1、影响机床主轴系统加工精度的分析刘桂芝(南京数控机床有限公司 ,江苏 南京 211100)摘 要 :分析了全功能数控车床主轴系统对加工精度的影响因素 ,并提出了相应的解决方法。关键词 :机床 ;主轴系统 ;加工精度中图分类号 :TH659 ;TH161 + 11 文献标识码 :B 文章编号 :167125276(2006) 0220057204Analysis of Processing Precision Influenced by Machine Spindle SystemL IU Gui2zhi(Nanjing CNC Machine Tool CO. , L TD. J S Nanji
2、ng 211100 , China)Abstract :The paper analyses the processing precision factors which is influenced CNC lathespindle system ,andputs forward corresponding measure.Key words :machine tool ;spindle system ;processing precision0 前言主轴系统是机床的重要部件 ,它包括主轴、轴承及支承主轴和轴承的主轴箱体等。对高速精密数控机床来说 ,其加工精度很大程度上取决于主轴系统的精度 ,
3、它受主轴系统的几何精度、静态和动态刚度及热性能的影响。因此在机床设计中如何提高主轴系统的精度是机床设计的关键。笔者从以下几方面来分析机床主轴系统对加工精度影响的因素 ,并提出相应的解决方法。1 主轴系统几何精度的影响主轴系统的几何精度主要指主轴的径向跳动和轴向窜动 。它由主轴、轴承和主轴箱体的精度所决定。要根据机床的加工精度要求和切削负荷 ,合理地确定主轴、轴承和主轴箱体的精度。1. 1 轴承的精度轴承内外圈的径向 、端面跳动和滚动体的精度都影响主轴的回转精度 ,径向跳动等于轴承在转动时内外圈壁厚的变动量 ;端面跳动等于轴承滚道与滚道之间的最宽和最窄距离之差。当主轴轴承为精密向心推力球轴承时
4、,由于受轴向和径向力的相互影响 ,轴承的端面跳动和径向跳动相互影响 ,另外滚道的跳动也会影响轴承的端面跳动和径向跳动。由于滚动体精度较高 ,在实际应用中 ,滚动体尺寸精度的影响可忽略不计。对于精密的主轴系统来说 ,为尽可能减小轴承的端面跳动和径向跳动对主轴精度的影响 ,除了根据机床的精度要求合理选用轴承的精度外 ,装配时还要测量轴承跳动的高低点 ,再找出与其相配零件(主轴和主轴箱体 )的误差高低点 ,使两者的误差相互抵消或部分抵消。1. 2 主轴和主轴箱体的精度在零件设计过程中往往对尺寸公差比较重视 ,对形状和位置误差注意得不够 ,在很多情况下甚至不提要求 ,这是不对的。因为轴承的内外圈均为薄
5、壁件 ,主轴轴颈和箱体孔的形状和位置误差很容易引起轴承滚道变形 ,以至影响轴承的旋转精度。数控机床主轴和主轴箱体的形状和位置公差一般按如下方法选配 :图 1 所示的主轴形位公差确定 ;图 2 所示的主轴箱体形位公差确定及表 1 主轴及主轴箱体形位公差确定参考 1 。图 1 主轴形位公差确定在设计中按照以上推荐的主轴和主轴箱体的机械制造与研究 刘桂芝影响机床主轴系统加工精度的分析Machi ne B uil di ng D 主轴箱前后轴承孔径即 D1、 D2 ;IT1、 IT2、 IT4 为相应尺寸公差等级图 2 主轴箱体形位公差确定主轴前后轴颈和箱体前后轴承孔都必须要有同轴度要求。一般情况下主
6、轴的同轴度比较容易达到 ,测量起来也比较方便 ,而箱体孔同轴度的保证和测量却比较困难。因此在主轴箱体孔加工之前要认真进行工艺分析 ,设计时要考虑前后轴承孔一次装夹加工完成 ,以减少多次装夹而产生的误差。2 主轴系统动静刚度的影响影响主轴系统动静刚度的因素有主轴轴承的配置 、预加载荷、主轴前后轴承的支承距、主轴组的动平衡以及主轴系统的动态性能等 ,必须根据具体的产品进行分析计算 ,并制定相应的工艺 ,保证达到各项性能指标。2. 1 主轴轴承的配置和预加载荷轴承可以通过不同的组合来满足各种机床的要求 。在进行机床设计时 ,根据机床的结构、精度、主轴的转速、负载等要求 ,确定机床主轴轴承的配置形式
