幾種重型數控立式車床典型主軸結構

蓋立亞　張洪慶　喬保中　軒廣進（沈陽第一機床廠　沈陽）

幾種重型數控立式車床典型主軸結構

蓋立亞張洪慶喬保中軒廣進
（沈陽第一機床廠沈陽）

幾種重型數控立車的典型主軸結構。闡述各種結構的特點及簡要裝配要點，分析不同主軸結構的適用情況及優劣勢。

重型數控立式車床主軸結構主軸軸承

一、引言

目前市場對裝備制造業的要求是更高的靈活性，更高的生產率，更高的精密度和表面質量以及更短的制造周期。作為裝備制造業母機的機床行業，為了適應各種工業企業的需求，機床制造商們紛紛推出高精度機床。越來越多的機床企業認識到重型機床領域的價值和商機，并準備逐漸加入到重大型機床的市場競爭中來，隨著數控機床產品高新技術功能部件的商品化，參與到重型機床市場開發的企業也越來越多。現在重型機床的發展趨勢主要體現在有3個方面，即需求的機床承載能力越來越大；用戶要求的機床回轉直徑越來越大以及大回轉直徑、大承重量機床的高精度要求。

主軸作為機床的核心部分，主軸的回轉精度將直接反應至被加工零件的圓度、圓柱度、跳動等精度，而機床采用的主軸結構則會影響到機床的回轉直徑和工作臺承載能力。

圖1　典型結構A示意圖

二、主軸結構分析

1.典型結構A

結構A由傳動齒圈、主軸、圓錐滾子軸承、雙列圓柱滾子軸承（圓柱孔）、調整墊、軸承套、推力圓柱滾子軸承、工作臺等零部件組成。動力由傳動齒圈傳至主軸，主軸帶動工作臺實現工件的旋轉，主軸底端安裝有反饋主軸轉速的主軸編碼器。典型結構A見圖1。

此結構中軸承布局由雙列圓柱滾子軸承+圓錐滾子軸承+推力圓柱滾子軸承組成，雙列圓柱滾子軸承+圓錐滾子軸承為主軸定心軸承，負責承載主軸的軸向力及徑向力，其中圓錐滾子軸承為主支承，其內外環與主軸及軸承套的配合間隙將直接影響主軸的徑向跳動及主軸剛性；推力圓柱滾子軸承主要承載工件的重量及在切削過程中加載至工作臺上的切削力，軸承的緊環和松環與軸承套的上端面及主軸的下端面的配合將直接影響主軸的軸向跳動。

需注意，調整墊是用來做軸承預緊力的，其厚度需在裝配過程中使用工裝來測量，具體的預緊力值需根據切削力、主軸最高轉速等條件確定；主軸軸頸及軸承套內孔應在加工時按照一定的配合間隙與定心軸承的內外環的尺寸匹配加工；軸承套與機床底座的結合面需再刮研，保證兩個結合表面的平面度及結合率且保證平面與主軸軸線的垂直度。同理主軸下端面及軸承座上端面與推力圓柱滾子軸承緊環和松環的結合面也需刮研。此結構中，軸承的潤滑也是非常關鍵的，否則會引起一系列的問題：在高轉速或高負載時會引起主軸中心的漂移或工作臺的異常浮起，導致加工過程中精度不符。

2.典型結構B

結構B由傳動齒圈、過渡盤、軸承套、雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）、主軸、工作臺、圓錐滾子軸承、鎖緊螺母、推力圓柱滾子軸承等零部件組成。動力由傳動齒圈傳至主軸，主軸帶動工作臺實現工件的旋轉，主軸底端安裝有反饋主軸轉速的主軸編碼器。典型結構B見圖2。結構B與結構A主要區別有以下幾點。

圖2　典型結構B示意圖

（1）將結構A中主軸拆分為過渡盤及主軸，此種結構便于主軸的加工及檢測同時還便于裝配時的找正及刮研。

（2）主軸定心軸承結構為雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）+圓錐滾子軸承，雙列圓柱滾子軸承為主支承；由于雙列圓柱滾子軸承的回轉精度要好于圓錐滾子軸承，故此結構的主軸回轉精度比結構A好。

