一、车床主轴简介：
10世纪30年代以前，大多数机床的主轴采用单油楔的滑动轴承
。随着滚动轴承
制造技术的提高，后来出现了多种主轴用的高精度、高刚度滚动轴承。这种轴承供应方便，价格较低，摩擦系数小，润滑方便，并能适应转速和载荷变动幅度较大的工作条件，因而得到广泛的应用。但是滑动轴承具有工作平稳和抗振性好的优点,特别是各种多油楔的动压轴承，在一些精加工机床如磨床
上用得很多。50年代以后出现的液体静压轴承
，精度高，刚度高，摩擦系数小，又有良好的抗振性和平稳性，但需要一套复杂的供油设备，所以只用在高精度机床和重型机床上。气体轴承
高速性能好,但由于承载能力小,而且供气设备也复杂，主要用于高速内圆磨床
和少数超精密加工
机床上。70年代初出现的电磁轴承
，兼有高速性能好和承载能力较大的优点，并能在切削过程中通过调整磁场使主轴作微量位移，以提高加工的尺寸精度，但成本较高，可用于超精密加工
机床。 机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主 轴部件。在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩，如
机床主轴；有的用来装夹工件，如心轴。除了刨床
、拉床
等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率
的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。主轴是机器中最常见的一种零件，主要由内外圆柱面螺纹花键和横向孔组成，主轴的作用是车床的执行件，它主要起支撑传动件和传动转矩的作用，在工作时有它带动工件直接参加表面成形运动，同时主轴还保证工件对车床其他部件有正确的相对位置因此，主轴部件的工作性能对加工质量和车床的生产率有重要的影响主轴的传动方式是皮带传动和齿轮传动结合的，各种车床主轴部件的结果是有差别的，但是他们的用途基本是一致的，在结构的要求方面也是相同的，在工作性能上都要求与本车床使用性能相适应选择精度刚度等，车床的类型不同主轴工作条件也是不同的。 车床主轴的主要功能：
1、 保证支承刚性；
2、保证回转精度（径向跳动精度、及轴向窜动精度）；
3、连接作用（卡盘、花盘）；
4、内锥及端面的耐磨性（硬度要求）；
5、对主轴组件的静平衡、及动平衡；
6、连接刀具对内孔有要求。
7、输出动力、传递扭矩。
参考资料： 陈福恒 孔凡杰主编《机械制造工艺学基础》
二、车床主轴分类及性能要求：
主轴轴承是精密机床及类似设备的主轴轴承，它对保证精密机床的工作精度和使用性能。以日本NSK主轴轴承产品为例：精密主轴轴承包括精密角接触球轴承70系列、719系列、72系列，精密圆柱滚子轴承N10系列、NN30系列，精密滚珠丝杠支承用轴承TAC系列。
车床主轴零件的分析
（一）零件的功用
主轴的主要作用是把旋转运动及扭矩传递给工件或刀具。主轴上可安装夹具、刀具或其它
辅具，由其带动刀具或工件直接参与表面成形运动，它是刀具或工件的相对位置基准和运动基准，机床主轴制造质量的直接影响整台机床的工作精度和使用寿命。主轴的主要特点是轴端悬伸量短，刚性好，操作方便，能快速装卸夹具（夹盘）。主要应用于精密车床，高精度车床。
（二）零件加工中存在的问题
主轴是机床的重要部件，对高速精密机床来说，其加工精度在很大程度上取决于主轴系统的精度，它受主轴系统的几何精度、静态和动态刚度及热性能的影响。因此，在机床设计中如何提高主轴系统的精度是机床设计的关键。机床主轴回转精度是机床的主要精度指标之一，直接影响着被加工零件的加工精度及表面粗糙度。机床主轴的回转误差是一项综合性的误差，是主轴在回转过程中实际回转轴线相对于理论回转轴线的漂移[2]。 轴类零件在生产中加工精度要求很高，在切削加工中存在共同的问题，即刚性差，加工容易产生颤振、刀具与工件之间的相对振动会使加工表面留下振纹、产生强烈的噪声、严重影响加工质量和危害操作者的身心健康；而且由于颤振使切削截面、切削角度、切削力均发生变化，刀具易磨损、严重时会产生破损; 另外， 由于切削颤振的发生， 目前生产中往往以降
