精密数控车床主轴及刀架设计.doc

精密数控车床主轴及刀架设计引 言数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。 尽管近几年我国机床工具行业已经取得了很大进步，但在当前国内外机床市场竞争极其激烈的形势下，我国的机床工具行业则显得竞争力不强，主要表现在我国是机床消费大国还不是机床强国、机床拥有量大但水平低、产品构成依然落后、产品创新能力差、机床可靠性还有待提高等方面。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用。当前数控车床呈现高速、高精密化， 高可靠性，数控车床设计CAD化、结构设计模块化 、功能复合化 ，智能化、网络化、柔性化和集成化的发展趋势。第一章 毕业设计题目设计题目是超精密数控车床关键部件的设计，包括主轴系统和刀架系统。该数控车床具有很高的主轴转速和加工精度，其中主轴设计的最大转速为8000r/min，无级变速，主轴径向跳动允差为0.001mm，主轴轴向窜动允差为0.001mm，刀具最大切削深度1mm，最小切削深度50nm。用于加工轴类零件，最大切削直径为25mm。设计要求对数控车床的主轴部件进行详细设计及分析计算，包括主轴驱动电动机的选择，使主轴在工作时满足超精密数控车床的加工要求；对刀架系统，需要进行参考性设计，确定数控车床的整体结构及尺寸，并进行大致分析。第二章 设计总体方案2.1 主轴部件的设计方案主轴部件由主轴、轴承、传动件（如齿轮、带轮）和固定件（如螺母）等组成，是机床的重要组成部分。机床工作时由主轴夹持工件（车床）或刀具（钻床、镗床、铣床、磨床等）直接参加表面成形运动，所以，主轴部件的工作性能对加工质量和机床生产率有重要影响。主轴部件中最重要的组件是轴承，由于主轴转速很大，回转精度要求很高，故采用精密角接触陶瓷球轴承支承，轴承润滑方式采用油脂润滑，轴承的密封形式采用迷宫密封；根据主轴工作情况，主轴支承采用前后两个支承，这种方式结构简单，制造装配方便，容易保证精度；主轴的传动方式采用一级传动，将伺服电动机动力通过同步带直接传递给主轴，这样的优点是使结构紧凑，装卸方便，同时伺服电动机的转速特点也满足了主轴无级变速的要求。2.2 刀架系统的设计方案刀架系统是机床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床设计制造技术的水平。随着数控车床的不断发展，刀架系统结构形式也在不断翻新。刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。数控车床是一种高度自动化的机床，它的刀架一般都采用自动（电气或液压）的转位方式。按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有转塔刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。 但大体分为排刀式刀架和转塔刀架两大类。由于转塔刀架具有刚度大、重复定位精度高、结构简单等一系列优点，所以刀架系统采用回转式转塔刀架，根据加工要求设计成圆盘式刀架并可同时装夹8把刀具，刀架进给运动采用伺服电动机驱动滚珠丝扛来实现。 第三章 主轴部件设计3.1 数控车床主轴传动系统的设计机床主轴传动系统因机床的类型、性能、规格尺寸等因素的不同，应满足的要求也不一样。设计机床主轴传动系统最基本的原则就是以最经济合理的方式满足既定的要求。在设计时应结合具体机床进行分析，一般应满足下述基本要求：1）满足机床使用性能要求。首先满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数（对于主传动为直线运动的机床，则有足够的每分钟双行程数范围及变速级数）。传动系设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠等。2）满足机床传递动力要求。主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和扭矩，具有较高的传递效率。3）满足机床工作性能的要求。主传动中所有零件、部件要有足够的刚度、精度和抗震性，热变形特性稳定。4）满足产品设计经济性的要求。传动链尽可能简短，零件数目要少，以便节省材料，降低成本。5）调整维修方便，结构简单、合理，便于加工装配。防护性能好，使用寿命长。根据设计的要求，机床的主轴传动系统采用交流伺服电动机的无级变速系统。