毕业设计（论文）数控机床主轴支承系统设计

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1、西安航空职业技术学院 毕业设计论文数控机床主轴支承系统设计【摘要】本论文主要阐述了数控机床主轴支撑系统的选用及日常维护，衡量数控机床的重要指标主要是衡量加工精度和机床使用寿命，而机床的主轴部件是机床的一个关键部件，主轴部件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产率，所以在选用主轴部件是应由其注意，既要考虑耐用、方便安装维修和日常保养，也要考虑一定的经济性。在现有的技术条件下，数控机床主轴支撑系统有滚动轴承、磁浮轴承、电主轴和静压轴承四大类。本论文主要从多个方面综合对比这四种支撑系统的优缺点，最后做出合理的选择。确定静压轴承为最佳设计方案。关键词：数控 主轴 支撑Abstract：The pre

2、sent paper mainly elaborated numerical control engine bed main axle support system selection and the routine maintenance, the weight numerical control engine bed important target mainly is weighs the processing precision and the engine bed service life, but the engine bed main axle part is an engine

3、 bed key component, the main axle part operating performance affects directly the engine bed processing quality and the productivity, therefore is selecting the main axle part is should by its attention, also must consider durable, the convenient installment service and the current maintenance, also

4、 must consider certain efficiency. Under the existing engineering factor, the numerical control engine bed main axle support system has the rolling bearing, magnetism floats the bearing, the electricity main axle and the static pressure bearing four big kinds. The present paper mainly contrasts thes

5、e four kind of support system from many aspect synthesis the good and bad points, finally makes the reasonable choice. Definite static pressure bearing for best design proposal.Key word: Numerical control main axle support前言从中国机械工业联合会获悉：近几年来，我国机床行业每年以两位数的速度增长，迎来快速发展时期，国内机床行业呈现国有、民营、三资企业共同发展的局面，行业结构得

6、到优化，整体素质明显提高。从2002年以来我国连续5年成为世界机床消费第一大市场，2005、2006年我国机床产值居全球第三，已成为世界机床大国。2007年110月份，我国机床工业总产值同比增长26.2%，利润同比增长37%，行业景气度继续维持高位运行。在国家大力振兴装备制造业、鼓励自主创新的大环境下，机床行业科研成果层出不穷，新产品开发成果显著，五轴联动数控机床、多功能复合机床等高性能数控机床产品初具规模，产品的数控化率逐年提高，国产化率持续提高，进口替代明显。一些机床优势企业通过兼并、收购、重组，特别是收购外资企业，在不断提高国内企业技术水平，力争“做大做强”。同时，伴随我国汽车、船舶、工

7、程机械、航空航天等行业的快速发展，对机床行业提供了巨大的需求，我国机床行业的长期发展被看好。预计国内的机床消费将保持15%以上快速增长，而数控机床将保持30%左右的增速，数控机床每年将超过普通金属切削机床发展速度20个百分点以上，数控机床发展前景宽广。从以上的数字可以看出，数控机床的产量在不断提高，但是仅解决产量问题是不够的，数控金属切削机床的加工范围、加工精度等方面也要不断的提高，这就要求设计人员可以借鉴外国的先进技术来完善国内数控机床的不足。随着产品的复杂程度越来越大，加工精度的要求越来越高，对所数控机床的加工范围、加工精度等有了更高的要求，是数控机床要想精密、超精密，高速、超高速数控机床

8、发展。在这样的情况下，就对数控机床的主轴部件的设计和安装提出了更高的要求。因为主轴部件是机床的执行件，它的功能是支撑和带动工件或刀具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩。承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴部件的工作性能直接影响机床的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键部件。本书第一章主要介绍数控机床的发展史，以及国内外的先进技术。第二章到第五章主要介绍滚动轴承、磁浮轴承、电主轴和静压轴承这四大支撑系统的优缺点及适用范围第六章主要从多个方面进行比较，综合评价这四大支承系统对加工精度的影响，最后作出合理的分析和选用。由于编者水平有限，编写时间短促，书中不妥之处恳请批评指正。目录1