7、,并根据承载情况确定合适载荷的轴承。对于数控车床来说 ,主轴轴承常用的配置形式有如下两种 :图 3 所示为主轴轴承的配置 1 ;图 4 所示为主轴轴承的配置 2。图 3 主轴轴承的配置 1图 4 主轴轴承的配置 2图 3 所示主轴工作端的接触球轴承的配置形式是三个一组 ,两个同向 ,一个背向 ,驱动端轴承是背对背排列 ;图 4 所示主轴工作端的轴承配置与图3 一样 ,驱动端配置为单列短圆柱滚子轴承 ,或双列短圆柱滚子轴承 ,其径向承载能力较图 3 的配置大。机床主轴轴承都必须有轴向预加载荷才能进行正常工作。预加载荷不仅可以消除轴承的轴向游隙 ,还可以提高轴承的刚度和主轴的旋转精度 ,抑制振动和
8、钢球自转时的打滑现象。根据重负荷、中等负荷和精密机床的不同类型 ,确定轴承的预加载荷形式 ,有重载、中载和轻载三种。一般切削负荷大 ;转速较低时 ,选重载 ;精密机床选轻载 ;中载介于两者之间。主轴轴承加载的紧固方式对主轴的运动精度有很大的影响 ,预紧螺母或预紧隔套的工作面必须与主轴回转中心垂直 ,否则在预紧时会使轴承歪斜 ,从而影响主轴的回转精度和轴承的温升。在对轴承进行加载紧固时 ,一种是采用专门设计的螺纹轴线与端面垂直度很高的锁紧螺母 (图5) 。锁紧螺母端面有四个锁紧螺钉 ,通过它们可以使螺母的牙形角产生弹性变形而不松动 ,达到锁紧机械制造与研究 刘桂芝影响机床主轴系统加工精度的分析
9、58 http :/ ZZHD. chinajournal. net. cn E2mail : ZZHD chinajournal. net. cn 机械制造与自动化主轴的效果。图 5 锁紧螺母另外一种是用一个与轴过盈配合的套 ,将套加热后套到轴上 ,根据轴承的预载形式加上适当的推力 F , 使轴承组预紧 ,这时套就会紧紧地固定在轴上 ,如图 6 所示的锁紧方式。由于套的内孔和端面的垂直度容易保证 ,从而可以保证主轴的精度。需要拆卸时 ,用专用的工具将压力油通过注油口将套内孔胀大 ,可以方便地将套取下。图 6 用套锁紧方式不同的轴承配置和预加载荷对主轴系统的静刚度影响很大 ,要合理选择轴承的配
10、置 和预加载荷 ,以满足不同机床的性能和精度要求。2. 2 主轴前后轴承的支承距主轴前后轴承的支承距是指主轴相邻两支承反力作用点之间的距离 。在设计中除根据机床结构要求保证主轴的轴径、主轴悬伸量外 ,还要合理地确定前后轴承的支承距 L , 使得主轴部件有最大的静刚度。见图 7 (a)主轴支承及受力和图 7 (b)支承受力变形简图。图中 :Fr 主轴系统所受径向力 ;L 支承中心距 ; S 主轴系统挠度 ;CS 主轴系统刚度 ; L 轴承 A 和轴承 B 合成后的挠度 ; W 主轴挠度 ;图 7 A 主轴轴承 A 的挠度 B 主轴轴承 B 的挠度在箱体轴承孔不变的情况下 ,用 B719 系列轴承
11、替换 B72 ,B70 系列轴承可以显著增加主轴直径 ,图 8 所示为轴承规格对主轴轴径的影响。图 8 轴承规格对主轴轴径的影响以 D 180mm 的 箱 体 孔 为 例 , 分 别 配 置B71926E、 B7024 和 B7220 轴承 ,其主轴前轴颈直径分别为 d 130mm、 d 120mm 和 d 100mm ,从图8 中可以看出 ,B71926E 轴承的使用 ,可以大幅度提高主轴直径。图 9 为三种轴承配置的中心距与轴承刚性的图 9 轴承配置的中心距与轴承刚性的关系关系从曲线图看出 ,也是 B71926E 的情况最好 ,当机械制造与研究 刘桂芝影响机床主轴系统加工精度的分析Mach
12、i ne B uil di ng 另外 ,主轴箱采用热对称结构 ,主轴受热后轴线不发生偏移 ,可保证主轴系统有较高的精度。4 小结影响主轴系统精度的因素很多 ,不同的机床 ,有不同的主轴结构和轴承配置 ,需根据机床的精密程度、负荷大小进行合理的主轴系统设计 ,以保证主轴系统有较高的精度和精度保持性。参考文献 : 1 机床精密轴承之配列设计 SKF Lief Lewinschal Z12 高效机床的心脏轴承和主轴部件 FAG Kugelfischer Z1技术刊物号 :02113/ 2 中文版 (特刊 ) ,1995 , (4) :871 3 机床设计手册 (3)“部件、机构及总体设计” M 1 北京 :机械工业出版社 ,19861收稿日期 :2006201224机械制造与研究 刘桂芝影响机床主轴系统加工精度的分析 60 http :/ ZZHD. chinajournal. net. cn E2mail : ZZHD chinajournal. net. cn 机械制造与自动化