它的优点是可进行无级调速，以得到最有利的切削用量和最小的相对生产率损失；允许在负载下变速，缩短变速时间；具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低；可实现保持恒功率切削，换向迅速平稳；大大简化齿轮变速箱，缩短传动链，提高传动平稳性。3.1.1主轴部件的传动方式主轴旋转运动传动方式的选择，决定于主轴转速的高低，所传递扭矩的大小，对运转平稳性的要求及结构紧凑、装卸维修方便等。机床主轴常用的传动方式有：1）齿轮传动。优点是结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。2）带传动。优点是传动平稳，噪音小，适宜高速传动并有过载保护作用。3）电动机直接传动。优点是纯扭矩传动，可减少主轴的弯曲变形，省却传动件，转速可更高。随着各种新材料及新型传动带的出现，带传动的应用日益广泛。由于圆弧同步齿形带具有无相对滑动，传动比准确，传动精度高,强度高，无须特别张紧，对轴和轴承的压力小，传动效率高，不需要润滑，能在高温下工作，维护方便，且可传递超过100KW以上的动力，传动速度可达50m/s,传动比可达1：10以上等诸多优点。因此根据机床主轴设计要求，选用圆弧同步齿形带传动。主轴传动由图3-1所示：图3-1 主轴传动方式简图3.1.2主传动功率计算主传动功率是选择电动机的依据，可根据消耗在切削过程中的切削功率和传动链的总效率确定,切削功率为主切削力和进给力做功所消耗的功率之和。 式中 切削力（N）； 切削速度（m/s）； 进给力（N）； 工件转速（r/s）； 进给量（mm/r）. 根据数控车床的最大转速Smax=8000PRM和最大加工半径25mm，刀具最大切削转速、主轴切削力及切削功率计算如下：最大切削速度 切削力经验公式： 式中 取决于被加工材料和切削条件的切削力参数； 分别为三个分力公式中的背吃刀量、进给量f和切削速度的指数； 当实际加工条件与建立经验公式的试验条件不相符时，各种影响因素对各切削分力的修正系数的乘积。 表3-1列出了在不同工况条件下进行车削试验经数据处理得到的上述有关系数和指数（其中只摘录了加工材料为结构钢及铸钢650MPa部分）表3-1 车削力公式中的系数和指数（摘录）注：刀具切削部分几何参数：硬质合金车刀=45、=10、=0；高速钢车刀=45、=2025、刀尖圆弧半径=2mm 。 从表3-1中我们看到，在选择不同的刀具和工件材料情况下，车削力公式的系数和指数不同。可见，在计算计算切削力之前，应先确定刀具材料。3.1.3常用刀具材料刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。1）高速钢高速钢是加入了较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度（6267HRC）和耐热性，在切削温度高达500600时仍能进行切削；高速钢的强度高（抗弯强度是一般硬质合金的23倍，陶瓷的56倍）、韧性好，可在有冲击、振动的场合应用；可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。高速钢的制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢。普通高速钢是切削硬度在250280HBS以下的大部分结构纲和铸铁的基本刀具材料，切削普通钢料时切削速度一般不高于4060m/min。高性能高速钢是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素熔炼而成，其耐热性好，在630650时仍能保持接近60HRC的硬度，适用于加工高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能。高速钢刀具的发展方向是推广使用粉末冶金高速钢和涂层高速钢刀具。由于表面涂层技术的发展，在高速钢刀具表面PVD涂层TiN、TiCN、TiAlN后，切削速度可进一步提高。2）硬质合金刀具 硬质合金是用高硬度、难熔的金属(WC、TiC等)和金属粘结剂（Co、Ni等）在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达8993HRA，760时硬度为7785HRA，在8001000时硬质合金还能进行切削，刀具寿命比高速钢高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/81/30，因此硬质合金承受砌削振动和冲击的能力较差。