9、 绪论51.1引言51.2 数控机床的概况51.3 数控技术的发展趋势71.3.1高速、高精加工技术及装备的新趋势71.3.2五坐标轴联动加工和复合加工机床快速发展81.3.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势81.4 重视新技术标准、规范的建立91.4.1 关于数控系统设计开发规范91.4.2 关于数控标准91.5 对我国数控技术及其产业发展的基本估计101.6数控机床发展要素关键在于主轴部件112 主轴部件122.1对主轴部件的要求122.1.1回转精度132.1.2静刚度132.1.3 主轴部件的振动142.1.4 升温和热变形152.1.5 耐磨性153主轴轴承和主

10、轴典型结构分析与选择153.1 滚动轴承的支承结构163.1.1 滚动轴承的概述163.1.2 滚动轴承的优缺点163.1.3 主轴滚动轴承的主要类型173.1.4 主轴滚动轴承的精度与配合173.1.5 轴承的润滑与密封183.1.6 常用滚动轴承图例193.1.7 比较分析254 磁浮轴承254.1 磁浮轴承的特点与工作原理264.2 主轴磁浮轴承285.3 高速磁浮主轴系统295 电动主轴295.1 电动主轴的工作原理315.2 高速电动主轴结构特点315.3高速电动主轴的润滑和冷却335.3.1润滑335.3.2冷却336 静压轴承346.1 概述356.2 静压轴承的工作原理366.

11、3 液体静压轴承的分类386.3.1 轴向推力静压轴承396.3.2 轴承材料416.3.3 润滑剂426.3.4 润滑方法436.4 静压轴承的结构特点436.5 静压轴承的发展趋势446.6 静压轴承的应用447 主轴部件设计计算457.1 主轴合理跨距的选择457.1.2弹性支承上刚性主轴端部的职位移y467.1.3 主轴部件的刚度K467.1.4 最佳跨距和合理跨距478 综合分析47结束语50谢辞51参考文献521 绪论 2002年中国成为全球最大机床消费市场以后，进口机床在国内市场上的占有率就一直居高不下，在过去的5年中，机床进口速度基本上与国内机床消费速度同步增长，其在国内市场占

12、有率一直维持在60%左右。而作为机床消费市场主流产品的数控机床，国产产品的市场占有率则更低。2001年，国内产品的市场占有率为29%，以后逐年下降，到2004年则降低到了26.9%，2005年又回升到30.4%。1.1引言 车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法，所谓机械加工，就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状，包含尺寸精度和几何精度两个方面。能完成以上功能的设备都称为机床，数控机床就是在普通机床上发展过来的，数控的意思就是数字控制。 给机床装上数控系统后，机床就成了数控机床。当然，普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单，例如：从铣床发展到加工中心，机

13、床结构发生变化，最主要的是加了刀库，大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。 我们一般所说的数控设备，主要是指数控车床和加工中心。 我国目前各种门类的数控机床都能生产，水平参差不齐，有的是世界水平，有的比国外落后1015年，但如果国家支持，追赶起来也不是什么问题，例如：去年，沈阳机床集团收购了德国西思机床公司，意义很大，如果大力消化技术，可以缩短不少差距。大连机床公司也从德国引进了不少先进技术。上海一家企业购买日本著名的机床制造商池贝。 近几年随着中国制造的崛起，欧洲不少企业倒闭或者被兼并，如马毫、斯滨纳等。日本经济不景气，有不少在80年代很出名的机床制造商倒闭。1.2 数控

14、机床的概况随着科学技术的迅速发展，社会对产品多样化的要求愈来愈强烈，从而要求产品更新换代的周期越来越短，使多品种、小批量生产的比重明显增加；同时，随着航空航天、造船、军工、汽车、农业机械等行业对产品性能要求的不断提高，产品中形状复杂的零件越来越多，加工质量要求也不断提高。采用传统的普通加工设备已难以适应这种多样化、柔性化及复杂形状零件的高效率高质量加工的要求。为解决上述问题，一种高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备数控机床就应运而生了。数控机床的研究起源于飞机制造业。1947年，美国帕森斯（Parsons）公司为了精确地制造直升机的机翼、桨叶和飞机框架，提出了用电子计算机控制机床来加工形状复

