié)構(gòu)也有很多種，每一種結(jié)構(gòu)都有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，很多因素都直接或間接的影響到主軸箱的整體性能。要綜合考慮受力，切削條件，環(huán)境等因素的影響，才能設(shè)計(jì)，制造出滿足要求的主軸。

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