硬质合金是最常用的刀具材料之一，常用于制造车刀和面铣刀，也可用硬质合金制造深孔钻、绞刀、拉刀和滚刀。为提高高速钢、硬质合金刀具的耐磨性和使用寿命，在硬质合金或高速钢基体上涂覆一层难熔金属化合物，如TiC、TiN、Al2O3等。涂层一般采用CVD法（化学气象沉积法）或PVD法（物理气象沉积法）。涂层刀具表面高硬度高、耐磨性好、其基体又具有良好的抗弯强度和韧性，可使硬质合金刀片的寿命提高13倍以上，高速钢刀具的寿命提高.510倍以上。3）其它刀具材料a.人造金刚石 人造金刚石是借助某些合金的触媒作用，在高温高压下由石墨转化而成，可用于 加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、高耐磨材料。人造金刚石目前主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料主要用于有色金属的高速精细切削。b. 陶瓷用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类：氧化铝（Al2O3）基陶瓷和氮化硅(Si3N4)基陶瓷。Al2O3基陶瓷硬度高达9195HRA，耐磨性好、耐热性好、化学稳定性高、抗粘结能力强，但抗弯强度和韧性差，这种陶瓷用于精加工和半精加工冷硬铸铁、淬硬钢很有效。Si3N4基陶瓷有较高的抗弯强度和韧性，适于加工铸铁及高温合金，切削钢料效果不显著。c. 立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成，其硬度高达8000HV，仅次于金刚石。CBN是一种新型刀具材料，可耐13001500的高温，热稳定性好，化学稳定性也很好。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。综上所述，选用硬质合金车刀并经表面PVD涂层TiN。 3.1.4切削力和切削功率的计算车刀切削部分主要几何参数：10，8，6，0，45， 10，刀尖圆弧半径2mm。又已知切削用量：ap1mm，f0.4mm/r 。加工条件与表中试验条件相同，相应的各项修正系数值均为1。 由公式得：27950.95N504.5N 19400.85N155.0N 28800.85N117.2N =5.29kW根据切削功率选择电动机，还要考虑机床的传动效率。一般取为0.750.85，由于机床主轴采用伺服电动机带动同步带轮的一级传动链，并且轴承精度等级很高，故机床主传动效率很高，可取较大值，这里取0.85，则 kW6.22kW并由此选取车床主轴电动机功率。3.1.5 主轴驱动电动机的选择由上面计算结果，可对主轴驱动系统所需的电动机进行选择。由于伺服电动机比普通电动机具有更加优越的控制速度和位置精度，因此主轴传动选用伺服电动机。伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机，现对两种电机特点进行下说明。直流伺服电动机分为有刷和无刷电动机。有刷电动机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电动机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电动机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电动机也是无刷电动机。交流伺服电动机又分为异步型交流伺服电动机和同步型交流伺服电动机。异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机，它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式之分，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量约轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济的实现范围较宽的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流；因而令电网功率因数变坏。目前运动控制中一般都用同步电动机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。同直流伺服电动机比较，交流伺服电动机主要优点如下： 1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低； 2）定子绕组散热比较方便；3）惯量小，易于提高系统的快速性；4）适应于高速大力矩工作状态；5）同功率下有较小的体积和重量。