主轴组件

加工中心主轴组件分析报告一、主轴组件概述1.主轴组件定义加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成，而主轴组件是加工中心的主传动部分的主要组成部分，在机床上，主轴主要作用是夹持工件或刀具旋转，提供足够的驱动功率或输出转矩，能在整个速度范围内提供切削所需功率和转矩，以满足机床强力切削时的要求，直接参加表面成形运动。

（应附图）主轴被比喻为“机床的心脏”，这是再恰当不过了，人们期望它输出更高的转速、更大的扭矩、更强劲的功率、更小的主轴跳动、更低的磨损率、更少的故障及更低的价格。

目前国内机床主轴的水平还未满足用户的要求。

2.国内外主轴现状比较在国外，主轴单元的设计大多是可以公开的，一些大轴承公司甚至公开出版书籍，教人们如何设计适合的主轴单元具体到使用什么轴承、轴承的精度等级、相应的配合公差、形位公差、主轴单元可以达到的精度、润滑方式、润滑油、密封方法、动平衡精度等,有的公司还会介绍如何装配，应在什么环境下装配等。

设计可以公开，但加工工艺就很少见诸文献。

大多数公司对工艺都严守秘密，好多出国考察的人士就反映主轴单元零件的精加工场所，甚至装配场所几乎都不允许参观。

因此很难叙述目前国外的工艺水平，只能从一些间接的现象来评估。

例如有时我们采用相同的设计、相同的材料、用同一轴承公司的型号、精度等级相同的轴承，而做不出相同精度或相同速度的主轴单元来。

对铣削加工中心，主轴跳动在1um已经是国内用户购买高精度机床的一个标淮，这对于国外的机床来说，也已经是一个非常普通的参数，甚至于价位很低的机床，反观我们国内的情况，还没有哪个厂家明确地在产品样本上标明主轴跳动为lum，而实际的情况更糟糕，机床的主轴指标往往是5um。

情况为什么会是这样呢?原因主要的还是主轴的结构设计、加工工艺、热处理工艺、装配工艺的问题。

这个也是以后开发主轴的技术难点。

此处至少应就主轴类技术指标、材料及热处理的差距列表，差距比较是表现技术水平高低的重要形式，必须有数据，国外在主轴方面的发展方向是什么，必须在文中有回答（并提供一些参考资料作为支持）二主轴组件的分类、功能、性能要求以下以铣加工中心作为例子介绍（1）主轴组件的分类：皮带式主轴、直结式主轴、内藏式主轴（电主轴）（应附图）三类主轴使用环境：皮带式主轴广泛用于小型机床上，并能满足机床对转矩特性的要求；直结式主轴虽然简化了主轴结构，有效地提高了主轴刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴精度影响大；内藏式主轴是集皮带式主轴和直结式主轴优点，具有高速度，高精度，以及良好的稳定性能等多项优点，广泛用于数控钻铣设备，精密雕刻、雕铣、木工机械、精密磨床及其他数控高速机械。

三类主轴发展趋势：从当前机床行业看，大多立式加工中心还是采用皮带式主轴，主要满足机床对转矩的要求，直结式的较少，因为电主轴已经有取代直结式主轴的趋势了。

主轴组件功能：1.调速功能为了适应不同工序、各种工件材料及刀具等各切削工艺要求，主轴必须具有一定的调速范围并实现无级变速，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量；调速范围的指标主要由各种加工工艺对主轴最低转速和最高转速的要求来确定。

目前加工中心主轴基本实现无级变速。

2.刀具自动夹紧功能加工中心突出的特点是自动换刀功能，为保证加工过程的连续实施，加工中心主轴系统与其他主轴系统相比，必须具有刀具自动夹紧功能。

3.主轴定位功能要求主轴准停功能又称主轴的定位功能，即当主轴停止时，控制主轴停在固定的位置，这是自动换刀所必须的功能。

在自动换刀时，切削转矩通常通过刀杆的端面键来传递的，这就是要求主轴具有准确定位于圆周上的特定角度的功能。

主轴组件主要参数：机床主传动系统的参数有动力和运动参数。

动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的变速范围。

（1）主传动功率通过查阅搜集的主轴相关资料，主轴功率分以下几种：30（BT30,DIN30,CAT30）锥孔规格的主轴电机功率大部分为3Kw或5Kw；40锥孔规格的主轴电机功率大部分为7.5Kw或11Kw，50锥孔规格的主轴电机功率大部分为15Kw或18.5Kw。

（2）主轴组件的最高转速以下是台湾主轴专业生产厂家的主轴转速范围主要有以下几种：键椿工业股份有限公司、普森精密主轴工业有限公司、矩将科技有限公司、台湾旭泰精密主轴公司：6000rpm 8000rpm 10000rpm 12000rpm；但从上可以看出，现在加工中心机械主轴的转速大部分是6000、8000、10000、12000，在往上走就是电主轴转速范围了。

日本、德国的呢？主轴组件性能要求：（1）回转精度主轴组件的回转精度，是指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求（其值可参考有关机床精度标准）。

目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。

当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。

回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变的。

实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一个瞬间多是变化的，这些瞬时回转中心的平均空间位置称为理想回转中心线。

瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置距离，就是主轴的回转误差，回转误差的范围就是的回转精度。