15、杂零件的设想。1949年，美国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，与帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，开始了三坐标铣床的数控化工作，于1952年研制成功世界上第一台数控机床三坐标数控铣床。经过三年的试用和改进，于1955年进入实用化阶段。此后，德国、英国、日本和前苏联等国也开始了数控机床的研制开发工作。1959年，美国 Keaney Treckre公司开发出了具有刀具库、刀具交换装置、回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工

16、件的多个面进行钻孔、铰孔、攻螺纹、镗削、铣削等多种加工，不仅提高了生产率，而且使加工精度大大提高。这类带有刀具库和自动换刀装置的数控机床称为加工中心（Machining Center），它已成为当今数控机床发展的主流。 1958年，清华大学和北京第一机床厂合作研制出我国第一台数控铣床，由于我国基础理论研究滞后，相关工业基础薄弱，特别是电子技术落后，数控系统没有突破，虽然我国起步不晚，但发展不快，60-70年代，由于文革等因素，我国与发达国家差距开始拉大。70年代国家组织数控机床攻关，取得一定成效，相继推出一些数控机床品种，但从整体来看，我国数控机床产业尚处于起步阶段。80年代前期，我国引进了日

17、本数控系统，通过消化吸收，提高了数控系统的可靠性。同时开始自行研制、开发并小批量生产数控机床，数控机床品种和质量有了突破性进展，我国数控机床进入实用阶段。国家从科技攻关和技术改造两方面对数控机床产业进行了重点扶植，并加快了国产数控系统的开发。普及型数控系统开发成功，为数控机床商品化和规模化生产奠定了基础。一些数控机床主机厂组建床身、箱体、主轴、轴套等成组单元，厂内组织专业化生产，生产水平进一步提高。CADCAPPCAM开始应用，开发能力、工艺水平和产品质量进一步提高，奠定产业化基础，“十五”数控机床进入了快速发展期。目前，我国除了能够生产和设计生产常规的数控机床外，还生产了柔性制造系统。198

18、4年北京机床研究所研制成功DMC-1和FMC-2柔性加工单元，之后又和FANUC公司在北京研究所内建立了第一条柔性制造系统（JCS-FMC-1型），由于加工直流伺服电机的轴类，法兰盘类和壳体类零件。近年来，我们又先后在北京，长春等地安装和使用。这一切说明，我国的数控机床技术已经进入了一个新的发展时期。1.3 数控技术的发展趋势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，他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，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术

19、及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面1.3.1高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金

20、坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的

21、零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。1.3.2五坐标轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工

22、，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工

23、机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC 系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。1.3.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定

24、模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The NextGeneration Work-Station/MachineControl)、欧共体的OSACA(Open System ArchitectureFor Control Within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment For Controller)

25、，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线

26、、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称OPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT Plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(SIEMENS)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 1.4 重视新技术

27、标准、规范的建立1.4.1 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。1.4.2 关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（HOW）加工，其本质特征是面向加工

28、过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准 ISO14649（STEP-NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大

29、大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的Step Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。1.5 对我

30、国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实

31、质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50，配国产数控系统（普及型）也达到了10。纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床

32、厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。a.技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。b.产业化水平上，市场占有率低，

33、品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时

34、候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。1.6数控机床发展要素关键在于主轴部件综合前面所述，数控机床要向高效，高精，高智能化发展，不仅要求高的数控系统，还要求数控机床的功能部件可以持久耐用，而且精度和刚度一定要高，这对数控机床的生产厂家提出了较高的要求，在设计方面就要多加考虑。 数控机床的主要部件包括：床身，主轴，进给伺服系统

35、，数控装置等。但是在加工过程中决定加工质量的主要参数就是主轴的精度。随着产品的复杂程度越来越大，加工精度的要求越来越高，对所要求的数控机床的加工范围，加工精度的又了更高的要求，使数控机床要向精密，超精密，高速超高速数控机床发展，在这样的情况下，就对数控机床的主轴部件的设计和安装提出了更高的要求。因为主轴部件是机床的执行件，它的功能是支承并带动工件或刀具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩，承受切削力和驱动力等载荷作用。由于主轴部件的工作性能直接影响机床的加工性能，加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键部件。所以要对现有的数控机床进行优化设计，使数控机床在现有的基础上得到进一步提高，这