从上面的对比中选择异步交流伺服电动机驱动主轴。计算得到的机床功率PE6.22kW，由此选择交流伺服电动机额定功率P7.5kW。一般交流伺服电动机难以满足超精密数控车床对主轴电动机的严格要求，由于FANUCAC主轴电动机 i系列伺服电动机具有高速、高精度、高效率，可促进机床的高速、高精度和紧凑设计的优点，故选用 i系列伺服电动机。 电动机型号：ALPHA 8/10000i -H-STRAIGHT SHAFT ，振动等级为V3，振动的双峰值小于3m，电动机功率：7.5KW，额定力矩：17.9 Nm ，最大力矩：71.6 Nm ，转动惯量：0.0275 kg，额定转速：4000 rpm ，最大转速：10000 rpm 。3.2 主传动圆弧同步带及带轮设计圆弧同步带的传动比可达1：10，由于主轴的最高转速为8000RPM，电动机的额定转速4000RPM，故取同步带传动比=2（增速传动），当增速传动时，表3-2所列的系数需要加到修正系数中去。表3-2 增速传动时加到修正系数中的系数增速比1.001.241.251.741.752.492.503.493.50 系 数 0 0.1 0.2 0.3 0.4齿形带传动属于啮合传动，不存在相对滑动，因此齿形带传动的设计计算准则是，应保证齿形带有足够的强度。由于强度不够齿形带在工作时可能产生的失效形式有：1）由于强力层的强度不够而引起的强力层弯曲疲劳破坏；2）在冲击载荷的作用下，强力层产生断裂或从齿背中抽出；3）由于强力层伸长，使齿带齿距改变，引起爬齿；4）带齿的磨损、弯曲、剪断和老化龟裂等。综上所述，齿形带的强度计算主要应该限制作用在齿形带单位宽度上的拉力，以保证一定的使用寿命。圆弧齿形带及其带轮设计：1）设计功率：（取工况系数1.6，增速系数按表3-1取0.2）2）带型、节距：根据小轮转速=8000RPM，查相关图表选取带型为5M， 即5mm，因单根带基本额定动率难以满足功率要求，可取多排齿形带。3）小带轮齿数、大带轮齿数：查表取56，8000RPM时单根带的额定功率为2.1KW，权衡多排链额定功率与单排链额定功率倍数关系和圆弧齿形带自身特点，这里取8排带，按单排带额定功率的6.5倍取，则基本额定功率为2.16.5KW=13.65KW，可满足设计要求。大带轮齿数112。4）小带轮节圆直径与大带轮节圆直径：89.13mm ，178.26mm 。5）带速：37.32m/s ，满足4050m/s的要求。6）初定中心距：由经验公式有， ，得187.17mm600r/min时，自由表面的光洁度不应低于6。f. 线速度3m/s的主轴部件应进行动平衡。由于超精密数控车床要求的精度比一般的机床高很多，故以上所有参数经查表后，均可提高12级。2.主轴和壳体孔相配合部分的技术要求主轴和壳体孔相配合部分的技术要求直径公差和形位公差，可参考表3-4制定。 表3-4 主轴颈和壳体孔技术要求3.主轴主要技术要求的确定主轴部件回转精度主轴前、后轴承轴颈的同轴度，锥孔相对于前、后轴颈中心连线的径向跳动，定心轴颈及其定位轴肩相对于前、后轴颈中心连线的径向和轴向跳动，是决定主轴精度的主要技术要求项目，直接影响主轴部件的回转精度。本设计中主轴的技术要求，需根据主轴部件的回转精度确定。本车床的主要回转精度前面已列出：主轴径向跳动允差为0.001mm，主轴轴向窜动允差为0.001mm 。对于主轴轴肩支承面的轴向跳动允差，参考同类机床数据，取0.002mm ；主轴定心轴颈的径向跳动允差也要求为0.002m 。其它技术要求查机床设计手册，根据所设计车床高精度的特点，确定主轴的主要技术要求：轴承轴颈相对于前、后轴颈中心连线的跳动为0.10.2m ；弹性夹头定心轴颈相对于前、后轴颈中心连线的跳动为0.150.3m ；定位轴肩相对于前、后轴颈中心连线的跳动为0.150.3m ；由于主轴转速很高，故表面光洁度取较高值。轴承轴颈的表面光洁度为1213；夹头定心轴颈的表面光洁度为11；定位轴肩的表面光洁度为10。3.5主轴轴承主轴部件中最重要的组件是轴承。轴承的类型、精度、结构、配置方式、安装调整、润滑和冷却等状况，都直接影响到机床的转速、回转精度、刚性、抗颤振动切削性能、噪声、温升及热变形等，进而影响到加工零件的精度、表面质量等。机床主轴用轴承，有滚动和滑动两大类。从旋转精度来看，两类轴承都能满足要求。其他指标相比，滚动轴承比滑动轴承的优点是：滚动轴承能够在转速和载荷变化幅度很大的条件下工作；滚动轴承能在无间隙甚至在有一定的过盈量下工作；摩擦系数小，有利于减小发热；润滑容易，可以用润滑脂、润滑油润滑，如果用油润滑单位时间所需油量也远比滑动轴承小。