数控机床主轴设计与机床热特性设计

数控机床主轴在精度设计时往往根据设计手册选择经济精度及其配合，在制造时根据经验选择预紧力，缺少计算的指导。使用时，主轴的温升会造成轴承间隙、预紧力的变化，如果在设计、制造时考虑不充足，就会造成轴承的非正常磨损。密封、润滑不良也将直接导致轴承非正常磨损。

因此，造成主轴轴承非正常磨损的因素主要为：设计阶段的轴承间隙(配合)过大或过小、密封及润滑结构不合理，以及制造阶段预紧力过大或过小。

一、预紧力的合理选择

主轴的功能是给刀具提供足够的动力和刚度来正常切削工件。在制造阶段，为了主轴有足够的刚度，往往对轴承施加预紧力。预紧力越大，主轴刚度越大，主轴发热变形也越大，轴承越容易磨损，主轴精度保持性越差。合理服役状态下主轴预紧力，能够减小主轴轴承发热造成的非正常磨损，提高主轴精度保持性。

因此，考虑使用状态下的转速、切削载荷、温升对预紧力的影响，才能装配时的预紧力在使用状态下是合理的，减小预紧力设置不当造成的精度衰退，提高主轴精度的保持性。

二、润滑和密封不当

主轴轴承的密封和润滑不当也是造成国产数控机床主轴、特别是磨削类主轴轴承非正常磨损的重要原因。国产主轴轴承损坏的形式，指出润滑不良是主轴异常磨损的一个重要因素。磨削类机床由于砂轮在工作时磨粒的脱落造成冷却液中杂质过多，如果轴承密封不良较容易造成主轴轴承的磨损。某型号磨床主轴轴承密封不严造成主轴磨损的情况(较严重的情况是试切时轴承磨损损坏)，改进了主轴密封结构，使其精度保持时间延长。

三、轴承间隙的合理设计

设计阶段，通常为了主轴径向跳动精度，选择较小的轴承和主轴箱间隙。在结构和冷却、润滑参数确定的情况下，间隙越大，主轴径向跳动越大；反之，间隙越小，主轴径向跳动越小，但主轴发热变形越大，容易加剧磨损或者造成轴承卡死。为了提高主轴的精度保持性，合理地选择轴承与主轴箱间隙，减小轴承的非正常磨损显得尤其重要。

主轴在使用时温度造成

角接触轴承尺寸的变化情况，并给出了计算方程，但是计算精度不够高。为了从热变形、刚度等方面来评价间隙设计结果，利用有限元法和有限差分法建立了高速加工中心主轴箱混合模型，分析了因旋转速度变化形成的离心力造成的间隙变化。考虑了轴承滚珠、滚道的接触变形线性叠加轴承外圈与轴承座的热变形来计算轴承间隙。轴承间隙随外部载荷、转速和操作时间变化的变形曲线，为间隙设计提供了依据。但是其提供的是单个轴承在各种工况下的变形量，一般情况下，主轴轴承是成组使用的。

因此，为了提高主轴的精度保持性，减小轴承非正常磨损，在设计轴承间隙时，需要同时考虑转速变化引起的离心力造成的轴承变形、预紧力造成的轴承发热变形、主轴的冷却效果以及轴承的配置方式等的影响。

机床热特性分析技术是实现机床热设计的基础。机床热特性分析通常采用实验研讨方法和数值模拟法。实验研讨方法一般用红外热像仪、热电偶、激光干涉仪和微位移传感器等测量仪器，进行机床空运转综合试验、分离热源试验和磨削试验确定主要热源，并测量各内热源作用下机床各部件的温升、温度场变化、热变形和达到热平衡的时间。

因为机床热误差并不是仅仅和机床某一点的温度变化呈线性对应关系，而是受到各热源的综合作用，并和机床的整体温度变化有关，因此，需要在机床上布置多个测点，并通过数据处理分析找到和热变形相关性好的重要测点，即热关键点。

如何选择少的传感器和较佳测量位置，并能额定程度地和机床的热变形误差相对应呢？通常采用两种实验方法来确定机床的热关键点，一是根据实验数据计算热变形量与各测量位置温度变化之间的相关系数，去掉相关系数小的点；二是分析温度变化曲线，剔除提供重复信息和处于不敏感位置的测温点。

机床热设计的核心目标是额定限度地控制温升，减小热变形，为部件级、组件级和系统级提供良好的热环境，它们在相应的热环境下，按预定的要求地工作。机床热设计一般分为两大类，一类是机床结构的热平衡与优化设计技术，另一类是机床高速冷却技术。

热容量平衡设计也是改进热变形方法。它是根据机床各部件热容量的不同，对局部热容量大的部件采取相应的措施来控制和减少其温升，使它与热容量较小的部位不致产生较大的温差，尽量达到它们之间的热平衡，从而使机床整体的热变形减少。合理地设计机床散热板有利于平衡部件之间的温度场。

此外，机床热结构优化技术还包括反变形技术，另外，使用花岗岩、陶瓷、混凝土、玻璃钢等新材料也可以减少热变形。用反变形来抵消热变形的不良影响是一种简单易行的方法。平面磨床为例，在加工时主动对机床导轨采用中凸结构，很好地提高了磨床加工精度的稳定性。机床热设计的另外一种重要方法就是设计高速的冷却系统，通过控制机床的温度变化来提高机床的精度。