36、也是做本次设计的目的所在。2 主轴部件数控金属切削加床的高速主轴系统，顾名思义是具有高回转速度，但这并无严格的界限，对作为高速切削机床代表的加工中心和数控铣床而言，一般是指最高转速10，000r/min的主轴系统，并相应具有高的角加速度，以实现主轴的瞬间升降速与起停。为适应制造业对机床加工精度越来越高的要求，高速切削主轴还应有高的回转精度，通常要求主轴的径向跳动小于1或2微米，轴向窜动小于1微米。此外，主轴也要有足够的精、动刚度，以承受一定的切削负荷和保持高的回转精度。主轴部件是机床的热执行件，它的功能是支承并带动工件和刀具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩，承受切削力和驱动力等载荷作

37、用。由于主轴部件的工作性能直接影响机床的加工性能，加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键部件。主轴和一般传动轴的相同点是，两者都就有传递扭矩，并承受传动力，都要保证传动力和支承的正常工作条件。因此对主轴部件有较高的要求。2.1对主轴部件的要求机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20纪60-70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展

38、，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求。2.1.1回转精度机床主轴是机床上的一个主要部件，由于机床主轴用于安装刀具或工件，因此它是刀具或工件的相对位置基准和运动基准。机床主轴回转精度是机床的主要精度指标之一，直接影响着被加工零件的加工精度及表面粗糙度。机床主轴的回转误差是一项综合性的误差，是主轴在回转过程中实际回转轴线相对于理论回转轴线的漂移。机床主轴的回转误差可以分为3种基本形式：主轴的纯径向跳动、主轴的纯轴向窜动和纯角度摆动。一般情况下，这3种基本形式的误差是同时存在的，产生的加工误差也是3种形式误差影响的叠加。不同形式的主轴回转误差对加工精度的影

39、响是不同的，同一形式的主轴回转误差对于不同加工方法的影响也是不同的。下面主要分析主轴纯径向跳动对零件加工的影响。如图3-5所示 主轴回转误差分为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动c）倾角摆动b）端面圆跳动a）径向圆跳动 图2-1主轴的旋转误差2.1.2静刚度主轴的静刚度简称主轴刚度，是机床主轴系统重要的性能指标，它反映主轴单元抵抗静态外载荷的能力。主轴的刚度包括径向刚度与轴向刚度，一般来说，径向刚度远比轴向刚度重要，是衡量主轴单元精度和抗振性的重要指标，通常用来代指主轴的刚度，主轴刚度是指在主轴工作端施加一个作用力F(N)事，F与主轴作用方向上所产生的变形y 之比，即 K=F/y 如图2-2所示

40、。 图2-2主轴静刚度 如果作用在主轴工作端的是静扭矩T(NM),q（rad）为在该扭矩作用下主轴工作端的扭转角，L（m）为扭矩T的作用距离，主轴的扭转刚度 KT=TL/q 主轴部件的刚度不足，直接影响机床的加工精度，传动质量以及工作的平稳性。在传动方面，主轴的弯曲变形会使齿轮等传动件和轴承因受力不均而恶化工作条件，使这些零件的磨损加剧，寿命缩短。刚度不足还容易引起振动，影响加工表面的粗糙度和生产效率。影响电主轴刚度的因素主要有前后轴承的配置方式、前端悬伸量和支撑跨距、主要零件的制造精度(如套筒前后孔和主轴前后轴颈的同轴度等)、选用滚动轴承的尺寸大小和精度等级、装配的技艺水平以及预加载荷的大小

41、等。当电主轴的基本参数(如主轴各轴段直径、电机参数、轴承型号及其预载等)确定后，对其刚度影响最敏感的参数就是前端悬伸量和支撑跨距。2.1.3 主轴部件的振动主轴部件在工作使发生的振动有受迫振动和自激振动两种。主轴部件抵抗振动能力差，工作时容易发生振动，会影响工件的表面质量，限制机床的生产率，此外还降低了刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，发出噪声影响工作环境等。因此提高抗振性能并保持平稳运转的能力对主轴部件是十分重要的。影响主轴部件抗振性能的主要原因是主轴部件的静刚度，质量分布，阻尼和固有频率等。2.1.4 升温和热变形主轴组件工作时因各相对运动的处的摩擦和搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形

