主轴部件结构与性能分析

数控机床的主轴部件是机床各部件中的重要部件之一，其结构及工作性能直接影响加工精度、加工质量、生产率及刀具的寿命。主轴部件在主轴箱内，由主轴、主轴支承、工件或刀具自动松夹机构、主轴定向准停机械等组成。对于标准型号的数控机床，主轴箱内还有齿轮或带轮组成的自动变速机构，与无级调速的主轴伺服电动机配合达到扩大变速范围的目的。主轴系统结构如图2.1所示。

1.主　轴

数控车床主轴的两端安装着结构笨重的动力卡盘和夹紧液压缸，所以其刚度必须进一步提高，并应设计合理的连接端，以改善动力卡盘与主轴端的连接刚度。

图2.1　主轴系统结构图

1—刀具；2—拉钉；3—钢球；4—锥套；5—蝶簧；6—拉杆；7—空心螺钉；8—液压缸；9—顶杆

2.主轴支承

（1）主轴轴承的配置。

每一个传动轴均要轴向、径向定位，合理配置主轴的轴承，对提高主轴部件的精度和刚度，降低支承温升，简化支承结构有很大的作用。主轴的前后支承均应配置承受径向载荷的轴承和承受轴向力的推力轴承，这主要根据主轴部件的工作精度、刚度、温升和支承结构的复杂程度等因素考虑。按推力轴承位置不同，可有如图2.2所示常见的几种配置形式。

图2.2（a）所示为后端定位。推力轴承装在后支承的两侧，轴向载荷由后支承承受，这种形式的配置对于细长主轴承受轴向力后可能引起横向弯曲，同时主轴单变形向前伸长，影响加工精度。但这种配置能简化前支承的结构，多用于普通精度机床的主轴部件。

图2.2（b）所示为两端定位。推力轴承分别装在前、后支承的外侧，轴承的轴向间隙可以在后端进行调整。但是主轴热伸长后，会改变支承的轴向或径向间隙，影响加工精度。这种配置方案一般用于较短或能自动预紧的主轴部件。

图2.2　主轴支承配置形式

图2.2（c）和图2.2（d）所示为前端定位。推力轴承装在前支承，刚度较高，主轴部件热伸长向后，不致影响加工精度。图2.2（c）所示的推力轴承装在前支承的两侧，会使主轴的悬伸长度增加，影响主轴的刚度；图2.2（d）所示为两个推力轴承都装在前支承的内侧，这种配置，主轴的悬伸长度小，但是前支承较复杂，一般高速精密机床的主轴部件都采用这种配置方案。

（2）常用滚动轴承的类型。

轴承的性能不但影响主轴组件的旋转精度，而且精度越高，各滚动体受力越均匀，有利于提高刚度和抗振性，减少数控机床的机械磨损，提高寿命。数控机床主轴用的轴承，主要有滚动和滑动两大类。数控机床的主轴多数采用滚动轴承，其中特别多用角接触球滚动轴承和圆锥滚子轴承，如图2.3所示。线接触的圆锥滚子轴承比点接触的角接触球滚动轴承刚度高，但一定温度下，线接触的圆锥滚子轴承允许的转速较低。二者因为可以同时承受轴向力和径向力，结构简单，装调维护方便，在数控机床上被广泛应用。(www.xing528.com)

图2.3　主轴部件常用滚动轴承的类型

在主轴的机构上，要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。为了尽可能减少主轴部件温升热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些数控镗床、铣床上采用专用的制冷装置，比较理想地实现了温度控制。近年来，某些数控机床的主轴轴承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用7～10年。为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫密封方式。

3.主轴卡盘

为了减少辅助时间和劳动强度，并适应自动化和半自动化加工的需要，数控机床多采用动力卡盘装夹工件。目前使用最多的是自动定心液压动力卡盘，该卡盘主要由引油导套、液压缸和卡盘3部分组成。

4.拉刀机构及吹净机构

在某些带有刀具库的数控机床中，主轴部件除具有较高的精度和刚度以外，内部还带有拉刀机构和主轴孔内的切削吹净装置。这主要是因为主轴内锥面的吹净是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，再拉紧刀具时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，使刀杆发生偏斜，破坏刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。主轴锥孔的清洁常用压缩空气，将锥孔清理干净，并将喷射小孔设计成合理的喷射角度，且均匀分布，以提高吹屑的效果。

5.主轴准停装置

自动换刀数控机床的主轴部件设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停止在固定不变的轴向位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀具上的键槽，同时使每次装刀时刀具与主轴的相对位置不变，以提高刀具的重复安装精度。

主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换挡等场合，有3种实现方式：

（1）机械准停控制。由带V形槽的定位盘和定位用的液压缸配合动作。

（2）磁性传感器的电气准停控制。图2.4所示为机床主轴采用的磁性传感器准停装置。发磁体安装在主轴后端，磁传感器安装在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，发磁体和磁传感器之间的间隙为（1.5±0.5）mm。

图2.4　磁性传感器主轴准停装置

1—磁传感器；2—发磁体；3—主轴；4—支架；5—主轴箱

（3）编码器型的准停控制。通过主轴电动机内置安装或在机床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。