低切削用量， 比如减小切深和降低主轴速度为代价，致使机床、刀具的工作性能得不到充分发挥， 限制了机械加工生产效率的提高， 这对大批大量生产的制造厂家来说无疑是巨大的损失。 在毛坯材料确定后， 其质量取决于加工质量， 而加工质量是由加工设备的性能和工艺过程决定的。通常， 主轴的各阶外圆、倒角、圆根、越程槽、退刀槽以及锥面均是在车床上加工完成的。在切削过程中， 由于车床本身的原始制造误差和切削用量、刀具选择不当， 引起振动， 造成工件形位误差超差是生产中常见的问题。设法改进加工工艺从而消除或减轻振动对工件加工质量的影响， 对提高工件加工质量， 保证零件合格率， 有其重要意义
机床主轴性能要求分析
图1为C6132卧式车床主轴零件简图。该轴承受交变弯曲应力与扭应力，但由于承受的载荷与转速均不高，冲击作用也不大，故具有一般综合力学性能即可。但在主轴大端的内锥孔和外锥体，因常与卡盘、顶尖有相对摩擦；花键部位与齿轮有相对滑动，故这些部位要求较高的硬度与耐磨性；主轴在滚动轴承中运转，工作时因轴颈与轴承不发生摩擦，故轴颈无耐磨性要求。
参考资料：刘桂芝 《影响机床主轴系统加工精度的分析》
三、选择车床主轴材料：
主轴是车床上传递动力的零件，传递着动力和各种负荷，它的合理选材直接影响整台车床的精度和使用寿命。其主要实效形式如下：
1、 受横向力并传递扭矩，承受交变弯曲应力和扭应力，常常发生疲劳断裂。
2、轴颈和花键等部位发生相对运动，承受较大的摩擦，轴颈表面产生过量的磨损。
3、承受一定的过载和冲击和载荷，产生过量弯曲变形，甚至发生折断或扭断。
所以所选的材料应满足：良好的综合力学性能，即具有较高的强度刚度、足够的韧性、疲劳强度、变形小及对应力集中的敏感性低等性能以防止过载和冲击断裂，还要有良好的切削加工性，高的表面硬度和良好的耐磨性，以防止轴颈摩损。在设计时要充分考虑：
1、主轴的工作特性和技术要求。主轴的摩檫和磨损情况;主轴的载荷大小和载荷性质。
2、主轴热处理的要求。主轴的工作状况;主轴精密度和光洁度;主轴弯曲载荷和扭转力矩;主轴转速;主轴有无冲击载荷。
3、主轴热处理加工工艺实行的可能性以及经济性。
轴的常用材料为碳素钢和合金钢。
合金钢比碳素钢具有更高的机械性能和更好的热处理性能。含不同合金的钢可获得各种特殊性能。因此，对于载荷大并要求尺寸小，重量轻、耐高温或耐磨性、抗腐蚀性能要求高的轴可采用合金钢。合金钢对应力集中的敏感性高，因此设计时应从结构上避免或减小应力集中，并降低其表面粗糙度的数值。由于在常温下合金钢的弹性模量与一般碳素钢差不多，故选合金钢对提高轴的刚度没有实效。
而对形状复杂的轴可采用球墨铸铁。球墨铸铁具有良好的吸振性和耐磨性，对应力集中的敏感性低，且价格低廉，加工性好。但球墨铸铁的强度较低。
我们一般主轴承受交变弯曲应力和扭应力，在轻度或中等载荷、转速不太高，精度不很高，冲击、交变载荷不大的情况下，具有普通力学性能就能满足要求，一般采用45钢制造。
这类材料强度和塑形、韧性等综合机械性能较好，一般经正火、调质处理，而且材料来源方便，加工性、经济性好。
在主轴大端的内锥孔和外锥体,因常与卡盘、顶尖有相对摩擦;花键部位与齿轮有相对滑动,故这些部位要求较高的硬度与耐磨性;主轴在滚动轴承中运转,工作时因轴颈与轴承不发生摩擦,故轴颈无耐磨性要求。钢轴的毛坯多数用轧制的圆钢和锻件。锻件的内部组织比较均匀，强度较好，故重要的轴及大尺寸的轴或阶梯尺寸变化大的轴，应采用锻件。
综上，无其他特殊要求一般的车床主轴采用45 钢锻件毛坯制造即可。
机床主轴材料
工作条件 | 材 料 | 热处理 | 偏振分束器硬 度 | 原 因 | 使用实例 |
营养块1)与滚动轴承配合
