幾種重型數(shù)控立式車床典型主軸結(jié)構(gòu)

蓋立亞　張洪慶　喬保中　軒廣進(jìn)（沈陽第一機(jī)床廠　沈陽）

幾種重型數(shù)控立式車床典型主軸結(jié)構(gòu)

蓋立亞張洪慶喬保中軒廣進(jìn)
（沈陽第一機(jī)床廠沈陽）

幾種重型數(shù)控立車的典型主軸結(jié)構(gòu)。闡述各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及簡要裝配要點(diǎn)，分析不同主軸結(jié)構(gòu)的適用情況及優(yōu)劣勢(shì)。

重型數(shù)控立式車床主軸結(jié)構(gòu)主軸軸承

一、引言

目前市場對(duì)裝備制造業(yè)的要求是更高的靈活性，更高的生產(chǎn)率，更高的精密度和表面質(zhì)量以及更短的制造周期。作為裝備制造業(yè)母機(jī)的機(jī)床行業(yè)，為了適應(yīng)各種工業(yè)企業(yè)的需求，機(jī)床制造商們紛紛推出高精度機(jī)床。越來越多的機(jī)床企業(yè)認(rèn)識(shí)到重型機(jī)床領(lǐng)域的價(jià)值和商機(jī)，并準(zhǔn)備逐漸加入到重大型機(jī)床的市場競爭中來，隨著數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品高新技術(shù)功能部件的商品化，參與到重型機(jī)床市場開發(fā)的企業(yè)也越來越多?，F(xiàn)在重型機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在有3個(gè)方面，即需求的機(jī)床承載能力越來越大；用戶要求的機(jī)床回轉(zhuǎn)直徑越來越大以及大回轉(zhuǎn)直徑、大承重量機(jī)床的高精度要求。

主軸作為機(jī)床的核心部分，主軸的回轉(zhuǎn)精度將直接反應(yīng)至被加工零件的圓度、圓柱度、跳動(dòng)等精度，而機(jī)床采用的主軸結(jié)構(gòu)則會(huì)影響到機(jī)床的回轉(zhuǎn)直徑和工作臺(tái)承載能力。

圖1　典型結(jié)構(gòu)A示意圖

二、主軸結(jié)構(gòu)分析

1.典型結(jié)構(gòu)A

結(jié)構(gòu)A由傳動(dòng)齒圈、主軸、圓錐滾子軸承、雙列圓柱滾子軸承（圓柱孔）、調(diào)整墊、軸承套、推力圓柱滾子軸承、工作臺(tái)等零部件組成。動(dòng)力由傳動(dòng)齒圈傳至主軸，主軸帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，主軸底端安裝有反饋主軸轉(zhuǎn)速的主軸編碼器。典型結(jié)構(gòu)A見圖1。

此結(jié)構(gòu)中軸承布局由雙列圓柱滾子軸承+圓錐滾子軸承+推力圓柱滾子軸承組成，雙列圓柱滾子軸承+圓錐滾子軸承為主軸定心軸承，負(fù)責(zé)承載主軸的軸向力及徑向力，其中圓錐滾子軸承為主支承，其內(nèi)外環(huán)與主軸及軸承套的配合間隙將直接影響主軸的徑向跳動(dòng)及主軸剛性；推力圓柱滾子軸承主要承載工件的重量及在切削過程中加載至工作臺(tái)上的切削力，軸承的緊環(huán)和松環(huán)與軸承套的上端面及主軸的下端面的配合將直接影響主軸的軸向跳動(dòng)。

需注意，調(diào)整墊是用來做軸承預(yù)緊力的，其厚度需在裝配過程中使用工裝來測量，具體的預(yù)緊力值需根據(jù)切削力、主軸最高轉(zhuǎn)速等條件確定；主軸軸頸及軸承套內(nèi)孔應(yīng)在加工時(shí)按照一定的配合間隙與定心軸承的內(nèi)外環(huán)的尺寸匹配加工；軸承套與機(jī)床底座的結(jié)合面需再刮研，保證兩個(gè)結(jié)合表面的平面度及結(jié)合率且保證平面與主軸軸線的垂直度。同理主軸下端面及軸承座上端面與推力圓柱滾子軸承緊環(huán)和松環(huán)的結(jié)合面也需刮研。此結(jié)構(gòu)中，軸承的潤滑也是非常關(guān)鍵的，否則會(huì)引起一系列的問題：在高轉(zhuǎn)速或高負(fù)載時(shí)會(huì)引起主軸中心的漂移或工作臺(tái)的異常浮起，導(dǎo)致加工過程中精度不符。