对主轴轴承的要求是旋转精度高、刚度高、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大，摩擦小、噪音低、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等等。在选用主轴轴承时，应对该主轴部件的主要性能要求、制造条件、经济效果综合考虑。因此，根据上述分析，主轴轴承选用滚动轴承。3.5.1主轴部件常用滚动轴承1.角接触球轴承角接触球轴承又称向心推力球轴承，极限转速较高，可以同时承受径向和一个方向的轴向载荷，接触角有15、25、40和60等多种，接触角越大可承受的轴向力越大。主轴常用的角接触球轴承的接触角多为15和25。角接触球轴承必须成组安装，以便承受两个方向的轴向力和调整轴承间隙或进行预紧。常用的安装方式有背靠背安装(如图1a)、面对面安装（如图1b）,背靠背安装比面对面安装轴承具有较高的抗颠覆力矩能力。图1C为三个成一组，两个同向的轴承承受主要方向的轴向力，与第三个背靠背安装。a)背靠背 b)面对面 c)两个同向、一个反向 图3-2 角接触球轴承的组配2.双列短圆柱滚子轴承双列短圆柱滚子轴承特点是：内圈有1：12的锥孔与主轴的锥形轴径相匹配，轴向移动内圈，可以把内圈涨大，用来调整轴承的径向间隙和预紧；轴承的滚动体为滚子，能承受较大的径向载荷和较高的转速；轴承有两列滚子交叉排列，数量较多，因此刚度很高；不能承受轴向载荷。3.圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承轴承有单列和双列两类。单列圆锥滚子轴承可以承受径向载荷和一个方向的轴向载荷，双列圆锥滚子轴承能承受径向载荷和两个方向的轴向载荷。圆锥滚子轴承内圈仅在滚子大端有挡边，内圈挡边与滚子之间为滑动摩擦，所以发热较多，允许的最高转速低于同尺寸的圆柱滚子轴承。4.推力轴承推力轴承只能承受轴向载荷，它的轴香承载能力和刚度较大。推力轴承在转动时滚动体产生较大的离心力，掎压在滚道的外侧。由于滚道深度较小，为防止滚道的激烈磨损，推力轴承允许的转速较低。5.双向推力角接触球轴承双向推力角接触球轴承用来承受双向轴向载荷，常与双列短圆柱滚子轴承配套使用。双向推力角接触球轴承传动时滚动体的离心力由外圈滚道承受，允许的极限转速比上述推力球轴承高。6.陶瓷滚动轴承陶瓷滚动轴承的材料为氮化硅（Si3N4），在高速下，陶瓷滚动轴承与钢制滚动轴承相比具有优点是：重量轻，作用在滚动体上的离心力及陀螺力矩较小，从而减小了压力和滑动摩擦；滚动体热胀系数小，温升较低，轴承在运转中预紧力变化缓慢，运动平稳；弹性模量大，轴承刚度增大，常采用润滑脂或油气润滑。表3-5列举了陶瓷轴承与轴承钢的物理性能。表3-5 陶瓷轴承与轴承钢的物理性能项 目陶瓷（）轴承钢1000注：为密度；为泊松比；为抗弯强度常用的陶瓷轴承有三种类型：1） 滚动体用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用轴承钢制造；2） 滚动体和内圈用陶瓷材料制成，外圈用轴承钢制造；3） 全陶瓷轴承，既滚动体、内外圈全都用陶瓷材料制成。在第1、2类陶瓷轴承滚动体和套圈采用不同材料，运转时分子亲和力很小摩擦系数小，并有一定的自润滑能力，可在供油中断无润滑的情况下正常运转，轴承不会发生鼓掌。适用于高速、超高速、精密机床的主轴部件。第三类适用于耐高温、耐腐蚀、非磁性、电绝缘或要求减轻重量和超高速场合。3.5.2主轴轴承精度主轴轴承的精度，应该用P2、P4、P5三级，相当于ISO标准的2、4、5级。此外又规定了SP级和UP级作为补充。SP和UP级的旋转精度，分别相当于P4和P2级，内外圈的尺寸精度，则分别相当于P5和P4级。由于轴承的工作精度主要取决于旋转精度，壳体孔和主轴颈是根据一定的间隙和过盈要求配作的，因此，轴承内、外径公差即使略宽也并不影响工作精度，但却可以降低成本。向心轴承（接触角小于45的轴承），如用于切削力方向固定的主轴如车、铣、磨床等在主轴，对轴承的径向回转精度影响最大的是成套轴承的内圈径向跳动，如用于切削力方向随主轴旋转而旋转的主轴，对轴承径向旋转精度影响最大的是成套轴承的外圈跳动，推力轴承影响旋转精度（轴向跳动）的是轴圈滚道对底面厚度的变动量 。角接触球轴承和圆锥滚子轴承既能承受径向载荷又能承受轴向载荷，故除外，还有影响回转精度的成套轴承内圈端面对滚道的跳动 。轴承精度按此选择，见表3-6。