42、状和位置发生变化（热变形）。 主轴组件受热伸长，使轴承间隙发生变化。温度是使润滑油粘度降低，降低了轴承的承载能力。主轴箱因温升而变形，使主轴偏离正确位置。前后轴承的温度不同，还会导致主轴轴线倾斜。由于受热膨胀是材料固有的性质，因此高精度机床要进一步提高加工精度，往往受热变形的限制。影响主轴部件升温，热变形的主要因素是主轴的转速，轴承的类型和布置方式，轴承预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。2.1.5 耐磨性 主轴组见的耐磨性是指长期保持原始精度的能力，即精度保持性。对精度有影响的首先是轴承，其次是安置刀，夹具和工件的部位，如锥孔，定心轴径等。如果主轴安装滚动轴承，则支承处耐磨性决定于滚动轴承而

43、与轴颈无关。如果是润滑轴承，则轴颈的耐磨性对精度保持性影响很大为了提高耐磨性，要正确地选择主轴和滑动轴承的材料及其热处理方法。一般机床主轴上的上述部分应淬硬至HRC60左右，深约1mm。主轴上的有关部位必须经过热处理，使之具有一定的硬度。要合理调整轴承间隙，保证良好的润滑和可靠的密封。3主轴轴承和主轴典型结构分析与选择主轴轴承的选择对主轴部件的工作性能有很大的影响。应根据主轴部件在旋转精度、刚度、承载能力以及转速等方面的要求来选择轴承的类型，组合以及配制形式，同时还应考虑轴承的供应情况，经济性能因素。对滑动轴承还应考虑到生产厂家的制造能力。主轴轴承可以分为滚动轴承和滑动轴承，主轴轴承还包括动静

44、压轴承。主轴的支承系统除了采用传统的轴承，近几年随着生产水平的提高，引进了一些新的技术，主轴已采用磁浮轴承，电主轴等结构。本章就滚动轴承和磁浮轴承以及电主轴，静压轴承进行系列的比较与评价。并作出合理的选择。3.1 滚动轴承的支承结构 机床的主轴和传动轴是机床的重要零件，它的运动状况不仅直接影响机床工作性能而且还将影响机床的主要技术指标。合理设计支承结构对保证轴的运转精度，保持轴的正常运转，以及充分发挥轴承性能等起重要作用。3.1.1 滚动轴承的概述滚动轴承的功能是在保证轴承有足够寿命条件下，用以支承转动（或摆动）零件，减少运动付之间摩擦，使之灵活转动，滚动轴承利用滚动摩擦原理设计而成，。滚动轴

45、承使用维护方便，工作可靠，起动性能好，在中等速度下承载能力较高，滚动轴承的滚动体与滚到之间接触硬力应力很大，为了保证滚动轴承的寿命，必须要求它的元件具有很高的加工精度及硬度，因此加工困难，只有材料、热处理、设备工艺等方面取得很大进展，能够大量、低成本地生产各种标准滚动轴承之后，它的范围才日益扩大。3.1.2 滚动轴承的优缺点 与滑动轴承相比，它的优点有：1.滚动轴承的摩擦系数比滑动轴承小，传动效率高2.滚动轴承已实现标准化、系列化、通用化，适于大批量生产和供应，使用和维修十分方便4.滚动轴承内部间隙很小，各零件的加工精度较高，因此，运转精度较高5. 由于滚动轴承传动效率高，发热量少，因此，可以

46、减少润滑油的消耗，润滑维护较为省事，轴承损坏易于更换。缺点：1 .滚动轴承的径向尺寸大。所以，在承受大负荷的场合和要求径向尺寸小、结构要求紧凑的场合如内燃机曲轴轴承)，多采用滑动轴承：2.滚动轴承振动和噪声较大3.滚动轴承对金属屑等异物特别敏感，轴承内一旦进入异物，就会产生断续地较大振动和噪声，亦会引起早期损坏，滚动轴承的寿命也有一定的限度。寿命较滑动轴承短些4.轴承不能部分位于长轴或曲轴中轴的轴承安装困难。所以滚动轴承能在较广泛的载荷、转速及精度范围工作。其安装、维修都较方便，滚动轴承为标准零件，可组织专业大规模生产，价格便宜，因此在很多场合，逐渐取代了滑动轴承而得到广泛应用。3.1.3 主

