车床主轴结构及滚动支承方式的改进设计

郝利军，王晓光

（1.安阳学院，河南 安阳 455000；2.安阳市汽车电控重点试验室，河南 安阳 455000）

主轴是数控车床最关键的的部位，对机床起着至关重要的作用[1-2]。由于刀具与工件之间产生周期性往复运动，数控车床的振动不可避免，如果操作不当，振动会导致振刀现象的发生[3]。

笔者与某单位联合开发的卧式数控车床，在切削螺纹和重切试验时就出现了“振刀”现象，我们深入一线，通过观察、切削试验、装配调整、查阅技术资料，最终找到了原因，对主轴结构及滚动支承方式进行了改进设计，解决了存在的问题，为进一步开发新产品积累了经验、奠定了基础。

1 改进前的主轴结构及支承方式

改进前主轴结构及支承方式如图1所示，车床主轴采用卧式布置。

图1 主轴结构图

通过对车床多次切削加工、反复试验，发现主轴结构和支承方式存在三个问题：

①安装、维修和调整困难。由于主轴前端支承轴承5采用了97000型轴承，可承受轴向、径向力的双向作用，体积小的双列圆锥滚子轴承，轴承的轴向、径向精度由轴承中间隔套厚度来调整，在安装前就必须准确确定预紧力和中间隔套厚度，若主轴在安装时，预紧力变化或工作运转一定时期，运转磨合及磨损后，需要再调整轴承间隙和精度，就必须将主轴6卸下，取出轴承5中间隔套来修磨厚度，造成机床主轴安装和使用维修调整精度困难。

②主轴稳定性及位置度不易保证。由于主轴6采用两支承结构，主轴中心与箱体中心的位置度(即两中心的重合度)，由前后5、2两轴承保证，后支承轴承2，采用的是3182000型双列圆柱滚子轴承，其位置度由轴承的间隙决定，又因轴承2内孔为锥孔，转动螺母1，轴承2内圈相对主轴6轴向移动，靠膨胀变形，可适当调整轴承间隙，提高位置度，安装位置度好，但内圈右端无限位，当后端轴承轴向受力变化时，内圈将有可能轴向移动，影响主轴间隙，故稳定性较差；前端双列圆锥滚子支承轴承5，其内圈的位置度由预紧力和间隙决定，预紧力小，轴承内、外圈间隙大，轴承内圈中心相对外圈中心易发生偏移，故主轴6的前端位置度不是由轴承5本身精度确定，而是由主轴6安装后，调整预紧力确定，又由于大型主轴是卧式安装，质量重，主轴6在自重的作用下、向下偏移，存在安装时位置度不易确定的问题，同时还存在，为提高主轴位置度而提高预紧力，导致轴承5易发热的缺陷，故主轴6位置度，极不易保证。

③容易划伤配合面。由于齿轮3，前支承轴承5与主轴6结合面为圆柱面配合，配合面较严，存在主轴装、拆困难，容易划伤配合面；若放宽配合，结合面就会出现间隙并难以消除，转速较高时，主轴容易产生振动。

综合上述存在的问题，用户使用一段时间后，会造成主轴轴承间隙变化，间隙变化产生振动造成故障，这是出现切削螺纹振刀现象的主要原因，继而影响加工精度与效率。为有效解决该问题，需要调整主轴前支承轴承间隙，调整轴承间隙需将主轴组件卸下取出轴承中间隔套，对中间隔套进行配磨或更换，但因主轴体重，装卸需要专用吊具，维修耗时长，给维修调整造成困难。

2 改进后的主轴结构及支承方式

经过分析研究，对主轴支承方式进行了如下改进设计，采用了如图2所示结构。

图2 主轴结构图

我们通过改进优化设计，并在应用中得到验证，消除了振动，达到良好的效果,现介绍如下：

①轴承组合使用易于安装、维修调整。将图1主轴前支承97000双列圆锥滚子轴承5，改为3182000型双列向心圆柱滚子轴承15和8000型平面推力球轴承13的组合后，因径向力和轴向力分别由两种轴承各自承担，两方向的预紧力可单独调整，互不干涉，有利于轴承调到最佳状态，减少轴承发热。

②主轴稳定性及位置度得到保证。主轴17前后两处径向支承轴承8、15均采用3182000型双列圆柱滚子轴承，故两处的位置度即由轴承8、15的精度和间隙决定，不受重力影响，便于安装，又因8、15轴承内圈为锥孔，间隙调整不用取下轴承，靠旋转螺母7、11调整内圈相对主轴轴向位置，膨胀内圈，调整径向间隙，螺母16，螺纹套9，在两轴承间隙调好后，可锁定轴承8、15内圈轴向位置，保持轴承间隙，不受外力影响，同时在维修时，旋转螺母16，螺纹套9向轴承方向移动，即可方便卸下轴承8、15，故主轴17的安装、拆卸、轴承间隙调整方便，且轴承精度保持性好。

③主轴锥面配合效果好。将图1中的轴承5，齿轮3与主轴6的圆柱面配合，改为图2中的轴承8、15，齿轮10与主轴17的锥面配合，便于定心、安装和拆卸，且有利于保护定位面。

对主轴进行有限元分析优化，在保证刚性的情况下，加大了主轴的内孔径，通过直径由100 mm变为115 mm，实现了主轴的轻量化，降低了重量，节省了材料，方便了维护。

3 结语

经过改进设计并进行试验后，达到了预期的效果，工厂使用良好。通过改进设计，我们也积累了一些经验。针对大型车床主轴，其特点是质量重、装卸不易，因此选择设计主轴结构及支承方式时，必须注意以下四点：

①对于卧式结构主轴其位置度要由轴承来保证，安装后不用调整，不受自重影响。

②轴与装在轴上的零件要便于装卸、测量、维修，有利于保护配合面，具有良好的工艺性和维修性。

③径向轴承、轴向轴承组合使用，可分别预紧调整，精度保持性要好，且不用拆卸，能随时方便的调整轴承间隙。

④在轴的支承方面，尽量采用两点支承，采用三点支承，并且辅助支承点要靠近受力处，其中辅助支承轴承与配合要保留适当间隙，避免三点支承因不同轴而造成主轴别劲，引起轴承损坏和主轴振动。

车床的用途不同，工作条件不同，车床主轴结构及支承方案就不同，主轴结构设计及支承方式的选择，应根据工程实际具体问题具体分析。