2.典型結(jié)構(gòu)B

結(jié)構(gòu)B由傳動(dòng)齒圈、過渡盤、軸承套、雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）、主軸、工作臺(tái)、圓錐滾子軸承、鎖緊螺母、推力圓柱滾子軸承等零部件組成。動(dòng)力由傳動(dòng)齒圈傳至主軸，主軸帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，主軸底端安裝有反饋主軸轉(zhuǎn)速的主軸編碼器。典型結(jié)構(gòu)B見圖2。結(jié)構(gòu)B與結(jié)構(gòu)A主要區(qū)別有以下幾點(diǎn)。

圖2　典型結(jié)構(gòu)B示意圖

（1）將結(jié)構(gòu)A中主軸拆分為過渡盤及主軸，此種結(jié)構(gòu)便于主軸的加工及檢測同時(shí)還便于裝配時(shí)的找正及刮研。

（2）主軸定心軸承結(jié)構(gòu)為雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）+圓錐滾子軸承，雙列圓柱滾子軸承為主支承；由于雙列圓柱滾子軸承的回轉(zhuǎn)精度要好于圓錐滾子軸承，故此結(jié)構(gòu)的主軸回轉(zhuǎn)精度比結(jié)構(gòu)A好。

（3）主軸軸承預(yù)載力通過鎖緊螺母施加，同時(shí)主軸軸承預(yù)載力的施加比結(jié)構(gòu)A要簡單，便于裝配調(diào)整；此結(jié)構(gòu)其余環(huán)節(jié)與結(jié)構(gòu)A類似。

3.典型結(jié)構(gòu)C

結(jié)構(gòu)C由工作臺(tái)、雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）、推力球軸承、主軸、碟形彈簧、法蘭盤、推力圓柱滾子軸承、傳動(dòng)齒圈等零部件組成。動(dòng)力由傳動(dòng)齒圈傳至主軸，主軸帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，主軸底端安裝有反饋主軸轉(zhuǎn)速的主軸編碼器。典型結(jié)構(gòu)C見圖3。

此結(jié)構(gòu)主軸由雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）+推力球軸承+推力圓柱滾子軸承組成，前兩個(gè)軸承組合為定心軸承，負(fù)責(zé)承載主軸的軸向力及徑向力，其中雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）為主支承；推力圓柱滾子軸承主要承載工件的重量及在切削過程中加載至工作臺(tái)上的切削力。

圖3　典型結(jié)構(gòu)C示意圖

此結(jié)構(gòu)主軸預(yù)載力通過配磨法蘭盤的下端面實(shí)現(xiàn)，主軸上端的蝶型彈簧可以有效地降低主軸振動(dòng)對(duì)主軸端面跳動(dòng)的影響；且主軸定心軸承及承重軸承不經(jīng)過過渡盤或主軸套直接與工作臺(tái)配合，極大地降低了其加工和裝配的難度，同時(shí)提高了回轉(zhuǎn)精度，使主軸的整體剛性更大。

4.典型結(jié)構(gòu)D

結(jié)構(gòu)D由工作臺(tái)、軸承支座、角接觸球軸承、調(diào)整墊、主軸、推力球軸承、傳動(dòng)齒圈等零部件組成。動(dòng)力由傳動(dòng)齒圈傳至主軸，主軸帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，主軸中間安裝有反饋主軸轉(zhuǎn)速的角度編碼器。典型結(jié)構(gòu)D見圖4。

圖4　典型結(jié)構(gòu)D示意圖

結(jié)構(gòu)D是一種顛覆以往任何一種重型立車主軸的結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)最早是沈陽第一機(jī)床廠與德國FAG公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的一種新型重型立車結(jié)構(gòu)；它由角接觸球軸承定心，推力球軸承承載，由于軸承的滾動(dòng)體為球，故此種結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)精度和轉(zhuǎn)速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上述3種主軸結(jié)構(gòu)。

