加工中心主轴组件分析报告_东莞市永钰精密机械有限公司_滚珠丝杆,加工中心刀库,东莞锁定螺帽

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。

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。

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，

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。

（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。

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转速和转速的要求来确定。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。

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。

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。

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；其中台湾旭泰主轴的精密级为，产品质量也被认为是同行业中最为可靠。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。那日本、德国的呢？

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。

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。

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。

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。

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？

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

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)。

（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；

（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

（4）拉刀爪：刀杆尾部的拉紧机构分2大类：四瓣爪和钢球式

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。

（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。

1、主轴主要尺寸参数：主轴的主要尺寸参数包括：主轴的直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围．主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。

（1）.主轴直径主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承公差值就越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。同时极限转速下降。主轴前支承轴颈的直径可根据主轴电动机功率初步选择。主轴后端支承轴颈的直径可以是0.7~0.8倍前支承轴颈值，实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。

通过查阅相关资料，了解到BT40主轴的轴径为60—110，因为经对很多主轴公司样本查阅，发现大部分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，而轴承是装在主轴上面的，考虑到轴肩结构，所以可推知主轴直径范围为55-110mm，具体数值可根据主轴型号确定。

（2）.主轴内孔直径主轴的内孔直径用于通过刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等，主轴孔径越大，主轴部件的相对重量也越轻。主轴孔径的大小主要受主轴刚度的制约。

主轴直径确定了，根据以上要求可知主轴内孔直径一般为30—55mm。

（3）.前悬伸a 如图1主轴前支承点至主轴前端的距离a称为主轴的前端伸。主轴的前悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸，前轴承的类型、组合方式和轴承的润滑与密封有关，主轴的前悬伸长度对主轴的刚度影响较轴前悬伸长度越短，其刚度越高。因此，在进行结构设计时，应尽量缩短悬伸量为a

经查阅一些主轴生产厂家样本 a的取值范围为70—100mm,该值取多少，需经过理论和试验考证，所以只能考虑一个范围，该值是在BT40型号中的参数值，具体是多少可以根据结构在该范围内调整。

(4).主轴的支承跨距 l 主轴前支承点至主轴后支撑点之间的距离称为跨距l，主轴组件的支承跨距对主轴本身刚度和对支承刚度有很大的影响。

主轴直径、内孔直径、悬伸长度及支承跨度的相关论文资料见附件1

评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性、热处理变形大小等因素确定。主轴的刚度与材料的弹性模量E有关，钢的E值较大，所以主轴材料首先考虑钢料。值得注意的是不论是普通钢或合金钢，其弹性模量基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减小热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑用合金钢。国内加工中心主轴常用的材料及热处理要求见表1。

钢材	热处理	用途
45	调质22~28HRC	轻中载荷主轴
40Cr	淬硬40~50HRC	中重载荷，局部表面要求较硬的主轴
GCr15	高频淬硬56~65HRC	滑动轴承的主轴轴颈
20Cr	渗碳淬硬56~62HRC	重载荷，轴颈处需要高硬度或冲击性较大的主轴
9Mn2V	淬硬50~60HRC	高精度主轴，热处理变形较小
38CrMoAlA	氮化850~1000HV	高精度主轴，保证热处理变形小
50Mn2	调质28~35HRC	轻中载荷主轴

查阅相关资料得知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的主轴采用日本镍铬钼钢（SNCM21）材质。经准正常化，及热处理程序处理，以达高韧性、高耐磨耗、高稳定要求标准。

经查阅世界钢号对比表得知SNCM21相当于国内的40CrNiMoA.但国内40CrNiMoA材料是否合乎要求有待考察。

主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴、轴承等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度。零件接触表面形状越准确，表面粗糙度越小，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求，它主要包括主轴各配件表面的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、表面硬度等内容，并应在主轴零件图上标注准确、合理。

产品特点：甩水环专利,有效阻绝高速切削之油雾；精密高硬度锥孔处理，多道次热处理，长期无几何潜变，可降低锥孔磨耗；零件精度全检，心轴、套筒、各式几何精度全检，务求精度表现；精密多层迷宫设计，在高速运转可有效阻绝切削液侵入轴承，保持润滑脂品质；止转拉刀瓣爪专利，改善运转之噪音及振动特性，提升平衡等级，可选配主轴环喷及中心出水装置。

产品特点：1.主轴采用油冷却方式，有效维护主轴温升稳定；
　　2.良好之迷宫环设计，有效防止切削油和异物侵入；
　　3.可选配主轴环喷及中心出水装置；
　　4.小型主轴标配浮动反扣装置，大型主轴有预留浮动反扣装置。
　　5.主轴皆选用P4级之超精密轴承，搭配化跨距，适当之精密公差来设计。
　　6.主轴采用欧美CNC磨床设备加工，确保零组件品质。
　　7.主轴动平衡均在G1以内。
　 8.主轴之检验、组装、加工和运转测试均在无尘室环境中完成。

(1).组装区采用恒温空调控制温度，选配公差配合。
　　(2).采用 NSK 轴承加热器加热轴承，无过热及残留磁性之顾忌。
　　(3).组装步骤均标准程序校正。
　　(4).锁紧螺帽均依标准值以扭力扳手锁紧，并坚持不以调整螺帽校正主轴。
　　(5).出厂主轴300mm偏摆均于0.008mm以内。25mm 偏摆值于0.003mm以内。
　　(6)采用德国进口油压式拉力计，检测主轴拉力。

1.平衡测试
　　◆使用CEMB 计算机平衡校正机，校验主轴平衡，并提供校騟记录。
　　◆校验主轴平衡已达到ISO1940规范G1等级。
　 2.跑合测试
　　◆采用计算机控制全自动跑合程序，提供温异过热保护及完整温升记录。
　　◆提供完整中文或英文温升记录表，更于工具机厂供国内外客户参考。
　　◆跑合方式可依主轴转速及特性设定运转测试时间，保证温度确实保护轴承。
　　◆出厂主轴均经完整跑合程序，缩知工具机厂于在线跑合时间，减少组装时间。

1.调研调查机床厂现行主轴系统情况，查阅、收集和分析国内外有关技术资料。尤其是新技术的应用情况；

2.在调研的基础上，考虑设计要求及给定的设计条件，确定主轴轴承类型及配置方式，合理布置；

3.确定主轴轴径，选择主轴端部形状并初步确定支承跨距。然后考虑各组件的定位、工艺性等要求的基础上定出主轴全部结构尺寸；

主轴零件图肯定目前采用仿制或来图加工的方式，因此设计计算方面不会开展很详细的工作，只要很好理解其产品功能作用、技术发展趋势、设计计算原理、关联因素等即可。

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