（3）主軸軸承預載力通過鎖緊螺母施加，同時主軸軸承預載力的施加比結構A要簡單，便于裝配調整；此結構其余環節與結構A類似。

3.典型結構C

結構C由工作臺、雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）、推力球軸承、主軸、碟形彈簧、法蘭盤、推力圓柱滾子軸承、傳動齒圈等零部件組成。動力由傳動齒圈傳至主軸，主軸帶動工作臺實現工件的旋轉，主軸底端安裝有反饋主軸轉速的主軸編碼器。典型結構C見圖3。

此結構主軸由雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）+推力球軸承+推力圓柱滾子軸承組成，前兩個軸承組合為定心軸承，負責承載主軸的軸向力及徑向力，其中雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）為主支承；推力圓柱滾子軸承主要承載工件的重量及在切削過程中加載至工作臺上的切削力。

圖3　典型結構C示意圖

此結構主軸預載力通過配磨法蘭盤的下端面實現，主軸上端的蝶型彈簧可以有效地降低主軸振動對主軸端面跳動的影響；且主軸定心軸承及承重軸承不經過過渡盤或主軸套直接與工作臺配合，極大地降低了其加工和裝配的難度，同時提高了回轉精度，使主軸的整體剛性更大。

4.典型結構D

結構D由工作臺、軸承支座、角接觸球軸承、調整墊、主軸、推力球軸承、傳動齒圈等零部件組成。動力由傳動齒圈傳至主軸，主軸帶動工作臺實現工件的旋轉，主軸中間安裝有反饋主軸轉速的角度編碼器。典型結構D見圖4。

圖4　典型結構D示意圖

結構D是一種顛覆以往任何一種重型立車主軸的結構，本結構最早是沈陽第一機床廠與德國FAG公司聯合設計的一種新型重型立車結構；它由角接觸球軸承定心，推力球軸承承載，由于軸承的滾動體為球，故此種結構的回轉精度和轉速要遠遠高于上述3種主軸結構。

裝配過程中用調整墊做軸承預緊力，其厚度需在裝配過程中使用工裝來測量，具體的預緊力值需根據切削力、主軸最高轉速等條件確定，調整墊厚度的測量要遠遠比結構A簡單；主軸軸頸及軸承支座內孔應在加工時按照一定的配合間隙與定心軸承的內外環的尺寸匹配加工；軸承支座與推力球軸承接觸的下端面及機床底座與推力球軸承接觸的上端面需在裝配過程中刮研，保證各平面的平面度及接觸率，同時保證端面與主軸軸線的垂直。

另外，角接觸球軸承與軸承支座內孔的配合需在加工時按照角接觸球軸承外環實際尺寸取一定的配合間隙（或過盈）加工，其間隙值和過盈值需根據具體情況設定；其中軸承支座的內孔加工需特別注意，否則將影響主軸的回轉精度和主軸的剛性。

5.典型結構E

結構E由傳動齒圈、工作臺、主軸、上壓板、圓錐交叉滾子、下壓板等零部件組成。動力由傳動齒圈傳至主軸，主軸帶動工作臺實現工件的旋轉，主軸中間安裝有反饋主軸轉速的角度編碼器。典型結構E見圖5。

圖5　典型結構E示意圖

結構E是目前歐美及日韓較為流行的一種新型重型立車的主軸結構，它用1個圓錐交叉滾子軸承代替了傳統的2～3個軸承的結構，這個圓錐交叉滾子軸承既定心又軸承工作載荷，上內環、下內環、外環及相關的主軸、齒圈通過加熱或冰凍的方式達到較大的過盈量，來保證主軸的回轉精度及承載能力。

結構E有5個特點，（1）以更小的裝配空間，具有更高的精度及剛性的特性，（2）立車主軸的轉盤設計更為簡單，（3）有效降低裝配高度進而降低整體重心的高度，同時減輕轉盤主軸結構的重量，（4）具高抗翻傾扭矩性能，（5）主軸的動靜剛性大。

