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直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴部件的主要性能特提出如下要求： 1、旋转精度

主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷 低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心短锥、锥孔，铣床轴端的7：24锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。 2、刚度

刚度主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。影响刚度的因素很多，如主轴的的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支撑的跨距和主轴的前悬伸，传动件的布置方式等。数控机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的刚度应提出更高的要求。 3、温升

温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。 4、可靠性

数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性。 5、精度保持性

对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。

以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度与高速，高速与低升温，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度机床时，主轴应满足高刚度 低温升的要求。

（二）主轴组件的动态特性

1.平移 主轴作为一个刚体（实际上略有弯曲），在弹性支承上作平移振动，主轴各点的振动方向一致。

2.摇摆 主轴在弹性支座上摇摆 ，左右振动方向相反。

3.弯曲 主轴本身作弯曲振动，主轴中间与两端的振动方向相反，有两个节点。这两节点位于支承点附近。

每个振型都有其固有频率。每个振型按固有频率排列的次序，称为阶。上述三个振型的固有频率，以平移振型为最低，弯曲振型为最高，三个振型分别为第一 二 三振型，振型和固有频率合称为模态。可以看出，第一 二阶模态的弹性环节主要是轴承；第三阶则主要是轴承。当轴的刚度提高时，第一二阶模态的固有频率也随之提高，但第三阶模态提高不多

主轴是一个连续体，又无穷个模态。例如还有主轴的扭转振动、纵向振动等。但是，这些模态的固有频率较高，工作时不可能发生共振，所以，只需研究最低几阶模态。主轴的模态，可用有限元法或传递矩阵法，借助计算机计算。

通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴特别是带内装式电动机高速

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主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施：

（1）是主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。

激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以π/30。也可能来自断续切削，这时激振频率还应乘以刀齿数Z。

（2）增大比尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。

（3）采用消振装置。

（三）主轴部件的组成

1、主轴部件

一般数控机床的主轴部件由主轴、主轴支承、传动件和相应的紧固件组成。对于具有自动换刀功能的数控机床，主轴部件还包括刀具自动加紧、主轴自动准停和主轴孔的清理装置等结构。主轴部件的构造，主要是支撑部分的构造。主轴的端部是标准的，传动件如齿轮、带轮等与一般机械零件相同。因此，研究主轴组件主要是研究主轴的支撑部分。 2、 主轴的传动件

可以位于前后支承之间，也可位于后支承之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和模块化设计：主轴组件（称为主轴单元）和变速箱可以做成独立的功能部件，又专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴间可用齿轮副或带传动联接。本数控车床采用带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向），圆锥孔双列圆柱滚子轴承只承受径向力，角接触球轴承兼起径向和推力支承的作用。 3、主轴的支承 （1）轴承的选择

机床主轴常用的滚动轴承有：圆锥孔双列圆柱滚子轴承，双列推力向心球轴承，双列圆锥滚子轴承，带凸肩的双列空心圆柱滚子轴承，带预紧弹簧的单列圆锥滚子轴承和角接触球轴承。在这次设计中用到的滚动轴承主要有：

a 、圆锥孔双列圆柱滚子轴承

内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大，刚性好，允许转速高。它的内外圈均较薄，因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差是轴承滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴承只能承受径向载荷。

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b、角接触球轴承

这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。角接触球轴承一般组合使用。背对背组合、面对面组合和同向组合，这三种方式，两个轴承都共同承担径向载荷；背对背、面对面可承受双向轴向载荷；同向组合只能承受单向载荷，但承载能力较大，轴向刚度较高。

轴承要合理配置，对提高主轴部件的精度和刚度，降低支承温升，简化支承结构有很大的作用。主轴的前后支承均应有承受径向载荷的轴承。 （2）轴承的预紧

所谓轴承预紧，就是使轴承滚道预先承受一定的载荷，不仅能消除减隙，而且还能使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从而使接触面积增大，轴承受力时变形减小，抵抗变形的能力增大。因此，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旋转精度、刚度和抗振性。机床主轴部件在装配时要对轴承进行预紧，使用一段时间后，间隙或过盈有了变化，还得重新调整，所以要求预紧结构便于进行调整。滚动轴承间隙的预紧与调整，通常是使轴承内、外圈相对轴向移动来实现的。常用的方法如下：

a、轴承内圈移动。

这种方法适用于圆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作轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达到预紧的目的。 b、修磨座圈或隔套。

当轴承外圈宽边相对（背对背）安装，这时修磨轴承内圈的内侧；当轴承外圈窄边相对（面对面）安装，这时修磨轴承外圈的窄边。在安装时按相对关系装配，并用螺母或法兰盘将两个轴承轴向压拢，使两个修磨过的端面紧贴，这样在使两个轴承的滚道之间产生预紧。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。 （3）轴承的润滑

滚动轴承在接触区的压强很高，在这么高的压强下，接触区产生变形，是一块小面积的接触而不是一条线或一个点的接触；润滑剂在高压下被压缩，粘度升高了。因此，才能在滚动体与滚道的接触区，形成一定厚度的油膜，把两者隔开，滚道体与滚道的接触面积很小，所以，滚动轴承所需的润滑剂很少的。当然，也可用脂润滑，还有用油气润滑的。

a、脂润滑

滚动轴承能用脂润滑是它的突出优点之一。脂润滑不需要供油管路和系统，没有漏油问题。如果脂的选择合适、洁净、密封良好，不使灰尘、油、切削液等进入，寿命是很长的。一次充填可用到大修，不需补充，也不要加脂孔。脂润滑可选用锂基脂如SKFLGLT2号（常用于球轴承）。

b、油气润滑

如果转速较大时，还需对轴承进行冷却。如果用油兼作润滑和冷却，则由于油的搅拌作用，温升反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油雾润滑能达到这个

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目的，但是易污染环境。比较好的方法是油气润滑：在吹向轴承的空气中定期地注入油，油并不雾化，用后可回收，不污染环境。油用于润滑，空气用于冷却。

滚动轴承属于精密零件，因而在使用时要求相应地持慎重态度，既变使用了高性能的轴承，如果使用不当，也不能达到预期的性能效果。所以，使用轴承应注意以下事项：

* 保持轴承及其周围环境的清洁。即使肉眼看不见的微笑灰尘进入轴承，也会增加轴承的磨损，振动和噪声。

* 使用安装时要认真仔细，不允许强力冲压，不允许用锤直接敲击轴承，不允许通过滚动体传递压力。

* 使用合适、准确的安装工具，尽量使用专用工具，极力避免使用布类和短纤维之类的东西。

* 防止轴承的锈蚀，直接用手拿取轴承时，要充分洗去手上的汗液，并涂以优质矿物油后再进行操作，在雨季和夏季尤其要注意防锈。

四 主传动系统设计与结构说明

（一）主运动传动系统

数控车床的传动系统：其中主运动传动系统由功率为11/15kw的AC伺服电动机驱动，经一级1：1的带传动带动主轴旋转，使主轴在35~3500r/min的转速范围内实现无级调速，主轴箱内部省去了齿轮传动变速机构，因此减少了原齿轮传动对主轴精度的影响，并且维修方便。

主轴功率扭矩特性

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