纯径向误差、角度误差和轴向误差它们很少单独存在。

当径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在时构成端面跳动。

在加工过程中这些误差直接影响到工件的表面形状等加工质量。

因此，在设计主轴组件是必须对回转精度加以控制。

一般回转精度指标是多少？（国外，国内？）（2）刚度主轴组件的刚度是指受外力（例如切削力）作用时，主轴组件抵抗变形的能力。

通常以主轴前端产生单位位移量时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。

主轴组件的刚度越大，主轴受力的变形就越小。

主轴组件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。

可见主轴的刚度直接影响到主轴组件的性能。

主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、所选用的轴承类型及配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。

刚度一般采用有限元分析，指标情况如何呢？（3）抗振性主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳地运转而不发生振动的能力。

主轴组件抗振性差，工作时容易产生振动，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的的提高，使刀具耐用度下降。

提高主轴抗振性必须提高主轴组件的静刚度，采用较大的阻尼比的前轴承，以及在必要时安装阻尼消振器。

另外主轴固有频率应远远大于激振力频率。

抗振性如何测定？（4）温升和热变形主轴组件在运转过程中，温升过高会引起两方面的不良结果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心与机床其他件的相对位置发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常的润滑条件，影响轴承的正常工作。

严重时甚至会发生抱轴现象。

所以要提高主轴组件的性能，必须控制主轴温升。

大部分主轴厂家的控制温升为+10°C、+15°C、+20°C。

国内外有什么差距？国外在控制这个指标方面有什么新的对策和措施？（5）耐磨性主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。

主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工件部位。

为了提高耐磨度，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高其硬度增加耐磨性。

主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐磨性。

以上所述各项要求，要综合考虑，例如高刚度与高速，高速与低温升，高速与高精度等方面的矛盾就要具体问题具体分析。

这个指标非常关键和重要，有无具体指标数据方面的资料（国内外对比），包括材料、热处理的特殊手段、新手段？三、主轴产品技术分析1.主轴结构示意图：应附以表现某种型号主轴单元的完整结构图2.主轴组件零件分析一套完整的主轴组件离不开以下零件：端面键、刀柄、拉钉、主轴前端盖、拉杆、拉刀爪、前端轴承、主轴、隔环、主轴套、同步皮带和皮带轮、密封件、蝶形弹簧、拉刀气缸、撞块、行程开关、冷却系统、浮动退刀装置及紧固件。

端面键、刀具、刀柄、拉钉、拉刀爪、轴承、同步皮带和皮带轮、蝶形弹簧、拉刀气缸、行程开关、紧固件已经标准化，所以主轴需要自己独立设计的就只有主轴前端盖、拉杆、主轴、隔环、主轴套、同步带轮内孔和结构可根据需要特制、撞块、冷却系统的布局，浮动退刀装置(其实就是一种卸荷装置，相关资料见附件1)。

（一）标准件：（1）主轴前端有7：24的锥孔，用于装夹BT40刀柄或刀杆，再用拉杆从主轴后端拉紧，主轴端面有一端面键．既可通过它传递刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位．相关标准见GB3837·2—83机床工具7：24圆锥联结主轴端面键。

（2）刀柄：GB10944.1-2006T自动换刀用7：24圆锥工具柄部—40、45和50号柄第1部分尺寸及锥角公差；GB10944.2-2006T自动换刀用7：24 圆锥工具柄部—40、45和50号柄第2部分技术条件；日本BT刀柄标准见B6339-1998。

（3）拉钉：GB10945.1-2006-T自动换刀用7：24 圆锥工具柄部-40、45和50 号柄用拉钉第1部分：尺寸及机械性能GB/T 10945.2-2006自动换刀用7：24圆锥工具柄部第2部分技术条件日本BT拉钉标准见B6339-1998（4）拉刀爪：刀杆尾部的拉紧机构分2大类：四瓣爪和钢球式①四瓣爪②钢球式比较2种拉紧结构，各有优点，但从可靠性方面四瓣爪要强，因为钢球式由于钢球表面很硬，拉刀的力也比较大，受力方式是点接触，如果时间长了很容易将钢球边缘压凹或者将拉钉端部拉坏，而四瓣爪通过面接触，不会出现钢球式那种情况，论成本钢球式当然比四瓣爪便宜，但是在拉紧机构的可靠稳定性方面，四瓣爪比钢球式强很多，现在国内加工中心基本上采用四瓣爪拉紧结构。

（5）轴承：经查阅大量主轴相关资料及前面已介绍，主轴轴承采用的是角接触球轴承或双列圆柱滚子轴承（用于大中型卧式加工中心主轴和强力切削机床主轴），主轴轴承主轴采用轴承的内径为60，65，70（用于BT40型号），80，100（用于BT50型号）mm，台湾几家专业主轴厂家的主轴前轴承采用的德国FAG公司的高精度精密主轴轴承或（NSK）轴承或SKF轴承，且前后轴承精度等级都为P4级。

（6）同步皮带和皮带轮：同步皮带和皮带轮很有采用的是美国盖茨或日本UNITTA公司的精确圆弧齿同步带5GT和圆弧齿同步带8YU，皮带式主轴基本上采用如上同步皮带，相应地也会采用如上的带轮。

（7）蝶形弹簧：德国专业的蝶形弹簧供应商；（8）拉刀气缸：台湾专业的拉刀气缸生产商；（9）行程开关：选用欧姆龙的，作用是提供松刀完成及拉刀完成的信号。