2)轻载荷或中等载荷，转速低
3)精度要求不高
4)稍有冲击载荷，交变载荷可以忽略不计 | 45 | 调质处理 | 220～250HB | 1)调质后，保证主轴具有一定强度
2)精度要求不高 | 一般机床主轴 |
1)与滚动轴承配合
2)轻载荷或中等载荷，转速略高
3)装配精度要求不太高
4)冲击和交变载荷可以忽略不计 | 45 | 调质后局部整体淬硬 | 42～47HRC | 1)有足够的强度
2)轴颈及配件装拆处得到需要的硬度
3)简化热处理操作液压滑环
4)不承受较大冲击载荷 | 龙门铣床，立式铣床
小型立式车床等的主轴 |
1)与滚动轴承配合
2)轻载荷或中等载荷，转速低[PV≤150N·m/(cm2·s)]
3)精度要求不很高
4)冲击,交变载荷不大 | 45 | 正火 | 170～217HB | 1)正火或调质后保证主轴具有一定的强度和韧性
2)轴颈处有滑动摩擦，需要有较高的硬度 | C650、C660、C8480等大重型车床主轴 |
调质 | 220～250HB |
轴颈部分 表面淬硬 | 48～53HRC |
1)与滚动轴承配合
2)承受中等，转速较高
3)精度要求较高
4)交变,冲击载荷较小 | 40Cr(42MnVB) | 淬硬
调质后局部淬硬 | 42～47HRC
或
52～57HRC | 1)为保证有足够的强度，选用40Cr调质
2)轴颈和配件装拆处得到需要的硬度
3)若无冲击力，硬度要求取高值 | 齿轮铣床，组合车床等的主轴 |
1)与滚动轴承配合
2)承受中等，转速较高
3)精度要求较高
4)交变,冲击载荷较小
5)工作中受冲击载荷 | 40Cr(42MnVB) | 调质 | 220～250HB | 1)调质后主轴有较高的强度和韧性
2)轴颈处得到需要的硬度 | 铣床，龙门铣床，车床等的主轴 |
轴颈部分 表面淬硬 | 48～53HRC |
1)与滑动轴承配合
2)承受中等载荷，转速较高[PV＜400N·m/(cm2·s)]
3)承受较高的交变和冲击载荷
4)精度要求较高 | 40Cr(42MnVB) | 调质处理 | 220～250HB
或
250～280HB | 1)调质后主轴有较高的强度和韧性
2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬
3)配件装拆部分有一定硬度 | 车床主轴或磨床砂轮主轴(φ80mm以下) |
轴颈部分表面淬火 | 52～57HRC |
装拆配件处表面淬硬 | 48～53HRC |
1)与滑动轴承配合
2)承受中等载荷，转速较[PV＜400N·m/(cm2·s)]提高
3)承受较高的交变和冲击载荷
4)精度要求更高 | 40Cr(42CrMn) | 调质处理 | 表面硬度
56～61HRC | 1)调质后主轴有较高的强度和韧性
2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬
3)配件装拆部分有一定硬度 | 磨床砂轮主轴 |
轴颈部分表面淬火 |
装拆配件处表面淬硬 |
1)与滑动轴承配合
2)承受中等载荷或重载荷[PV＜400N·m/(cm2·s)]
3)要求轴颈有更高的耐磨性
4)精度要求较高
5)承受较高的交变，但冲击载荷较小 | 65Mn | 调质 | 250～280HB | 1)调质后有较高的强度
2)表面淬硬后提高耐疲劳性能
3)获得较高的硬度，提高耐磨性
4)表面马氏体易粗大，冲击值低 | 磨床砂轮主轴 |
轴颈部分 表面淬硬 | ≥59HRC |
装拆配件处表面淬硬 | 50～55HRC |
1)与滑动轴承配合
2)承受中等载荷或重载荷[PV＜400N·m/(cm2·s)]
3)要求轴颈有更高的耐磨性
4)精度要求较高
5)承受较高的交变，但冲击载荷较小
6)表面硬度和显微组织要求更高 | GCr15
9Mn2V | 调质 | 250～280HB