47、轴滚动轴承的主要类型 主轴轴承应根据精度，刚度和转速选择。为了提高精度和高度，主轴轴承的间隙应该是可调的，这是主轴轴承主要特点。线接触的滚子轴承，比点接触的球轴承刚度高，但一定温度下允许的转速较低。机床主轴常用的滚动轴承又以下几种：（1） 角接触球轴承这种轴承可承载径向载荷，又可承受轴向载荷。能同时承受径向载荷与单向的轴向载荷，公称接触角有15、25、40三种。越大，轴向承载能力也越大。通常成对使用，对称安装。极限转速较高。适用于转速较高、 同时承受径向和轴向载荷的场合。（2） 双列圆柱滚子轴承它的特点是内孔为12的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合。轴向移动内圈，可以把内圈胀大，以消除间隙或预紧。

48、这种轴承只能承受径向载荷，多用于载荷较大，刚度要求较高，中等转速的地方。（3） 双向推力角接触球轴承双向推力球轴承可承受双向轴向载荷，中间套圈为紧圈，与轴配合，另两套圈为松圈。高速时，由于离心力大，球与保持架因摩擦而发热严重，寿命较低。常用于轴向载荷大、转速不高处。它的公称外径与同孔径的双列圆柱滚子轴承相同，但外径公差带在零线的下方，与壳体孔之间有间隙，所以不承受径向载荷，专做推力轴承使用。接触角有a=60和a=40两种。a越小，允许的转速越高，但轴的刚度越低。（4） 深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷，工作时内外圈轴线允许偏斜816。 但是滚子大端与内圈挡边之间是滑动摩

49、擦，发热较多，故允许的转速较低。摩擦阻力小，极限转速高，结构简单，价格便宜，应用最广泛。但承受冲击负荷能力较差。适用于高速场合，在高速时，可能来代替推力球轴承。3.1.4 主轴滚动轴承的精度与配合主轴滚动轴承精度主要采用P2、P4、P5（B、C、D）三级。相当于ISO标准的2、4、5级轴承的工作精度主要决定于旋转精度。支承座孔和主轴颈是根据一定的间隙和过盈要求配合的。因此，即使把轴承内、外径的公差取得略宽些也并不影响轴承的工作精度，但这样可以降低成本。主轴前后轴承精度的不同对主轴旋转精度的影响是不同的。一般来说，前轴的精度对主轴部件的旋转精度影响较大。因此，前轴承的精度应选用的高一些，通常比后

50、轴承高一级。轴承精度不但影响主轴部件的旋转精度，而且精度越高，各滚动体受力越均匀，有益于提高刚度和抗振性，减少磨损，提高寿命。滚动轴承的配合对主轴部件的工作性能也有很大的影响，轴承内圈与轴颈，外圈于支承座孔的配合过松，受载后会出现松动，影响主轴部件的旋转精度和刚度，缩短轴承的使用寿命。过紧则会使内、外圈变形，也会影响旋转精度，加速轴承的磨损，增加升温和热变形，并给装配带来困难。3.1.5 轴承的润滑与密封 润滑的作用是减少摩擦，降低升温和防止腐蚀。润滑不良会使轴承升温剧增，加速轴承的磨损，影响主轴部件的正常工作。润滑剂的选用和润滑方式决定于轴承的类型，速度和工作负荷，良好的润滑可以降低轴承温度

51、，延长寿命。滚动轴承常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两种。油润滑又分为飞溅润滑、油谷润滑、油滴润滑、循环润滑、油气润滑和喷射润滑。润滑脂润滑的优点是密封结构简单，润滑脂不易流失，受温度影响不大，加一次润滑脂可以使用较长的时间。润滑油润滑的优点是摩擦阻力小，并能散热，主要用于高速和工作环境温度较高的轴承。为了使轴承保持良好的润滑条件和正常的工作环境，充分发挥轴承的工作性能，延长使用寿命，对滚动轴承必须具有适宜的密封，以防止润滑剂的泄漏和灰尘、水气或其他污物的侵入。轴承的密封可分为自带密封和外加密封两类，外加密封又分为非接触式与接触式两种，接触式密封由于密封件与配合件直接接触，在工作中摩擦较大，发热量

