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[摘 要]随着机床制造技术的迅速发展，特别是自动化数控机床的日益普及，对机床主轴的回转精度和刚度要求越来越高；此外，在机床的维修和改造方面，对机床主轴轴承进行合理调整和改造，提高机床主轴运转精度，是提高机床加工精度和节约成本的一种有效方法。因此，该文对机床的制造和维修改造具有一定的指导意义。
[关键词]机床 主轴 回转精度 轴承 精度 刚度
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）48-0399-02
前言
金屬机床加工工件时，由于种种原因，总会产生加工误差，影响着工件的加工精度，严重的将造成工件报废。产生加工误差的因素很多，比如刀具、夹具的误差、工艺系统的弹性变形、测量和调整误差等等。但就整个机床而言，影响加工精度的误差主要表现在机床主轴、导轨、传动系统以及机床的磨损等，其中以机床主轴精度误差影响最大。提高机床主轴回转精度的方法很多，本文从提高机床主轴轴承的精度和刚度的角度出发，谈谈提高机床主轴回转精度的具体措施。
1 提高主轴轴承的精度和刚度
机床主轴所用的轴承，分为滚动轴承和滑动轴承两大类。从旋转精度来看，两大类轴承都能满足要求，但其性能指标相比，滚动轴承优于滑动轴承，滚动轴承的优点是：（1）滚动轴承能在转速和载荷变化很大的条件下稳定地工作。（2）滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧（有一定的过盈量）的条件下工作。（3）滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。（4）滚动轴承润滑容易，可以用脂，一次装填一直到修理时才换脂。如果用油润滑，单位时间所需的油量也远比滑动轴承小。滚动轴承的缺点是：（1）滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋转中的径向刚度是变化的，这是引起振动的原因之一。（2）滚动轴承的阻尼较低。（3）滚动轴承的径向尺寸比滑动轴大。
在一般情况下机床应尽量采用滚动轴承，特别是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。只有当加工表面粗糙度较小，主轴又是水平的机床，如外圆磨床、平面磨床、高精度车床等才用滑动轴承。轴承的精度和刚度直接影响主轴的回转精度，以下分别说明。
虽然滚动轴承具有一系列的优点，在机械设备上获得了广泛的应用，但在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合下，又必须采用滑动轴承，这是因为滑动轴承具有一些滚动轴承不能替代的特点。其主要优点是：结构简单，制造、装拆方便；具有良好的耐冲击性和吸振性能，运转平稳，旋转精度高，寿命长。其主要缺点是：维护复杂，润滑条件要求高，当轴承处于边界润滑状态时，摩擦磨损较严重。
滑动轴承主要由轴承座和轴瓦组成，按所受载荷的方向主要分为径向滑动轴承（又称向心滑动轴承）、推力滑动轴承和径向推力滑动轴承；按润滑状态分为液体润滑轴承、气体润滑轴承、混合润滑轴承、固体润滑轴承和无润滑轴承；按承载方法分为润滑模承载、直接接触承载和其他承载滑动轴承。轴瓦是滑动轴承的主要零件，设计轴承时，除了选择合适的轴瓦材料以外，还应该合理地设计轴瓦结构，否则会影响滑动轴承的工作性能。
普通滑动轴承由于自身结构的因素，在生产中易于出现油膜刚度低、精度保持期短、维修困难、加工表面粗糙度高、振纹明显等。实践证明，将主轴滑动轴承选择为液体磨擦滑动轴承时，有较高的精度、刚度，加工质量及生产率均能得到提高。
2 轴承精度应与轴颈的精度、轴承座孔精度相适应
2.1 提高轴承座孔和轴颈的精度是提高机床主轴回转精度的重要措施