但此種結構由于與圓錐交叉滾子軸承內外環配合的部位均要求過盈配合，故在裝配過程中需要加熱感應圈或加熱油箱；同時還需制作測定相關回轉部件的啟動力矩的工裝，裝配過程相對繁瑣一些。固定圓錐交叉滾子軸承內外環的上下壓板螺釘均需按照軸承給定的螺釘尺寸，同時還需保證恒定的鎖緊力矩。

6.典型結構F

結構F由工作臺、雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）、推力球軸承、主軸、碟形彈簧、法蘭盤、靜壓油腔、傳動齒圈等零部件組成。動力由傳動齒圈傳至主軸，主軸帶動工作臺實現工件的旋轉，主軸底端安裝有反饋主軸轉速的主軸編碼器。典型結構C見圖6。

此結構主軸由雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）+推力球軸承+靜壓平面軸承組成，前兩個軸承組合為定心軸承，負責承載主軸的軸向力及徑向力，其中雙列圓柱滾子軸承（圓錐孔）為主支承；靜壓平面軸承主要承載工件的重量及在切削過程中加載至工作臺上的切削力。

此結構主軸的裝配方式及預載和結構C相同；靜壓腔均勻的分布在以主軸中心為軸線的平面內，以扇形結構布置，按照工作臺直徑及承載力計算靜壓腔的數量、面積及靜壓油的壓力，其特點是運轉平穩、摩擦力小、無磨損，同時工作臺臺面的平面度高。需注意的是防止靜壓油的泄漏，后期的維修相對繁瑣。

圖6　典型結構F示意圖

三、主軸結構適用范圍

一般情況下結構A及結構B工作臺直徑≤2000 mm，最大工件重量≤10 000 kg，主軸轉速不超過400 r/min，結構B較結構A會合理一些；結構C，總體來說結構更加合理，一般使用在工作臺直徑≤3150 mm，最大工件重量不超過≤20 000 kg，主軸轉速不超過≤250 r/min；以上三種結構是重型立車比較傳統的結構，國內外多數制造商基本上都會有較為類似的結構。

結構D是一種新型結構，隨著大規格的推力球軸承技術的突破，越來越多的應用在重型立車上，其工作臺直徑可達到4000 mm，最大工件重量不超過≤35 000 kg，主軸轉速最高可達到600 r/min，由于其轉速可達到較高的水平所以較適合高速高精加工；結構E是近兩年流行的新結構，多年前此種結構已經出現在歐美的重型立車上了，但由于當時圓錐滾子軸承的承載力雖然較大，但其極限轉速并未提到較高的水平，所以當時的應用是有一定的局限性的，近幾年隨著圓錐交叉滾子軸承制造商的技術已經突破了極限轉速的瓶頸，所以被越來越多的重型立車制造商所鐘愛，其工作臺直徑可達到4500 mm，最大工件重量不超過40 000 kg，主軸轉速最高可達到500 r/min。

結構F一般用于工作臺直徑4000 mm以上，最大工件重量50 000 kg以上，當然本結構也可使用在低于上述兩個條件的情況下，但由于后期的維護、保養及維修較為繁瑣，一般工作臺直徑不太大或工件重量不大的情況下，用戶較少選擇此種結構。

上一段落闡述的工作臺轉速及最大工件重量與具體選用的軸承品牌、軸承型號及軸承的潤滑有很大的關系，不可盲目的根據上一段落簡單對號入座；關于軸承的潤滑不止與工作臺的轉速有關，還與工作臺的浮起有很大的關系，所以在具體設計過程中應充分考慮潤滑油的流量、潤滑的管路、主軸部件的熱對稱性及潤滑油的溫度控制等因素。

四、結語

上述6種結構各有特點，適用的范圍不盡相同（可能會有重疊），主要根據工作臺的直徑、工作臺的承載能力、每個制造商的加工裝配能力、主軸結構部件的物料成本占設備總物料成本的比例等方面取舍，尤其應該考慮在不同的切削條件下（比如連續切削或斷續切削、被加工零件是否有偏載的情況等），酌情選擇合適的主軸結構。

〔編輯利文〕

TM621.2

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