52、亦大，易造成润滑不良，接触面易摩损，从而导致密封效果与性能下降。非接触式形式的密封，在工作中几乎不产生摩擦热，没有磨损，特别适用于高速和高温场合。3.1.6 常用滚动轴承图例 图3-1 外圆磨床主轴系统 本图主要描述数控外圆磨床的主轴系统，该主轴采用的是五支承结构，前支承分别为双列圆柱滚子轴承和深沟球轴承，后支承为三列深沟球轴承，主轴前端带动砂轮旋转，中间的锥度齿轮带动螺母丝杠作进给运动。主轴要求转速中等，刚度要求高，精度高，故采用此种支撑形式。 图3-2两支承系统主轴 该支撑系统是最常见的支承形式，现在已经很少采用，因为该支承形式只能承受单向轴向载荷，速度高，结构简单，但是刚度和强度都不好，

53、适合轻载工作。轴承易于磨损，而且润滑系统过于简单，容易造成漏油现象。 图3-3普通车床主轴箱此图是普通车床的主轴箱，其中有一系列的齿轮。在机床主轴运转时，齿轮啮合，电机带动皮带轮，皮带轮带动齿轮，使主轴可以按一定的速度旋转，主轴的转速主要靠齿轮不同的啮合方式来改变，这种传统的传动方式不可以无级调速，所以在许多要求速度变化快，精度要求高的机床上已经不再使用了，现在的数控机床已经不再采用这种传动方式。 图3-4中等速度，较大载荷的主轴部件这是一种以前、后支承为主，中间支承为辅的主轴部件，前后支承双列圆柱滚子轴承，分别为NN3021K和NN3015K。推力支承则为双向推力角接触球轴承，位于前支承，内

54、径也是105mm(234421型)。三个轴承的精度都是P5级。双向推力角接触球轴承靠修磨隔套2调整间隙和预紧，前双列圆柱滚子轴承的径向间隙靠螺母1和3调整。这种支承形式前后轴承预紧，作为辅助支承的中间轴承（NU216/P6）的径向间隙较大（0.030.07mm）。这种支承形式结构较简单，前支承内的两个轴承的极限转速接近，能适应的转速较高。但由于前支承内轴承较多，发热也较多，运转后前支承温度较高。必须注意，这种将后支承作为主要支承的三支撑型式，是原设计需要改进之处。 图3-5 五支承主轴系统这是一种前后支承形式的主轴系统，前支承是接触角为40的角接触球轴承，后支承是接触角为25的角接触球轴承。其

55、前后轴承的径向，轴向刚度都非常好，前、后轴承的使用寿命都比较长，所能承受的极限转速也比较高，温度情况良好，润滑采用的是迷宫时润滑，可以防止渗油，而且成本一般，易于高、中档数控机床使用。该支承形式现在应用广泛，而且成本低，许多机床制造商都采用该形式，国外也在普遍使用。 图3-6 四支承系统主轴这种支承形式比较差，前、后轴承的径向、轴向刚度都不是很好，前后轴承的使用寿命也很短，极易磨损，所能承受的极限转速也比较低，转速较高或在载荷较大的情况下，主轴温度升高比较快，影响精度。而且成本也比较高，轴承要经常更换。所以这种形式不易使用。 图3-7三支撑主轴系统该系统情况一般，前轴承是双列圆柱滚子轴承，后轴

56、承为角接触球轴承。前、后轴承的径向刚度较差，但是轴向刚度都比较好，前、后轴承的使用寿命也较短，所能承受的极限转速很高，升温也不高。 图3-8 四支承主轴系统该支承系统，前支承为两个锥柱滚动轴承，后支承为两个角接触球轴承，前、后轴承的径向刚度一般，但是轴向刚度都比较好，前、后轴承的使用寿命一般，所能承受的极限转速不是很高，主轴的抗热变形的能力好。3.1.7 比较分析比较分析前面所介绍的几种滚动轴承支承系统，不难发现，滚动轴承以它的造价低，安装维修方便广泛应用。相比较下采用五支承系统的主轴其旋转精度较高，主轴的静刚度高，主轴的抗振动能力强，抗热变形的能力也较强，抗耐磨性较好，故该支承形式在许多场合

