浅析主轴箱体的加工精度与机床几何、工作精度

摘 要：文章着重介绍了主轴箱体的加工精度与机床几何精度（主轴精度）、工作精度的关系。并例举说明了主轴箱体的主要加工精度对机床精度等方面产生的影响。

关键词：加工精度；圆度；同轴度；垂直度；间隙

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）17-0098-02

数控机床的精度主要分为几何精度、位置精度和工作精度。几何精度主要包括床头主轴精度和导轨上运动部件的精度以及床头精度相关联的精度，工作精度就是加工工件的精度。

主轴箱体零件是机床重要部件和基础件。由它将一些轴、套和齿轮等零件组合在一起，使其保持正确的相互位置精度关系，彼此能够按照一定的传动关系协调地运动。主轴箱体的加工质量对整个机床精度、性能和寿命都有着直接的影响。尤其是对机床的几何精度（床头主轴）和工作精度影响较大，特别是近几年，随着机床行业的迅猛发展，用户对机床精度特别是几何精度和工作精度的要求越来越高，所以为了保证机床整机精度要求，首先要保证组成机床的零件的自身精度要满足技术要求。也就是说首先要保证零件的加工精度前提下，才能保证机床的整机精度。因此，本文将从以下几个方面进行分析主轴箱体的主要加工精度影响机床的几何精度（床头主轴）和工作精度。

1 机床几何精度（床头主轴）及工作精度（加工精

度）要求

①机床几何精度（床头主轴精度）要求。根据中华人民共和国国家标准GB/T16462—1996《数控卧式机床精度检验》要求：几何精度（床头主轴）共有4项要求（以我厂目前HTC80( CKS6180) 为例）。其一，主轴的周期性轴向窜动，主轴卡盘定位端面的跳动。其二，主轴轴端的卡盘定位锥面的径向跳动。其三，主轴锥孔轴线的径向跳动：靠近主轴端面，距主轴端面500处。其四，刀架移动对主轴轴线的平行度：在主平面内及在次平面内。

②工作精度（工件加工精度）要求。有以下几项要求。其一，精车试件外圆：圆度及直径的一致性。其二，精车端面的平面度。

2 主轴箱体的结构形式及主轴组件精度

2.1 主轴箱的基本结构

目前我厂普及型数控床头箱结构通常采用由伺服电机的旋转，通过带动皮带轮的旋转从而达到主轴旋转的目的。通常我们管这种结构叫做单轴结构。而对应的主轴箱体零件的结构通常有两支撑的、三支撑的箱体结构。两支撑的主轴箱体有两孔同轴度要求、圆度要求，垂直度要求。三支撑的主轴箱体有三孔的同轴度要求、椭圆度要求，垂直度要求。根据不同结构的要求，对主轴箱体有着不同的技术要求。我厂HTC80（CKS6180）系列床头结构为两支撑结构。

2.2 主轴组件精度

①主轴1∶12锥度与轴承的接触率。主轴1∶12锥度与轴承接触的好坏，在箱体总装精度起着非常重要的作用。我们通常在磨削加工主轴外圆时，用轴承研合检查接触率配磨株洲外圆，而且是一个轴承对应一个主轴。

②主轴的预紧力和动平衡。主轴组件装配后根据机床的结构、精度、主轴的转速、负载等要求，确定机床主轴轴承的配置形式，并进行预紧力试验消除轴承的间隙，保证主轴的刚度和回转精度。

主轴组的动平衡质量直接影响主轴高速回转精度和振动，从而影响加工精度。我厂装配主轴组件后，都必须上动平衡试验机进行动平衡试验，保证主轴组件的动平衡。

我厂的CKS系列机床主轴在装配时做好预紧力和动平衡。

由于我厂数控车床单轴结构的主轴箱体，主轴箱体孔前面的轴承支撑通常为一对高精度角接触球轴承“70系列”和一个高刚性的双列圆柱滚子轴承“NN30”系列组合。在装配时保证了主轴轴承安装合适，预紧可靠，动平衡符合要求，使主轴组件有一个良好的精度和刚性，本文就是在主轴组件精度和其他精度合格的基础上探讨本论文的主题，所以提高和控制主轴箱体的主要加工精度，减少对机床几何精度和工作精度的影响，显得尤为重要。下面就箱体的加工精度影响简单进行分析。