表3-6 主轴滚动轴承内圈的旋转精度 (m)轴承内径d(mm)精度等级508080120120180P2P4P5P2P4P5P2P4P5向心轴承（圆锥滚子轴承除外）2.5452.5562.5682.5582.5592.5710圆锥滚子轴承4758611457推力球轴承343445轴承的精度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，减少磨损，提高寿命。目前，用于精密机床主轴上的轴承精度应为P5及其以上级，而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承，则需选用P4及其以上级超精密轴承。表3-7列举了各种精度等级机床对应的主轴轴承精度，以便根据设计要求选择合适精度等级的轴承。表3-7 主轴轴承精度机床精度等级前轴承后轴承普通精度级P5或P4（SP）P5或P4（SP）精密级P4（SP）或P2（UP）P4（SP）高精度级P2（UP）P2（UP）3.5.3主轴轴承的选择通过对主轴滚动轴承类型和主轴设计要求的分析，确定主轴轴承采用接触角为25的角接触球轴承和轻系列深沟球轴承，角接触球轴承可同时承受径向力和轴向力，深沟球轴承用于承受轴向力。由于普通滚动轴承难以满足主轴转速及精度的要求，因此，主轴的前后轴承采用滚动体为陶瓷的角接触球轴承，既轴承的内、外圈采用轴承钢材料制造，滚动体为陶瓷。陶瓷球轴承采用氮化硅陶瓷制成。氮化硅陶瓷的密度只有轴承钢的40，热膨胀系数只有轴承钢的25，弹性模量则是轴承钢的1.5倍，硬度为轴承钢的2.3倍，氮化硅陶瓷还具有耐高温、不导电、不导磁、热导率低等一系列优良特性，它采用小直径密珠精密轴承钢的结构形式和尺寸系列，应用非常方便。陶瓷球轴承与同规格、同一精度等级的钢质滚动轴承相比，速度可提高60，温升降低3560，寿命可提高36倍。代号为7214 AC的钢制角接触球轴承在脂润滑时极限转速为4500r/min，代号为6214的钢制深沟球轴承在脂润滑时极限转速为4800r/min。由于滚珠材料为陶瓷时，可大幅提高轴承的极限转速，所以所选轴承能够满足主轴最大转速8000r/min的速度要求。车床最大主切削力仅为504.5N，而钢制角接触球轴承的基本额定载荷分别为69.2kN和57.5kN，钢制深沟球轴承的基本额定载荷分别为60.8kN和45.0kN远大于主切削力，因此轴承能满足车床的性能要求。设计要求主轴允许的径向跳动为1m，普通钢制轴承径向跳动一般都大于2m，因此要选用跳动为2m的高精度的主轴似乎是不可能的。事实上，随着技术的日新月异，主轴轴承跳动小于2m是完全可以实现的。因此在设计高精度的主轴时，不必用传统的公式来校验主轴的跳动精度。由于要设计的数控车床精度很高，相应的主轴轴承的精度等级要求也需要很高，参照表6，确定前后轴承精度等级为P2级。综上所述，为保证设计要求，轴承选用FAG公司生产的超精密角接触陶瓷球轴承和深沟球轴承，前后角接触球轴承型号为7214ACTA 46114K的轻系列，内径d70mm，外径125mm，接触角25，深沟球轴承型号6214.2RSR，内径d70mm，外径125mm。3.5.4轴承间隙调整和预紧预紧是提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性的重要手段。轴承的预紧是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，使滚动体与内外圈接触部分产生一定的预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。主轴轴承的预紧量要根据载荷和转速来确定，不能过大，否则预紧后发热较多、温升高，会使轴承寿命降低。角接触球轴承的预紧是在轴向力的作用下使内外圈产生轴向错位，同时实现径向和轴向预紧。角接触球轴承的预紧可分为修磨轴承内圈侧面、修磨调整环和由弹簧自动预紧三种。这里对前后轴承采用修磨调整环方式预紧。以下是对预紧的要求：1)接触的球轴承，刚度与载荷的1/3幂成正比。所以预紧对提高刚度有一定的效果，这是与线接触的滚子轴承不同的。点接触的球轴承，应在温升允许的条件下，尽量用较高的预紧力。2)在轴向载荷作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小预紧力，双联组配时为最大轴向载荷的35，三联组配时为最大轴向载荷的24。3）预紧力通常分为三级：轻预紧、中预紧和重预紧，代号为A、B、C。轻预紧适用于高速主轴，中预紧适用于中、低速主轴，重预紧用于分度主轴。