裝配過程中用調(diào)整墊做軸承預(yù)緊力，其厚度需在裝配過程中使用工裝來測量，具體的預(yù)緊力值需根據(jù)切削力、主軸最高轉(zhuǎn)速等條件確定，調(diào)整墊厚度的測量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比結(jié)構(gòu)A簡單；主軸軸頸及軸承支座內(nèi)孔應(yīng)在加工時(shí)按照一定的配合間隙與定心軸承的內(nèi)外環(huán)的尺寸匹配加工；軸承支座與推力球軸承接觸的下端面及機(jī)床底座與推力球軸承接觸的上端面需在裝配過程中刮研，保證各平面的平面度及接觸率，同時(shí)保證端面與主軸軸線的垂直。

另外，角接觸球軸承與軸承支座內(nèi)孔的配合需在加工時(shí)按照角接觸球軸承外環(huán)實(shí)際尺寸取一定的配合間隙（或過盈）加工，其間隙值和過盈值需根據(jù)具體情況設(shè)定；其中軸承支座的內(nèi)孔加工需特別注意，否則將影響主軸的回轉(zhuǎn)精度和主軸的剛性。

5.典型結(jié)構(gòu)E

結(jié)構(gòu)E由傳動(dòng)齒圈、工作臺(tái)、主軸、上壓板、圓錐交叉滾子、下壓板等零部件組成。動(dòng)力由傳動(dòng)齒圈傳至主軸，主軸帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，主軸中間安裝有反饋主軸轉(zhuǎn)速的角度編碼器。典型結(jié)構(gòu)E見圖5。

圖5　典型結(jié)構(gòu)E示意圖

結(jié)構(gòu)E是目前歐美及日韓較為流行的一種新型重型立車的主軸結(jié)構(gòu)，它用1個(gè)圓錐交叉滾子軸承代替了傳統(tǒng)的2～3個(gè)軸承的結(jié)構(gòu)，這個(gè)圓錐交叉滾子軸承既定心又軸承工作載荷，上內(nèi)環(huán)、下內(nèi)環(huán)、外環(huán)及相關(guān)的主軸、齒圈通過加熱或冰凍的方式達(dá)到較大的過盈量，來保證主軸的回轉(zhuǎn)精度及承載能力。

結(jié)構(gòu)E有5個(gè)特點(diǎn)，（1）以更小的裝配空間，具有更高的精度及剛性的特性，（2）立車主軸的轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)更為簡單，（3）有效降低裝配高度進(jìn)而降低整體重心的高度，同時(shí)減輕轉(zhuǎn)盤主軸結(jié)構(gòu)的重量，（4）具高抗翻傾扭矩性能，（5）主軸的動(dòng)靜剛性大。

但此種結(jié)構(gòu)由于與圓錐交叉滾子軸承內(nèi)外環(huán)配合的部位均要求過盈配合，故在裝配過程中需要加熱感應(yīng)圈或加熱油箱；同時(shí)還需制作測定相關(guān)回轉(zhuǎn)部件的啟動(dòng)力矩的工裝，裝配過程相對(duì)繁瑣一些。固定圓錐交叉滾子軸承內(nèi)外環(huán)的上下壓板螺釘均需按照軸承給定的螺釘尺寸，同時(shí)還需保證恒定的鎖緊力矩。

6.典型結(jié)構(gòu)F

結(jié)構(gòu)F由工作臺(tái)、雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）、推力球軸承、主軸、碟形彈簧、法蘭盤、靜壓油腔、傳動(dòng)齒圈等零部件組成。動(dòng)力由傳動(dòng)齒圈傳至主軸，主軸帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，主軸底端安裝有反饋主軸轉(zhuǎn)速的主軸編碼器。典型結(jié)構(gòu)C見圖6。

此結(jié)構(gòu)主軸由雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）+推力球軸承+靜壓平面軸承組成，前兩個(gè)軸承組合為定心軸承，負(fù)責(zé)承載主軸的軸向力及徑向力，其中雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）為主支承；靜壓平面軸承主要承載工件的重量及在切削過程中加載至工作臺(tái)上的切削力。