≥59HRC | 1)获得高的表面硬度和良好的耐磨性能
2)超精磨性好，粗糙度易降低 | 较高精度的磨床主轴 |
轴颈部分 表面淬硬 |
装拆配件处表面淬硬 |
1)与滑动轴承配合
2)受重载荷，转速很高
3)精度要求极高，轴隙≤0.003mm
4)受很高的疲劳应力和冲击载荷 | 38CrMoAlA | 正火或调质 | 250～280HB | 1)有很高的心部强度
2)达到很高的表面硬度，不易磨损保持精度稳定
3)优良的耐疲劳性能
4)畸变量小 | 高精度磨床主轴，镗床主轴、坐标镗床等的主轴 |
渗氮 | ≥900HV |
1)与滚动或滑动轴承配合，转速较低
2)受轻载荷或中等载荷 | 50Mn2 | 正火 | 192～241HB | 对于大直径主轴，当热处理设备或技术有困难时，可用此材料 | 重型机床主轴 |
1)与滑动轴承配合
2)受中等载荷心部强度不高，但转速很高
3)精度要求不太高
4)不大的冲击压力和较高的疲劳应力 | 20Cr
20MnVB
20Mn2B | 渗碳后淬硬 | 表面硬度
56～63HRC | 1)心部强度不高，受力易扭曲畸变
2)表面硬度高，适用于高速低载荷主轴 | 高精度精密车床，内圆磨床等的主轴 |
1)与滑动轴承配合
2)重载荷，高速运转
3)高的冲击力
4)很高的交变载荷 | 20CrMnTi
12CrNi3 | 渗碳后淬硬 | 鱼塘全自动增氧控制器 表面硬度
56～63HRC | 1)很高的表面硬度冲击韧性和心部强度
2)热处理畸变比20Cr小 | |
| | | | | |
四、车床主轴的工作条件：
a.承受摩擦与磨损 机床主轴的某些部位承受着不同程度的摩擦，特别是轴颈部位，因为轴颈与某些轴承配合时，摩擦较大所以此部位应具有较高的硬度仪增强耐磨性。但是某些部位的轴颈与滚动轴承相配合摩擦不大，所以就不需要大的硬度。
b.工作中时承受载荷 机床主轴在高速运转时要承受多种载荷的作用，如弯曲、扭转、冲击等。所以要求主轴具有抵抗各种载荷的能力。当主轴载荷较大、转速又高时，主轴还承受着很高的变交应力。因此要求主轴具有较高的疲劳强度和综合力学性能即可。
（1）、支承轴颈的技术要求
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主轴两支承轴颈A、B的圆度允差 0.005毫米，径向跳动允差 0.005毫米，两支承轴颈的1：12锥面接触率＞70%，表面粗糙度Ra0.4um。支承轴颈直径按IT5-7级精度制造。
主轴外圆的圆度要求，对于一般精度的机床，其允差通常不超过尺寸公差的50％，对于提高精度的机床，则不超过25%，对于高精度的机床，则应在 5～10％之间。
（2）、锥孔的技术要求
主轴锥孔（莫氏 6号）对支承轴颈 A、B的跳动，近轴端允差 0.005mm，离轴端300mm处允差 0.01毫米，锥面的接触率 ＞70％，表面粗糙度Ra0.4um电伴热带温控，硬度要求 HRC48。
（3）、短锥的技术要求
短锥对主轴支承轴颈A、B的径向跳动允差0.008mm，端面D对轴颈A、B的端面跳动允差0.008mm，锥面及端面的粗糙度均为Ra0.8um。
（4）、空套齿轮轴颈的技术要求
空套齿轮的轴颈对支承轴颈A、B的径向跳动允差为 0.015毫米。
（5）、螺纹的技术要求
这是用于限制与之配合的压紧螺母的端面跳动量所必须的要求。因此在加工主轴螺纹时，必须控制螺纹表面轴心线与支承轴颈轴心线的同轴度，一般规定不超过0.025mm。
从上述分析可以看出，主轴的主要加工表面是两个支承轴颈、锥孔、前端短锥面及其端面、以及装齿轮的各个轴颈等。而保证支承轴颈本身的尺寸精度、几何形状精度、两个支
承轴颈之间的同轴度、支承轴颈与其它表面的相互位置精度和表面粗糙度，则是主轴加工的关键。
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