dmn值接近于表3-8所列的高速轴承，可取轻预紧；普通机床的主轴，转速较低，可取中预紧；重预紧用于低速主轴和分度主轴。 表3-8 几种主轴轴承的dmn值 轴承型号双列圆柱滚子轴承NN3000KNNU4900BK60推力角接触球轴承 2340040推力角接触球轴承 BTA-B15推力角接触球轴承7000CD25推力角接触球轴承7000ACD脂润滑 0.65 0.5 0.58 1.05 0.95油气润滑 0.75 0.6 0.7 1.7 1.5通过以上分析，预紧方式选择轻预紧。由于各轴承厂对各类轴承、不同尺寸、各级预紧的预紧力规定是不同的，因此预紧力应选用FAG公司规定的超预紧级别。3.5.5主轴轴承的配合 主轴轴承的配合量，主要是指主轴前轴承的配合量。配合量的大小，不仅影响主轴刚性，还影响轴承组装后的预紧力和主轴发热量。表3-9为用于加工中心主轴前支承的角接触球轴承，其推荐的配合量。 表3-9 角接触球轴承的推荐配合量内径d(mm) 外径D（mm） 轴与外圈目标过盈（m）箱体与外圈（前支承）目标间隙（m） 18 30 02.5 03 30 50 02.5 03 50 80 03 04 80 120 04 04 120 150 04 05 150 180 05 05 180 250 05 063.5.6主轴轴承的润滑及密封3.5.6.1润滑剂及润滑方式的选择滚动轴承在运转过程中，滚动体和轴承滚道间会产生滚动摩擦和滑动摩擦，产生热量而使轴承温度升高，因热变形改变了轴承间隙，引起振动和躁声。润滑作用是利用润滑剂在摩擦面间形成润滑油膜，减小摩擦系数和发热量，起到散热、吸收振动、防止锈蚀和密封等作用。 润滑剂和润滑方式的选择主要取决于轴承的类型、转速和工作负荷。滚动轴承所用的润滑剂主要有润滑油和润滑脂两种。数控机床的润滑方式主要有有：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等。1. 润滑脂润滑脂是由基油、稠化剂和添加剂（有的不含添加剂）在高温下混合而成的一种半固体状润滑剂。如锂基脂、钙基脂，高速轴承润滑脂等。其特点是粘附力强、油膜强度高、密封简单，不易渗露，长时间不许要更换，维护方便。滚动轴承的装脂量G(g)，可采用以下经验公式计算： 式中 d轴承内径（mm）; K与轴承类型有关的系数，对于球轴承K=900，对于滚子轴承K=350。润滑脂的使用期限与许多因素有关，如轴承类型、尺寸、转速、负荷、工作温度等，应在一定时期内补充和更换。2. 润滑油润滑油的种类很多，其粘度随温度的升高而减低，选择润滑油的粘度应保证其在轴承工作温度下粘度保持在1023 /s(40时)。转速越高，选的粘度应越低；负荷越重，粘度应越高。主轴轴承润滑方式主要有油浴、滴油、循环润滑、油雾润滑、油气润滑和喷射润滑等。一般根据轴的转速和轴承内径的dn值，查轴承厂提供的经验图表，选择具体的润滑油名称牌号和润滑方式。当dn值较低时，可用油浴润滑。油平面不应超过最低一个滚动体的中心，以免过多的油搅入轴承引起发热。当dn值略高一些，可用滴油润滑。滴的油太少则润滑不足，太多将引起轴承的发热，一般约每分钟（15滴）为宜。当dn值较高时，采用循环润滑，由油泵将经过过滤的润滑油（压力约0.15MPa左右）输送到轴承部位，润滑后返回油箱。竟过滤、冷却后循环使用。同时，循环油因循环能带走一部分热量，可使主轴温度降低。高速轴承发热大，为控制其温升，希望润滑油兼起冷却作用。采用油雾或油气润滑。油雾润滑是将油雾化后喷向轴承，既起润滑又起冷却作用，效果较好。但是用过的油气散入大气，污染环境，因此应用较少。油气润滑是间隔一定时间由定量柱塞分配器定量输出微量润滑油（0.010.06）ml，与压缩空气管道中的压力为（0.30.5）MPa，流量为（2050）L/min的压缩空气混合后，经细长管道和喷嘴连续喷向轴承。油气润滑用于dn 1的高速轴承。当轴承高速旋转时，滚动体与保持架也以相当高的速度旋转，使其周围空气形成气场，用一般润滑方法很难将润滑油输送到轴承中，这时必须采用高压喷射润滑方式。通常用于dn1.6并承受重负荷的轴承。3选择润滑剂时应考虑的因素选择润滑剂时应考虑轴承的工作温度、轴承的工作载荷和轴承的工作转速三个方面。1）轴承的工作温度 各种润滑剂都有其各自适于工作的的温度范围。过高的工作温度会使润滑剂的粘度降低，润滑效果变差。正常的工作温度，应使润滑油的粘度，对球轴承不低于，对滚子轴承不低于。2）轴承的工作载荷 润滑油的粘度是随压力而变化的，当轴承所受载荷增大时，润滑区内润滑油的压力增加、粘度降低，从而导致油膜厚度减