此結(jié)構(gòu)主軸的裝配方式及預(yù)載和結(jié)構(gòu)C相同；靜壓腔均勻的分布在以主軸中心為軸線的平面內(nèi)，以扇形結(jié)構(gòu)布置，按照工作臺(tái)直徑及承載力計(jì)算靜壓腔的數(shù)量、面積及靜壓油的壓力，其特點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、摩擦力小、無磨損，同時(shí)工作臺(tái)臺(tái)面的平面度高。需注意的是防止靜壓油的泄漏，后期的維修相對(duì)繁瑣。

圖6　典型結(jié)構(gòu)F示意圖

三、主軸結(jié)構(gòu)適用范圍

一般情況下結(jié)構(gòu)A及結(jié)構(gòu)B工作臺(tái)直徑≤2000 mm，最大工件重量≤10 000 kg，主軸轉(zhuǎn)速不超過400 r/min，結(jié)構(gòu)B較結(jié)構(gòu)A會(huì)合理一些；結(jié)構(gòu)C，總體來說結(jié)構(gòu)更加合理，一般使用在工作臺(tái)直徑≤3150 mm，最大工件重量不超過≤20 000 kg，主軸轉(zhuǎn)速不超過≤250 r/min；以上三種結(jié)構(gòu)是重型立車比較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外多數(shù)制造商基本上都會(huì)有較為類似的結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)D是一種新型結(jié)構(gòu)，隨著大規(guī)格的推力球軸承技術(shù)的突破，越來越多的應(yīng)用在重型立車上，其工作臺(tái)直徑可達(dá)到4000 mm，最大工件重量不超過≤35 000 kg，主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到600 r/min，由于其轉(zhuǎn)速可達(dá)到較高的水平所以較適合高速高精加工；結(jié)構(gòu)E是近兩年流行的新結(jié)構(gòu)，多年前此種結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)在歐美的重型立車上了，但由于當(dāng)時(shí)圓錐滾子軸承的承載力雖然較大，但其極限轉(zhuǎn)速并未提到較高的水平，所以當(dāng)時(shí)的應(yīng)用是有一定的局限性的，近幾年隨著圓錐交叉滾子軸承制造商的技術(shù)已經(jīng)突破了極限轉(zhuǎn)速的瓶頸，所以被越來越多的重型立車制造商所鐘愛，其工作臺(tái)直徑可達(dá)到4500 mm，最大工件重量不超過40 000 kg，主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到500 r/min。

結(jié)構(gòu)F一般用于工作臺(tái)直徑4000 mm以上，最大工件重量50 000 kg以上，當(dāng)然本結(jié)構(gòu)也可使用在低于上述兩個(gè)條件的情況下，但由于后期的維護(hù)、保養(yǎng)及維修較為繁瑣，一般工作臺(tái)直徑不太大或工件重量不大的情況下，用戶較少選擇此種結(jié)構(gòu)。

上一段落闡述的工作臺(tái)轉(zhuǎn)速及最大工件重量與具體選用的軸承品牌、軸承型號(hào)及軸承的潤滑有很大的關(guān)系，不可盲目的根據(jù)上一段落簡單對(duì)號(hào)入座；關(guān)于軸承的潤滑不止與工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與工作臺(tái)的浮起有很大的關(guān)系，所以在具體設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮潤滑油的流量、潤滑的管路、主軸部件的熱對(duì)稱性及潤滑油的溫度控制等因素。

四、結(jié)語

上述6種結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，適用的范圍不盡相同（可能會(huì)有重疊），主要根據(jù)工作臺(tái)的直徑、工作臺(tái)的承載能力、每個(gè)制造商的加工裝配能力、主軸結(jié)構(gòu)部件的物料成本占設(shè)備總物料成本的比例等方面取舍，尤其應(yīng)該考慮在不同的切削條件下（比如連續(xù)切削或斷續(xù)切削、被加工零件是否有偏載的情況等），酌情選擇合適的主軸結(jié)構(gòu)。

〔編輯利文〕

TM621.2

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