数控车床主轴结构的设计与分析

王燕

摘要：文章介绍了目前数控车床主轴的结构特点，通过与轴承公司合作的实例详细介绍了速度型数控车床主轴的结构特点。讨论了轴承类型，轴承预紧，轴承配合，润滑方式，隔套等主要零件的设计方法与注意事项。

关键词：数控车床;速度型;车床主轴

引言

近年来，随着装备制造业的不断发展，机床的性能和档次也在不断的提升。主轴作为数控车床最重要的部件之一，直接关系到机床的整体性能，和被加工零件的精度和质量。因此主轴的结构和精度也是客户最关注的方面之一，下面把在数控车床上所采用的速度型主轴结构作一个简单的分析和介绍。

图一：主轴结构

1.性能参数

该主轴结构经过与日本NSK轴承公司的反复确认核实，通过模拟实验得出如下数据（见表一）：在最高转速2500r/min，无载荷的情况下运转可以超过20万小时，外圈温升15℃，内外圈温差2℃，满足设计要求。

表一：实验数据

轴承型号 额定动

載荷

（N） 额定静

载荷

（N） 允许轴

向载荷

（N） 预载荷

（N） 轴向

刚性

（N/μm） 径向

刚性

（N/μm）

7038A5BTA

DBDMP4 505000 875000 262000 11000 1000 2450

7036CDB

MP4 370000 550000 175000 4200 300 1800

2.轴承的确定

主轴的最大允许转速是由运转过程中产生的热量决定的，而热量的产生又受到轴承类型，轴承尺寸，轴承预紧，外部载荷，润滑条件，配件精度和主轴箱结构等诸多因素的影响。从实际应用情况来看大部分热量是由滚动轴承的摩擦产生，因此具有低摩擦系数的球轴承比较适合高速场合的应用。

3.润滑方式的确定

常用的润滑方式有两种，一种是油脂润滑，另一种是稀油润滑。油脂润滑优点是结构设计简单，由于油脂本身的特性有助于防止污染无和湿气进入轴承。并且可以在一段时间内免维护。缺点是在高速情况下油脂易老化，寿命短，而且不能把热量带走。采用循环稀油润滑可以及时把产生的热量带走，能够保证主轴系统的低工作温度，从而确保主轴的精度。但是，循环油润滑结构相对复杂。要控制润滑油的速度，流量和粘度，并且要对油进行过滤，对循环系统进行定期维护确保润滑油的清洁。综合两种润滑方式的优点与缺点，图中结构采用了循环油润滑来最大限度的来降低温升对主轴性能的影响。

4.游隙与预紧量的确定

对主轴轴承施加预紧，有很多好处，可以减小轴承的游隙，提高主轴的旋转精度，提高主轴的刚性和抑制主轴的震动与噪音。但同时也增大了摩擦，增加发热量，因此施加的预紧量要特别注意。如果预紧量过大会引起轴承发热量异常增加，甚至引起轴承烧伤或者剥落损坏。因此游隙和预紧量要根据所需要的转速和刚性与轴承厂商反复确认。图中的结构经过多次的与轴承厂进行沟通，确定采用的是M预压对两组轴承分别采用定位预压的预紧方式进行预紧。在满足转速和精度的前提下达到最大刚度。

5.轴承与主轴和箱体的配合

车床主轴轴承属于外圈固定载荷，内圈旋转载荷的使用方式。这类轴承通常内圈与主轴采用过盈配合，外圈与主轴箱之间采用间隙配合。主轴轴径与箱体孔的公差可以根据轴承的内径与外径公差来确定。但是这样会使配合的公差带较宽，有可能导致轴承预紧量和游隙的变化较大，因此，图中的结构采用的是根据轴承内径与外径的实际测量尺寸来加工主轴直径和箱体孔的办法，这样可以很好的保证主轴箱装配后的高精度。

6.主轴的密封

车床的主轴密封通常有两种。一种是接触式密封，在配置了精密轴承的主轴箱中很少采用，因为接触式密封的发热量大。仅在速度较低和温度升高对主轴工作没有重大影响的场合，另外一种是非接触式密封，这种密封虽然结构复杂，制造困难，但是因为密封性能良好，污染物和切削液难以进入轴承而被广泛采用。

7.隔套的设计

在图中的结构中每一组轴承之间都有一组隔套，这样一方面增加了轴承的作用点，对提高主轴抗弯能力很有利。另一方面来说增强了润滑的效果。值得一提的是同一组内外隔套的宽度尺寸的一致性要严格保证，否则会影响轴承的预载荷。

8.总结

主轴箱作为数控车床最重要的部件之一，结构也有很多种，每一种结构都有它的优点和缺点，很多因素都直接或间接的影响到主轴箱的整体性能。要综合考虑受力，切削条件，环境等因素的影响，才能设计，制造出满足要求的主轴。

参考文献：

[1]机床设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.8

[2]戴曙主编.金属切削机床设计[M].北京：机械工业出版社，1981