3 箱体加工精度影响分析

3.1 主轴箱体孔同轴度的影响

两支撑的主轴箱体，如果前、后轴承孔同轴度超差，就是我们通常说的两孔的中心线不在同一理想中心线上，既两孔错心，当主轴穿入箱体孔时，（我们认为主轴两轴承支撑外圆是理想的同轴）那么，主轴势必在箱体内发生变形产生弯曲，轴承内、外环发生错心，轴承的游隙量发生变化，在同一圆周上造成轴承的滚动体受力不均，部分滚柱不是在正常地转动，而在瞬间打滑。正是这打滑磨擦现象，会引起轴承意外的升温发热。种种发热的不利因素，会造成轴承的早期劣化损伤。特别是那些较高转数的数控主轴，除表面有运转的异常杂声外，重则严重影响主轴的刚性。导致切削加工试件时“振刀”。这时如果将千分表或百分表的指针垂直指向主轴的短锥外圆上，你就不难看出表的指针的摆动。同时主轴在高速旋转时质量发生偏移，动平衡质量超差产生振动。在被加工零件的表面，出现程度不同的振纹。目前我厂HTC80(CKS6180)主轴箱体同轴度不超过0.008 mm。

3.2 主轴箱体孔圆度的影响

箱体孔的加工，不管采用何种设备，必然存在着较大的形状误差。而且，极容易地干涉着轴承外圈在箱体孔中的形状。也就是受箱体孔的约束也会变形（这一点我们可用内径千分表测量，在相同的截面不同的点进行多点测量）。当轴承外圈的内滚道面圆度偏大之后，轴承的滚柱因在某位置区域出现了间隙而滑动。由于滚动体的滑动会引起意外的升温发热。种种发热的不利因素，同样会造成轴承的早期劣化损伤，主轴运转异常出现杂声，并严重影响主轴的刚性，主轴的刚性下降，导致切削加工试件时“振刀”。在被加工零件的表面，出现不同程度的振纹。目前我厂HTC80（CKS6180）主轴箱体孔圆度不超过0.01mm。

3.3 主轴箱体孔与轴承外环间隙的影响

轴承外环是是薄壁环，受箱体孔形状约束。同时轴承外环也受间隙配合的影响，间隙过大、过小都将影响着主轴的精度及刚性。箱体孔与轴承外环间隙过小，直接影响的轴承的游隙量，旋转后轴承意外的升温发热，会造成轴承的早期劣化损伤从而影响主轴的旋转精度及主轴的刚性，主轴出现异常杂声，高叫、重则严重影响主轴的刚性，主轴精度出现异常，若箱体孔是椭圆形，并且与轴承外环间隙过小，那么就会使轴承外环受箱体孔的影响而变形。

假设主轴箱体孔与轴承外环间隙过大，外环在箱体内承受径向力大大减弱，且主轴在高速旋转时，外环随着内环易产生转动，这时轴承滚动体产生相对滑移，瞬间打滑。打滑磨擦现象，会引起轴承意外的升温发热。同样会造成轴承的早期劣化损伤。目前我厂HTC80（CKS6180）主轴箱体孔与轴承外环配镗间隙不超过-0.002～0.004mm。

以上问题出现后反映在机床几何精度上就是主轴轴端的卡盘定位锥面的径向跳动超差、主轴锥孔轴线的径向跳动超差、主轴周期性轴向窜动超差、主轴卡盘定位锥面的径向跳动超差。

反映在工作精度上就是工件外圆粗糙度大，振纹、圆度超差等。

3.4 主轴箱体定位基面的影响

如图1所示，基准面C、与立面D既是加工基准，又是装配基准。基准的统一保证了总装精度的要求。底面C、与立面D是与床身连接的结合面，是重要结合面，是保证机床几何精度（刀架移动对主轴轴线的平行度在主平面内及在次平面内）的重要环节。

立面D与主轴箱体孔的平行直接影响床头方向是否向里、向外。基面C与主轴箱体孔的平行直接影响床头方向是否抬头还是低头。因此主轴孔与定位基面的平行度误差将影响机床几何精度（刀架移动对主轴回转轴线的平行度）。反映到机床工作精度也就是造成车削工件的圆柱度超差，工件出现锥度。

一般我们在作床头主轴精度时，只许主轴方向向下，且偏向刀具。

4 结 语

综上所述，影响机床几何精度和工作精度的因素很多，在机床其他零部件精度保证的情况下，床头箱体的主要加工精度对机床的几何精度（床头主轴）和工作精度（工件的加工精度）产生很大的影响。因此，如何提高数控机床精度，保证产品的质量，满足用户和市场的需要，采用科学、合理的工艺手段，是当代科技工作者永远探讨的课题。

参考文献：

[1] GB/T16462-1996,数控卧式机床精度检验[S].