一、主軸的定義與分類
　　機(jī)床主軸，作為機(jī)床上不可或缺的部件，主要負(fù)責(zé)帶動(dòng)工件或刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。它通常由主軸芯軸、軸承以及傳動(dòng)件如齒輪或帶輪等共同構(gòu)成主軸部件（或稱主軸單元、主軸組）。在機(jī)床的運(yùn)作中，主軸不僅承擔(dān)著支撐傳動(dòng)零件的重任，如齒輪、卡盤、油缸、帶輪等，還負(fù)責(zé)傳遞運(yùn)動(dòng)及扭矩，確保機(jī)床的精準(zhǔn)運(yùn)行。盡管各類主軸在結(jié)構(gòu)上有所差異，但它們的核心用途卻是一致的，且在設(shè)計(jì)和性能方面也共享著諸多共同點(diǎn)。主軸的旋轉(zhuǎn)精度、剛度以及抗振性等關(guān)鍵指標(biāo)，都直接影響著機(jī)床的整體性能。因此，主軸常被喻為機(jī)床的“心臟”。本文將主要聚焦于車床主軸的介紹。
　　二、行業(yè)概況
　　主軸市場前景
　　金切機(jī)床廣泛應(yīng)用于各類制造領(lǐng)域，而主軸作為其核心部件，需求量巨大。特別是數(shù)控金切機(jī)床，更是離不開主軸組或主軸單元的配套。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國規(guī)模以上企業(yè)金切機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到了60.2萬臺(tái)，同比增長29.2%，其中數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量為27萬臺(tái)，同比增長更是高達(dá)35.1%?？紤]到服務(wù)備品備件及其他需求，預(yù)計(jì)數(shù)控機(jī)床年需求主軸組或主軸單元將達(dá)到30萬臺(tái)套。此外，根據(jù)最新一期的機(jī)床工具年鑒顯示，2020年主軸分會(huì)企業(yè)電主軸產(chǎn)量為13.5萬臺(tái)，同比增長23.4%，產(chǎn)值達(dá)到3.2億元，同比增長15%。雖然機(jī)械主軸產(chǎn)量有所減少，但市場對主軸的需求依然旺盛。
　　電主軸成為未來發(fā)展趨勢
　　隨著數(shù)控機(jī)床的精度和使用可靠性要求的不斷提高，電主軸作為高速數(shù)控加工機(jī)床的核心部件，其性能指標(biāo)顯得愈發(fā)重要。電主軸具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、功率損耗小、快速響應(yīng)以及調(diào)速寬等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為高速數(shù)控加工機(jī)床不可或缺的組成部分。近年來，國內(nèi)外知名機(jī)床品牌如馬扎克、德瑪吉等，其產(chǎn)品已普遍標(biāo)配電主軸。同時(shí)，隨著加工中心及數(shù)控車床對高速電主軸需求的不斷增加，大功率、大扭矩、寬調(diào)速范圍、快速啟動(dòng)以及準(zhǔn)確定位等成為電主軸發(fā)展的關(guān)鍵方向?？梢灶A(yù)見的是，電主軸將逐漸替代傳統(tǒng)機(jī)械主軸，成為數(shù)控機(jī)床主軸發(fā)展的主流趨勢。
　　三、車床主軸的典型結(jié)構(gòu)
　　車床主軸作為車床的執(zhí)行件，在加工過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它直接帶動(dòng)工件參與表面成形運(yùn)動(dòng)，其工作性能的優(yōu)劣直接影響到加工的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。車床主軸的基本結(jié)構(gòu)主要包括軸承、傳動(dòng)裝置以及密封裝置等關(guān)鍵部件，共同構(gòu)成了其高效、穩(wěn)定的工作系統(tǒng)。
　　四、主軸芯軸的材料選擇、加工工藝及熱處理
　　主軸芯軸是車床主軸的核心部件，其材料選擇、加工工藝及熱處理對主軸的性能至關(guān)重要。在材料方面，通常選用高強(qiáng)度、高硬度的合金鋼，以確保主軸具有優(yōu)異的力學(xué)性能。加工工藝上，需經(jīng)過精細(xì)的車削、磨削等工序，以獲得精確的尺寸和光滑的表面。此外，熱處理也是不可或缺的環(huán)節(jié)，通過淬火、回火等工藝，進(jìn)一步提高材料的硬度和耐磨性，從而確保主軸在長期使用過程中保持穩(wěn)定性和可靠性。
　　主軸芯軸的材料選擇
　　在構(gòu)成主軸單元的關(guān)鍵部件中，主軸芯軸占據(jù)著核心地位。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、尺寸精度的準(zhǔn)確性以及剛性的強(qiáng)弱，都直接決定了主軸單元的整體性能和質(zhì)量水平。因此，選擇適合的主軸芯軸材料，是確保主軸單元能夠高效、穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。
