國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與數(shù)控機(jī)床的精度保持性有很大的差距，在科技重大專項(xiàng)的支持下，針對(duì)某型號(hào)臥式加工中心、立式加工中心和磨齒機(jī)精度保持性問題，筆者走訪了10余家機(jī)床用戶，翻閱了機(jī)床廠的部分維修記錄，了機(jī)床的精度衰退情況。
磨損是造成機(jī)床精度下降的原因。正常磨損情況下，機(jī)床精度保持時(shí)間與零部件(導(dǎo)軌、軸承等)壽命是相當(dāng)?shù)摹８鶕?jù)對(duì)國(guó)產(chǎn)機(jī)床設(shè)計(jì)、制造過程和使用情況的調(diào)研，國(guó)產(chǎn)機(jī)床精度衰退的主要原因是運(yùn)動(dòng)部件間非正常磨損的結(jié)論。
數(shù)控機(jī)床精度保持性衰退原因和提高措施因結(jié)構(gòu)形式的不同而不同。主軸部件因高速旋轉(zhuǎn)，既不同于直線進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)形式，又與旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸速度差別較大，因此，本文將主軸精度單獨(dú)于幾何精度之外，作為一項(xiàng)單獨(dú)的精度指標(biāo)。除主軸精度外，軸線的幾何精度是機(jī)床精度的基礎(chǔ)，而機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)精度影響著機(jī)床的加工精度。為了便于找出精度衰退的原因，把機(jī)床精度分成三個(gè)部分：主軸精度、幾何精度和運(yùn)動(dòng)精度。根據(jù)調(diào)研的10余家國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床用戶的機(jī)床精度衰退情況：主軸精度衰退14例，占調(diào)研機(jī)床總數(shù)的11.5%；幾何精度(不包括主軸精度，下同)衰退76例，占調(diào)研機(jī)床總數(shù)的62.3%；運(yùn)動(dòng)精度衰退24例，占調(diào)研機(jī)床總數(shù)的19.7%；其他精度問題8例，占調(diào)研機(jī)床總數(shù)的6.6%。
本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性存在的問題，從主軸精度、幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度及整機(jī)精度監(jiān)控四個(gè)方面分析了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)、制造和使用階段造成精度保持性差的原因及解決方法，回顧了目前國(guó)產(chǎn)機(jī)床精度保持性的研究現(xiàn)狀，并給出了提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性的建議。
主軸在設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是完成結(jié)構(gòu)方案、分配零部件公差及確定零件間的配合；在制造階段的主要任務(wù)是合理地施加預(yù)緊力，主軸剛度，限制主軸溫升。國(guó)產(chǎn)主軸在精度設(shè)計(jì)時(shí)往往根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇經(jīng)濟(jì)精度及其配合，在制造時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇預(yù)緊力，缺少計(jì)算的指導(dǎo)。使用時(shí)，主軸的溫升會(huì)造成軸承間隙、預(yù)緊力的變化，如果在設(shè)計(jì)、制造時(shí)考慮不充分，就會(huì)造成軸承的非正常磨損。密封、潤(rùn)滑不良也將直接導(dǎo)致軸承非正常磨損。
因此，造成主軸軸承非正常磨損的因素主要為：設(shè)計(jì)階段的軸承間隙(配合)過大或過小、密封及潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)不合理，以及制造階段預(yù)緊力過大或過小。
1、軸承間隙的合理設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)階段，通常為了主軸徑向跳動(dòng)精度，選擇較小的軸承和主軸箱間隙。在結(jié)構(gòu)和冷卻、潤(rùn)滑參數(shù)確定的情況下，間隙越大，主軸徑向跳動(dòng)越大；反之，間隙越小，主軸徑向跳動(dòng)越小，但主軸發(fā)熱變形越大，容易加劇磨損或者造成軸承卡死。為了提高主軸的精度保持性，合理地選擇軸承與主軸箱間隙，減小軸承的非正常磨損顯得尤其重要。
主軸在使用時(shí)溫度造成
角接觸軸承尺寸的變化情況，并給出了計(jì)算方程，但是計(jì)算精度不夠高。為了從熱變形、剛度等方面來評(píng)價(jià)間隙設(shè)計(jì)結(jié)果，利用有限元法和有限差分法建立了高速加工中心主軸箱混合模型，分析了因旋轉(zhuǎn)速度變化形成的離心力造成的間隙變化。考慮了軸承滾珠、滾道的接觸變形線性疊加軸承外圈與軸承座的熱變形來計(jì)算軸承間隙。軸承間隙隨外部載荷、轉(zhuǎn)速和操作時(shí)間變化的變形曲線，為間隙設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。但是其提供的是單個(gè)軸承在各種工況下的變形量，一般情況下，主軸軸承是成組使用的。
因此，為了提高主軸的精度保持性，減小軸承非正常磨損，在設(shè)計(jì)軸承間隙時(shí)，需要同時(shí)考慮轉(zhuǎn)速變化引起的離心力造成的軸承變形、預(yù)緊力造成的軸承發(fā)熱變形、主軸的冷卻效果以及軸承的配置方式等的影響。
2、預(yù)緊力的合理選擇
主軸的功能是給刀具提供足夠的動(dòng)力和剛度來正常切削工件。在制造階段，為了主軸有足夠的剛度，往往對(duì)軸承施加預(yù)緊力。預(yù)緊力越大，主軸剛度越大，主軸發(fā)熱變形也越大，軸承越容易磨損，主軸精度保持性越差。合理服役狀態(tài)下主軸預(yù)緊力，能夠減小主軸軸承發(fā)熱造成的非正常磨損，提高主軸精度保持性。
因此，考慮使用狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速、切削載荷、溫升對(duì)預(yù)緊力的影響，才能裝配時(shí)的預(yù)緊力在使用狀態(tài)下是合理的，減小預(yù)緊力設(shè)置不當(dāng)造成的精度衰退，提高主軸精度的保持性。
3、潤(rùn)滑和密封不當(dāng)
主軸軸承的密封和潤(rùn)滑不當(dāng)也是造成國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床主軸、特別是磨削類主軸軸承非正常磨損的重要原因。國(guó)產(chǎn)主軸軸承損壞的形式，指出潤(rùn)滑不良是主軸異常磨損的一個(gè)重要因素。磨削類機(jī)床由于砂輪在工作時(shí)磨粒的脫落造成冷卻液中雜質(zhì)過多，如果軸承密封不良容易造成主軸軸承的磨損。某型號(hào)磨床主軸軸承密封不嚴(yán)造成主軸磨損的情況(嚴(yán)重的情況是試切時(shí)軸承磨損損壞)，改進(jìn)了主軸密封結(jié)構(gòu)，使其精度保持時(shí)間延長(zhǎng)。
由國(guó)產(chǎn)主軸精度保持性的分析和回顧可知，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床主軸精度保持性的措施應(yīng)在主軸的設(shè)計(jì)和制造階段實(shí)施。應(yīng)考慮主軸使用工況，合理設(shè)計(jì)主軸間隙、選擇預(yù)緊力，進(jìn)而提高機(jī)床主軸精度保持性。
