能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。目前，主轴端部的结构形状都已标准化[7]。图2.1所示为几种机床上通用的结构形式。
(a) 车床 (b) 铣镗类机床 (c) 外圆磨床 (d) 内圆磨床 (e) 钻床镗床 (f) 数控镗床
图2.1 机床主轴轴端形式
2.2 主轴组件的支承 2.2.1 主轴轴承的类型
机床主轴带着刀具或夹具在支承件中作回转运动，需要传递切削扭矩，承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。
滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛采用。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对转速有很大的限制。数控机床主轴组件在可能条件下，尽量使用了滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主轴。这时滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。图2.2所示为主轴常用的几种滚动轴承的类型。
(a)双列圆柱 (b)双列推力向 (c)双列圆锥滚 (d)带凸缘双列圆柱 (e)带弹簧的单列圆
滚子轴承 心球轴承 子轴承 滚子轴承 锥滚子轴承
图2.2 主轴常用的几种滚动轴承的类型
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为了适应主轴高速发展的要求，滚珠轴承的滚珠可采用陶瓷滚珠。陶瓷滚珠轴承由于陶瓷材料的质量轻，热膨胀系散小，耐高温，所以具有离心小、动摩擦力小、预紧力稳定、弹性变形小、刚度高的特点。但由于成本较高，在数控机床上还未普及使用[7～10]。
数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。不同类型主轴轴承的优缺点见表2.1。
表2.1 数控机床的主轴轴承及其性能[12]
性 能 旋转精度
紧无间隙时较高 一般或较高，预紧
刚 度
后较高，取决于所用轴 较差，阻尼比
抗 振 性
高，与节流阀形式有关，薄膜反馈或滑阀反馈很高 好，阻尼比
较差，因空气可压
不及一般
缩，与承载力大小
滚动轴承
有关
承差
比一般滚动轴
滚动轴承 一般或较高，在预
高，精度保持性好
一般
同滚动轴承
液体静压轴承
气体静压轴承
磁力轴承
陶瓷轴承
??0.02~0.04
用于中、低速，特
??0.045~0.065
好 较好 同滚动轴承
用于中、高速，
用于各级速度
用于超高速
用于高速
热传导率低，不易发热
小，
小 长
轴向大，径向小 自制，工艺较液压
很小 长 径向大
同滚动轴承 较长
轴向小，径向大
速度性能 殊轴承可用于较高速 较小，
摩擦损耗 寿 命 结构尺寸
??0.002~0.008
疲劳强度限制 轴向小，径向大
??0.0005~0.001
长
轴向大，径向小
轴承生产专业化、自制，工艺要求高，
制造难易
标准化
需要供油设备
系统
要求供油系统清
使用维护
简单，用油脂润滑
洁，较难
洁，较易 要求供气系统清
较难
较难
系统低，需要供气
较复杂
比滚动轴承难
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成 本 低 较高 较高 高 较高
2.2.2 主轴轴承的配置
根据主轴部件的工作精度、刚度、温升和结构的复杂程度，合理配置轴承，可以提高主传动系统的精度。采用滚动轴承支承，有许多不同的配置形式，目前数控机床主轴轴承的配置主要有如图2.3所示的几种形式。
(a) (b) (c) (d)
图2.3 数控机床主轴轴承的配置形式
在图2.3(a)所示的配置中，前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60o角接触球轴承组合，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用成对角接触球轴承，该配置可满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机机床。
在图2.3(b)所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由2~3个轴承组成一套，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，这种配置适用于高速、重载的主轴部件。
在图2.3(c)所示的配置形式中，前后支承均采用成对角接触球轴承，以承受径向载荷和轴向载荷，角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达4000r/min，但这种轴承的承载能力小，因而这种配置适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。
在图2.3(d)所示的配置形式中，前支撑采用双列圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，这种配置径向和轴向的刚度高，可承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好，但主轴转速和精度的提高受到限制，因此适用于中等精度，低速与重载荷的数控机床主轴[13～15]。
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2.2.3 主轴轴承的预紧
对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量，可以提高主轴部件的回转精度、刚度和抗振性。滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是通过轴承内、外圈的相对轴向移动来实现的。 1） 轴承内圈移动
这种方法适用于锥孔双列圆柱滚子轴承。用螺母通过套筒推动内圈在锥形轴颈上做轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达到预紧的目的。图2.4所示为几种轴承内圈的预紧形式。
(a) (b) (c) (d)
图2.4 轴承的预紧形式
图2.4(a)结构简单，但预紧量不易控制，常用于轻载机床主轴部件。 图2.4(b)用螺母限制内圈的移动量，易于控制预紧量。
图2.4(c)在主轴凸缘上均布数个螺钉以调整内圈的移动量，调整方便，但是用几个螺钉调整。易使垫圈歪斜。
图2.4(d)将紧靠轴承右端的垫圈做成两个半环，可以径向取出，修磨其厚度可控制预紧量的大小，调整精度较高。调整螺母一般采用细牙螺纹，便于微量调整，而且在调好后要锁紧防松[15,16]。 2） 修磨座圈
通过修磨轴承的内外座圈，可以调整轴承的预紧力。图2.5所示为两种修磨的形式。
(a) 修磨轴承内圈的内侧 (b) 修磨轴承外圈的内侧
图2.5 修磨轴承座圈
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图2.5(a)为轴承外围宽边相对(背对背)安装，这时修磨轴承内圈的内侧，使间隙a增大。
图2.5(b)所示为外围窄边相对(面对面)安装，这时修磨轴承外圈的窄边。在安装时按图示的相对关系装配，并用螺母或法兰盖将两个轴承轴向压拢，使两个修磨过的端面贴紧，这样能够使两个轴承的滚道之间产生预紧[12,13]。
另一种方法是将两个厚度不同的隔套放在两轴承内、外圈之间，同样将两个轴承轴向相对压紧，使滚道之间产生预紧，隔套调整法如图2.6所示[12,15,17]。
(a)
图2.6 隔套调整法
(b)
2.3 主轴组件的润滑与密封
主轴部件的润滑与密封是机床使用和维护过程中值得重视的两个问题。良好的润滑效果可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命。密封不仅要防止灰尘屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄漏。 2.3.1 主轴组件的润滑
在数控机床上，主轴轴承润滑方式有油脂润滑，油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等。 1） 油脂润滑方式
这是目前在数控机床的主轴轴承上最常用的润滑方式，特别是在前支承轴承上更是常用。当然，如果主轴箱中没有冷却润滑油系统，那么后支承轴承和其他轴承一般采用油脂润滑方式。主轴轴承油脂封入量，通常为轴承空间容积的10%，切忌随意填满。油脂过多，会加剧主轴发热[13,18]。
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立式加工中心主轴组件的结构设计开题报告共17页
