机床主轴几何误差及其影响因素分析

机床是工艺系统中重要的组成部分，加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，机床的制造误差、安装误差、使用中的磨损都直接影响工件的加工精度。

这里着重分析对工件加工精度影响较大的主轴回转运动误差、导轨导向误差和传动链传动误差。

1.主轴回转运动误差

机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具，主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。

（1）主轴回转精度的概念

主轴回转时，在理想状态下，主轴回转轴线在空间的位置是稳定不变的，但是，由于主轴、轴承、箱体的制造和安装误差以及受静力、动力作用引起的变形、温升热变形等，主轴回转轴线任一瞬时都在变化（漂移），通常以各瞬时回转轴线的平均位置作为平均轴线来代替理想轴线。主轴回转精度是指主轴的实际回转轴线与平均回转轴线相符合的程度，它们的差异就称为主轴回转运动误差。主轴回转运动误差可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式。如图6-1所示。

（2）影响主轴回转精度的主要因素

实践和理论分析表明，影响主轴回转精度主要因素有主轴的误差、轴承的误差、床头箱体主轴孔的误差以及与轴承配合零件的误差等。当采用滑动轴承时，影响主轴回转精度的因素有主轴颈和轴瓦内孔的圆度误差以及轴颈和轴瓦内孔的配合精度。

对于镗床类机床，因为切削力方向是变化的，轴瓦的内孔总是与主轴颈的某一固定部分接触。因而，轴瓦内孔的圆度误差对主轴回转精度影响较大，主轴轴颈的圆度误差对主轴回转精度影响较小，如图6-2（a）所示。

图6-1　主轴回转运动误差

（a）轴向窜动；（b）径向圆跳动；（c）角度摆动

图6-2　滑动轴承对主轴回转精度的影响

（a）镗床类；（b）车床类

对于车床类机床，轴瓦内孔的圆度误差对加工误差影响很小。因为切削力方向不变，回转的主轴轴颈总是与轴瓦内孔的某固定部分接触，因而轴瓦内孔的圆度误差对主轴回转运动误差影响几乎为零，如图6-2（b）所示。

采用滚动轴承的主轴部分影响主轴回转精度的因素很多，如内圈与主轴颈的配合精度，外圈与箱体孔配合精度，外圈、内圈滚道的圆度误差，内圈孔与滚道的同轴度，以及滚动体的形状精度和尺寸精度。

床头箱体的轴承孔不圆，使外圈滚道变形；主轴轴颈不圆，使轴承内圈滚道变形，都会产生主轴回转误差。主轴前后轴颈之间、床头箱体的前后轴承孔之间存在同轴度误差，会使滚动轴承内外圈相对倾斜，使主轴产生径向跳动和端面跳动。此外，锁紧螺母端面的跳动等也影响主轴的回转精度。

（3）提高主轴回转精度的措施(www.xing528.com)

①提高主轴、箱体的制造精度。主轴回转精度只有20%决定于轴承精度，而80%取决于主轴和箱体的精度和装配质量。

②高速主轴部件要进行动平衡，以消除激振力。

③滚动轴承采用预紧。轴向施加适当的预加载荷（约为径向载荷的20%～30%）、消除轴承间隙，使滚动体产生微量弹性变形，可提高刚度、回转精度和使用寿命。

④采用多油楔动压轴承（限于高速轴承）。

⑤采用静压轴承。静压轴承由于是纯液体摩擦，摩擦系数为0.000 5。因此，摩擦阻力较小，可以均化主轴颈与轴瓦的制造误差，具有很高的回转精度。

⑥采用固定顶尖结构。如果磨床前顶尖固定，不随主轴回转，则工件圆度只和一对顶尖及工件顶尖孔的精度有关，而与主轴回转精度关系很小。主轴回转只起传递动力以带动工件转动的作用。

2.导轨导向误差

导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。车床导轨的精度要求主要有以下三个方面：在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行度（扭曲）。

（1）水平面内导轨直线度的影响

由于车床的误差敏感方向在水平面（Y轴方向），所以直线度对加工精度影响极大。导轨误差为ΔY，引起尺寸误差Δd=2ΔY。当导轨形状有误差时，会造成圆柱度误差，如当导轨中部向前凸出时，工件产生鞍形（中凹形）；当导轨中部向后凸出时，工件产生鼓形（中凸形）。

（2）垂直面内导轨直线度的影响

对车床来说，垂直面内（轴方向）不是误差的敏感方向，但也会产生直径方向误差。

（3）前后导轨的平行度的影响

当前后导轨存在平行度误差（扭曲）时，刀架运动时会产生摆动，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。

3.传动链误差

传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差，一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。传动机构越多、传动线路越长，传动误差就越大。若要减小这一误差，除了提高传动机构的制造精度和安装精度外，还可以采用缩短传动路线或附加校正装置。