主轴的回转精度，指的是主轴装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动。主轴回转精度取决于各主要部件，如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工作转速下旋转的精度还决定于主轴的转速、轴承的设计和性能，润滑剂和主轴组件的平衡。主轴的回转精度不仅与轴承本身的质量有关，而且与主轴组件的精度、装配质量密切相关。因此，轴承座孔和轴颈的精度与轴承的精度应互相适应。实践证明，选用“P5”级、“P4”级轴承时，轴承座孔和轴颈的精度不低于IT6或IT5级；选用“P6”级轴承时，轴承座孔和轴颈的精度不低于IT7或IT6级。
轴承座孔和轴颈配合的松紧程度也影响主轴部件的工作性能，配合紧些，可以提高主轴部件的接触刚度，从而提高主轴精度和抗振性；但过紧，轴承内圈会胀大，外圈缩小，轴承的正常间隙发生改变，降低轴承回转精度，引起发热，不仅影响轴承的寿命，还给装配工作带来难度。为避免此类问题的发生，一般轴承座孔与外圈的配合比轴颈与内圈的配合低一级。
当然，为保证主轴回转精度，轴承座孔的表面质量也很重要，如果粗糙度偏高，在装配和拆卸时，表面微小的凸起受压也要产生塑性变形，使轴承座孔变形，形状误差增大，配合精度降低，接触精度下降。因此，轴承座孔的表面粗糙度应与所选用的轴承精度相适应。一般要求轴承座孔的表面粗糙度应比轴承外圈的表粗糙度高一级，例如C、D、E级精度的轴承外圈，表面粗糙度为Ra0.4μm，则轴承座孔表面的粗糙度应定为Ra0.8μm。
2.2 正确选择滚动轴承的组合设计可显著提高机床主轴回转精度
根据实际工作需要合理选择轴承类型和尺寸（型号）是保证轴承正常工作的必要条件，但在轴承使用过程中，还必须考虑到轴承和其他相关零件的关系，也就是要解决轴承的轴向位置固定，与其他零件的配合、调整、装拆、润滑与密封等一系列问题。
2.2.1 单个轴承的轴向固定
图1所示为轴承内圈轴向固定的常用方法：图1a是利用轴肩作单向固定，能承受较大的单向轴向力；图1b是利用轴肩和弹性挡圈作双向固定，挡圈能承受较小的轴向力；图1c是利用轴肩和轴端挡板作双向固定，挡板能承受一般大小的轴向力；图1d是利用轴肩和圆螺母（加止动垫圈机械锁紧）作双向固定，能承受很大的轴向力。 图2所示为轴承外圈常用轴向固定方法：图2a利用轴承盖作单向固定，可承受较大的轴向力；图2b利用孔内凸肩和孔用弹性挡圈作双向固定，可承受较小的轴向力；图3c利用孔内凸肩和轴承盖作双向固定，能承受大的轴向力。
2.2.2 軸承组合的轴向固定：轴承组合的轴向固定主要有两种方式：
i双支点单向固定。 图3a所示，轴的两端轴承作为两个支点，每个支点都能限制轴的一个单向运动，两个支点合起来就可限制轴的双向运动，这种固定方式称为双支点单向固定（也称为两端固定）。这种固定方式主要用于温度变化不大的短轴（跨距L≤350mm），可承受轴向载荷。考虑到轴受热后的膨胀伸长，在轴承端盖与轴承外圈端面之间留有补偿间隙c，c=0.2～0.4mm（图3b）。
ii 单支点双向固定。图3a式的支承结构中，轴的两个支点中只有左端的支点限制轴的双向移动承受轴向力，右端的支点可作轴向移动（称为游动支承），不能承受轴载荷，这种固定方式称为单支点双向固定（也称为一端固定，一端游动）。该固定方式适用于温度变化较大的长轴（跨距L﹥350mm）。
iii 轴承组合间隙的调整。在有些场合，当采用轴承作为支承时要求其精度高，器噪声低以及良好的支承刚度，这就需要对轴承间隙作适当的调整。其调整方法有：①加减轴承盖与机座间调整垫片的厚度（图4a）；②利用调整螺钉1通过压盖3移动外圈位置，调整好后用再用螺母2锁紧（图4b）。
3 结束语
随着机床制造技术的加速更新和产品更新换代的加快，特别是数控技术的迅速发展，高度自动化的数控机床使用日益普及，对主轴的回转精度和刚度要求越来越高；同时，主轴转速的变换迅速可靠、自动变速、转速变换范围广等等，这样对主轴轴承的选择、间隙的调整、提高轴承刚度和精度愈发重要。此外，在机床的维修和改造方面，对机床主轴轴承进行合理调整或改造，提高机床主轴精度，是提高设备的加工精度、利用率和节约成本的一种有效方法。因此，该文对机床的制造和维修改造具有一定的指导意义。
参考文献
[1]机械设计手册，第3册.北京：机械工业出版社，1986.
[2]朱东华.樊智敏主编.机械设计基础.北京：机械工业出版社，2004.
[3]戴曙主编.金属切削机床.北京：机械工业出版社，2005.