　　45鋼因其高性價(jià)比常被用作車床主軸的材料。然而，其淬透性相較于合金鋼稍顯不足，淬火后變形可能較大，且加工后的尺寸穩(wěn)定性亦有所欠缺。對于那些要求更高的主軸，合金鋼材料則更為適宜，例如40Cr、60Cr以及18CrMnTi等。在制造過程中，精心選擇適當(dāng)?shù)牟牧喜才磐晟啤⒑侠淼臒崽幚砉ば?，對確保主軸的力學(xué)性能、精度要求以及提升其切削加工性能而言至關(guān)重要，這無疑是制造企業(yè)的核心技術(shù)所在。
　　芯軸的機(jī)械加工
　　為確保加工質(zhì)量、維持穩(wěn)定精度并提升制造效率，主軸芯軸的批量化加工通常劃分為以下三個(gè)關(guān)鍵階段：
　?。?）粗加工階段
　　在此階段，首先對毛坯進(jìn)行初步處理，包括毛坯備料、鍛造及正火等步驟。隨后，通過銑端面、鉆中心孔和粗車外圓等工藝，以大切削量迅速去除大部分毛坯余量，使毛坯接近最終工件形狀和尺寸，僅保留少量加工余量。此過程還可用于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理鍛件裂紋等潛在缺陷。
　?。?）半精加工階段
　　完成粗加工后，需進(jìn)行半精加工。對于45鋼材質(zhì)的主軸，通常采用調(diào)質(zhì)處理以改善其力學(xué)性能。在此階段，會(huì)進(jìn)行車工藝錐面、半精車外圓端面以及鉆深孔等操作，為后續(xù)精加工奠定基礎(chǔ)，特別是確保基面的加工質(zhì)量。同時(shí)，對于某些要求不高的表面，如大端端面各孔，可在此階段直接加工至圖樣規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。
　　（3）精加工階段
　　在精加工前，會(huì)進(jìn)行局部高頻淬火處理，以增強(qiáng)關(guān)鍵部位（如與前后軸承配合面、前錐孔等）的剛性和硬度。隨后，會(huì)進(jìn)行一系列精加工前的準(zhǔn)備工序，如粗磨定位錐面、粗磨外圓、銑鍵槽和花鍵槽以及車螺紋等。最終，通過精磨外圓、軸承配合外錐面及前端內(nèi)錐孔等操作，確保主軸各重要表面的精度均達(dá)到圖樣規(guī)定要求。
　　3.車床主軸的熱處理
　　在主軸的加工過程中，各個(gè)工序和熱處理環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生一定的加工誤差和應(yīng)力。為了提升主軸的性能，必須采取有效的熱處理措施。首先，毛坯的熱處理是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通常采用正火工藝。這一工藝的目的在于消除鍛造過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，使金屬組織更加均勻，從而為后續(xù)的切削加工奠定基礎(chǔ)。
　?。?）預(yù)備熱處理。在粗加工后、半精加工前，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，旨在獲得均勻細(xì)致的回火索氏體結(jié)構(gòu)，從而提升主軸的整體力學(xué)性能。同時(shí)，這種細(xì)致的索氏體結(jié)構(gòu)也為后續(xù)精加工提供了良好的基礎(chǔ)，有助于獲得光滑的表面質(zhì)量。
　?。?）最終熱處理。主軸的關(guān)鍵表面需通過高頻淬火進(jìn)行強(qiáng)化。這一工序通常安排在半精加工完成后、精加工開始之前，以確保局部淬火所產(chǎn)生的變形能夠在精加工過程中得到糾正。對于那些精度要求極高的主軸，在淬火和回火后還需進(jìn)行定性處理，以進(jìn)一步消除加工過程中的內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)主軸的尺寸穩(wěn)定性，從而確保其長期保持高精度。熱處理的次數(shù)會(huì)依據(jù)主軸的精度需求、經(jīng)濟(jì)性以及熱處理效果的綜合考量來確定。通常，一個(gè)普通的車床主軸會(huì)經(jīng)過正火、調(diào)質(zhì)和表面局部淬火三個(gè)熱處理步驟，而無需進(jìn)行定性處理。
　　主軸芯軸零件的加工工藝流程如下：
　?。?）預(yù)備熱處理。在粗加工之后、半精加工之前，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以獲得均勻細(xì)致的回火索氏體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升主軸的整體力學(xué)性能。同時(shí)，這一處理也為后續(xù)的精加工提供了穩(wěn)固的基礎(chǔ)，有助于實(shí)現(xiàn)光滑的表面質(zhì)量。
　　（2）最終熱處理。關(guān)鍵表面則需通過高頻淬火進(jìn)行強(qiáng)化，此工序通常置于半精加工之后、精加工之前，旨在糾正局部淬火可能產(chǎn)生的變形。對于那些精度要求極高的主軸，還需在淬火和回火后進(jìn)行定性處理，以進(jìn)一步消除內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)尺寸穩(wěn)定性，從而確保長期高精度。熱處理的次數(shù)將根據(jù)主軸的精度需求、經(jīng)濟(jì)性以及熱處理效果進(jìn)行綜合考量。通常，普通車床主軸會(huì)經(jīng)過正火、調(diào)質(zhì)和表面局部淬火三個(gè)步驟，而無需定性處理。