57、都广泛应用。但和现在一些先进的机床相比还有许多不足，还需要进一步改进。4 磁浮轴承目前，超高速数控精密磨削技术在国外发展十分迅速，在国内也引起了高度重视。超高速数控精密磨削技术作为21世纪的先进制造技术，在国防和民用方面，都起着越来越重要的作用。例如，湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心研制了一台砂轮转速314m/s的超高速数控精密平面磨床，其主轴系统为瑞士IBAG公司引进的陶瓷轴承电主轴，其价格昂贵，而且陶瓷轴承使用寿命不长，需要经常更换。必须指出，在超高速数控精密磨床中，主轴轴承技术是一项关键技术。在国外，磁浮轴承作为一种新型机电一体化的高新技术产品，受到高度重视。发达国家如法国、德国都成

58、功在其高速数控精密磨床上使用了这种轴承。但发达国家对该项技术保密，而且该产品的价格十分昂贵。4.1 磁浮轴承的特点与工作原理磁浮轴承的基本原理 磁浮轴承从原理上可分为两种，一种是主动磁浮轴承（active magnetic bearing）,简称AMB；另一种是被动磁浮轴承（passive magnetic bearing）,简称PMB。由于前者具有较好的性能，它在工业上得到了越来越广泛的应用。这里介绍的是主动磁浮轴承。 磁浮轴承系统主要由被悬浮物体、传感器、控制器和执行器四大部分组成。其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。下图是一个简单的磁浮轴承系统，由转子和定子组成，电磁铁绕组上的电流为

59、I，它对被悬浮物体产生的吸力和被悬浮物体本身的重力mg相平衡，被悬浮物体处于悬浮的平衡位置，这个位置也称为参考位置。假设在参考位置上，被悬浮物体受到一个向下的扰动，它就会偏离其参考位置向下运动，此时传感器测出被悬浮物体偏离其参考位置的位移，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器使流过电磁绕组上的电流变大，因此，电磁铁的吸力也变大了，从而驱动被悬浮物体顺到原来的平衡位置。如果被悬浮物体受到一个向上的扰动并向上运动，此时控制器和功率放大器使流过电磁场铁绕组上的电流变小，因此，电磁铁的吸力也变小了，被悬浮物体也能返回到原来年平衡位置。因此，不论被悬浮物体受到向上或向下的扰动，被悬物体始终能处

60、于稳定的平衡状态。 图4-1 磁浮轴承的工作原理磁浮轴承是利用电磁力将主轴无机械接触，无润滑的悬浮起来的一种新型智能化轴承。磁浮轴承主轴单元的转子和定子之间的单边间隙为0.3mm1.0mm，为开动以前，主轴由左右两端的“辅助轴承”支承，其间隙小于磁浮轴承的间隙，用以防止磁浮轴承在电磁系统失灵时发生故障。工作时，转子的位置用高灵敏度的传感器不断进行检测，其信号传给PID（比例-积分-微分）控制器，以每秒10000次左右的运算速度，对数据进行分析和处理，算出用于校正转子位置所需的电流值，轻功率放大后，输入定子电磁铁，改变电磁力，从而始终保持转子（主轴）的正确位置。 图4-2磁浮轴承的控制框图 由于无机械接触，磁浮轴承不存在机械摩擦与磨损，寿命很长。转子线速度可达到200m/s（极限速度只受硅钢片离心力强度的限制），无需润滑和密封，结构大大简化。能耗很小（仅为滚动轴承的1/50），无振动、无噪音、升温小、热变形小。可在真空或由腐蚀介质的环境中工作，工作可靠，几乎不用维修。所以其性能要优于陶瓷滚动轴承。由于磁浮轴承是利用电磁力进行反馈控制的智能型轴承，转子位置能够自律，主轴刚度和阻尼可调。因此当由于负载变化使主轴轴线偏移时，磁浮轴承能迅速克服偏移而回到正确位置，实现实施诊断和在线监控，使主轴始终绕惯性回转，消除了振动，