[4]哈尔滨轴承总厂.角接触推力球轴承组配技术条件Q/HJ1-63-87，1987.
[5]戴曙主编.机床滚动轴承应用手册. 北京：机械工业出版社，1993.
[关键词]机床 主轴 回转精度 轴承 精度 刚度
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）48-0399-02
前言
金屬机床加工工件时，由于种种原因，总会产生加工误差，影响着工件的加工精度，严重的将造成工件报废。产生加工误差的因素很多，比如刀具、夹具的误差、工艺系统的弹性变形、测量和调整误差等等。但就整个机床而言，影响加工精度的误差主要表现在机床主轴、导轨、传动系统以及机床的磨损等，其中以机床主轴精度误差影响最大。提高机床主轴回转精度的方法很多，本文从提高机床主轴轴承的精度和刚度的角度出发，谈谈提高机床主轴回转精度的具体措施。
1 提高主轴轴承的精度和刚度
机床主轴所用的轴承，分为滚动轴承和滑动轴承两大类。从旋转精度来看，两大类轴承都能满足要求，但其性能指标相比，滚动轴承优于滑动轴承，滚动轴承的优点是：（1）滚动轴承能在转速和载荷变化很大的条件下稳定地工作。（2）滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧（有一定的过盈量）的条件下工作。（3）滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。（4）滚动轴承润滑容易，可以用脂，一次装填一直到修理时才换脂。如果用油润滑，单位时间所需的油量也远比滑动轴承小。滚动轴承的缺点是：（1）滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋转中的径向刚度是变化的，这是引起振动的原因之一。（2）滚动轴承的阻尼较低。（3）滚动轴承的径向尺寸比滑动轴大。
在一般情况下机床应尽量采用滚动轴承，特别是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。只有当加工表面粗糙度较小，主轴又是水平的机床，如外圆磨床、平面磨床、高精度车床等才用滑动轴承。轴承的精度和刚度直接影响主轴的回转精度，以下分别说明。
虽然滚动轴承具有一系列的优点，在机械设备上获得了广泛的应用，但在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合下，又必须采用滑动轴承，这是因为滑动轴承具有一些滚动轴承不能替代的特点。其主要优点是：结构简单，制造、装拆方便；具有良好的耐冲击性和吸振性能，运转平稳，旋转精度高，寿命长。其主要缺点是：维护复杂，润滑条件要求高，当轴承处于边界润滑状态时，摩擦磨损较严重。
滑动轴承主要由轴承座和轴瓦组成，按所受载荷的方向主要分为径向滑动轴承（又称向心滑动轴承）、推力滑动轴承和径向推力滑动轴承；按润滑状态分为液体润滑轴承、气体润滑轴承、混合润滑轴承、固体润滑轴承和无润滑轴承；按承载方法分为润滑模承载、直接接触承载和其他承载滑动轴承。轴瓦是滑动轴承的主要零件，设计轴承时，除了选择合适的轴瓦材料以外，还应该合理地设计轴瓦结构，否则会影响滑动轴承的工作性能。
普通滑动轴承由于自身结构的因素，在生产中易于出现油膜刚度低、精度保持期短、维修困难、加工表面粗糙度高、振纹明显等。实践证明，将主轴滑动轴承选择为液体磨擦滑动轴承时，有较高的精度、刚度，加工质量及生产率均能得到提高。
2 轴承精度应与轴颈的精度、轴承座孔精度相适应
2.1 提高轴承座孔和轴颈的精度是提高机床主轴回转精度的重要措施
主轴的回转精度，指的是主轴装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动。主轴回转精度取决于各主要部件，如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工作转速下旋转的精度还决定于主轴的转速、轴承的设计和性能，润滑剂和主轴组件的平衡。主轴的回转精度不仅与轴承本身的质量有关，而且与主轴组件的精度、装配质量密切相关。因此，轴承座孔和轴颈的精度与轴承的精度应互相适应。实践证明，选用“P5”级、“P4”级轴承时，轴承座孔和轴颈的精度不低于IT6或IT5级；选用“P6”级轴承时，轴承座孔和轴颈的精度不低于IT7或IT6级。
轴承座孔和轴颈配合的松紧程度也影响主轴部件的工作性能，配合紧些，可以提高主轴部件的接触刚度，从而提高主轴精度和抗振性；但过紧，轴承内圈会胀大，外圈缩小，轴承的正常间隙发生改变，降低轴承回转精度，引起发热，不仅影响轴承的寿命，还给装配工作带来难度。为避免此类问题的发生，一般轴承座孔与外圈的配合比轴颈与内圈的配合低一级。
当然，为保证主轴回转精度，轴承座孔的表面质量也很重要，如果粗糙度偏高，在装配和拆卸时，表面微小的凸起受压也要产生塑性变形，使轴承座孔变形，形状误差增大，配合精度降低，接触精度下降。因此，轴承座孔的表面粗糙度应与所选用的轴承精度相适应。一般要求轴承座孔的表面粗糙度应比轴承外圈的表粗糙度高一级，例如C、D、E级精度的轴承外圈，表面粗糙度为Ra0.4μm，则轴承座孔表面的粗糙度应定为Ra0.8μm。
2.2 正确选择滚动轴承的组合设计可显著提高机床主轴回转精度
根据实际工作需要合理选择轴承类型和尺寸（型号）是保证轴承正常工作的必要条件，但在轴承使用过程中，还必须考虑到轴承和其他相关零件的关系，也就是要解决轴承的轴向位置固定，与其他零件的配合、调整、装拆、润滑与密封等一系列问题。
2.2.1 单个轴承的轴向固定
图1所示为轴承内圈轴向固定的常用方法：图1a是利用轴肩作单向固定，能承受较大的单向轴向力；图1b是利用轴肩和弹性挡圈作双向固定，挡圈能承受较小的轴向力；图1c是利用轴肩和轴端挡板作双向固定，挡板能承受一般大小的轴向力；图1d是利用轴肩和圆螺母（加止动垫圈机械锁紧）作双向固定，能承受很大的轴向力。 图2所示为轴承外圈常用轴向固定方法：图2a利用轴承盖作单向固定，可承受较大的轴向力；图2b利用孔内凸肩和孔用弹性挡圈作双向固定，可承受较小的轴向力；图3c利用孔内凸肩和轴承盖作双向固定，能承受大的轴向力。
2.2.2 軸承组合的轴向固定：轴承组合的轴向固定主要有两种方式：
i双支点单向固定。 图3a所示，轴的两端轴承作为两个支点，每个支点都能限制轴的一个单向运动，两个支点合起来就可限制轴的双向运动，这种固定方式称为双支点单向固定（也称为两端固定）。这种固定方式主要用于温度变化不大的短轴（跨距L≤350mm），可承受轴向载荷。考虑到轴受热后的膨胀伸长，在轴承端盖与轴承外圈端面之间留有补偿间隙c，c=0.2～0.4mm（图3b）。
ii 单支点双向固定。图3a式的支承结构中，轴的两个支点中只有左端的支点限制轴的双向移动承受轴向力，右端的支点可作轴向移动（称为游动支承），不能承受轴载荷，这种固定方式称为单支点双向固定（也称为一端固定，一端游动）。该固定方式适用于温度变化较大的长轴（跨距L﹥350mm）。
iii 轴承组合间隙的调整。在有些场合，当采用轴承作为支承时要求其精度高，器噪声低以及良好的支承刚度，这就需要对轴承间隙作适当的调整。其调整方法有：①加减轴承盖与机座间调整垫片的厚度（图4a）；②利用调整螺钉1通过压盖3移动外圈位置，调整好后用再用螺母2锁紧（图4b）。
3 结束语
随着机床制造技术的加速更新和产品更新换代的加快，特别是数控技术的迅速发展，高度自动化的数控机床使用日益普及，对主轴的回转精度和刚度要求越来越高；同时，主轴转速的变换迅速可靠、自动变速、转速变换范围广等等，这样对主轴轴承的选择、间隙的调整、提高轴承刚度和精度愈发重要。此外，在机床的维修和改造方面，对机床主轴轴承进行合理调整或改造，提高机床主轴精度，是提高设备的加工精度、利用率和节约成本的一种有效方法。因此，该文对机床的制造和维修改造具有一定的指导意义。
参考文献
[1]机械设计手册，第3册.北京：机械工业出版社，1986.
[2]朱东华.樊智敏主编.机械设计基础.北京：机械工业出版社，2004.
[3]戴曙主编.金属切削机床.北京：机械工业出版社，2005.
[4]哈尔滨轴承总厂.角接触推力球轴承组配技术条件Q/HJ1-63-87，1987.
[5]戴曙主编.机床滚动轴承应用手册. 北京：机械工业出版社，1993.