06 主轴部件

同步齿形带无相对滑动，传动比准确，传动精度高； 厚度小、重量轻、传动平稳、噪声小,适于高速传动，传动效率高；
不需要润滑， 耐水耐腐蚀， 能在高温下工 作，维护保养 方便；传动比 大，可达1：10 以上。
缺点是制造工 艺复杂，安装 条件要求高。
梯形齿多用在转速不高或小功 率动力传动中，而圆弧齿多用 在数控加工中心等要求较高的 数控机床主运动传动系统中。
3.4.3 主轴部件的传动方式
3.电动机直接驱动方式 电动机转子轴就是主轴，电动机座就是机床主轴单元的壳体。主轴单
元大大简化了结构，有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和扭矩； 便于组织专业化生产。
广泛地用 于精密机 床、高速 加工中心 和数控车
床中。
3.4.4 主轴部件结构设计
（一）主轴部件的支承数目 多数机床的主轴采用前、后两个支承。这种方式结构简单，
• 轴承的滚动体为滚子，能承 受较大的径向载荷和较大的 转速；
• 轴承有两列滚子交叉排列， 数量较多，因此刚度很高；
• 不能承受轴向载荷。
圆锥滚子轴承
• 圆锥滚子轴承有单列和双列两类，每类有空心 和实心两种。
3.4.4 主轴部件结构设计
（三）主轴传动件位置的合理布置 合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受 力情况，减小主轴变形，提高主轴的抗振性。 布置的原则：
传动力Q引起的主轴弯曲变形要小； 引起主轴前轴端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。 因此，主轴上传动件轴向布置时，应尽量靠近前支承，有多个传
制造装配方便，容易保证精度。为提高主轴部件的刚度，前 后支承应消除间隙或预紧。 机床主轴采用三个支承，为提高刚度和抗振性。三支承方式 对三支承孔的同心度要求较高，制造装配较复杂。 三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支 承；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。 在三支承主轴部件中，采用前、中支承为主要支承较多。 采用三支承，主支承应消除间隙或预紧，“辅”支承则应保 留一定的径向游隙或选用较大游隙的轴承。
的E值基本相同，且与热处理无关 E=2.1×107N/cm2
常用的如45钢或60号钢: 价格便宜
一般机床主轴：常用45钢，调质到220～250HBS，主轴端部 锥孔、定心轴颈或定心圆锥面等部位局部淬硬至HRC50～55。
支承用滚动轴承，轴颈可不淬硬，但是不少主轴为了防止敲 碰损伤轴颈的配合表面，轴颈处仍然进行淬硬。
床 • 3）主轴作旋转运动+轴向调整移动，如龙门铣床、一部分
立式铣床、滚齿机 • 4）主轴绕其自身轴线旋转+绕另一个与自转轴线平行的轴
线作行星运动，如行星铣削头、行星内圆磨床的主轴等
主轴组件是机床的执行件，其功用是支承并带动工件或刀具， 完成表面成形运动，同时还传递运动和扭矩、承受切削力和 驱动力等载荷，比一般传动轴组件设计要求更高。
载荷较大，或表面要求较硬的主 轴
40Cr
高频淬硬 62
HRC55～ 滑动轴承的主轴轴颈
20Cr
渗碳淬硬 HRC56～ 轴颈处需要高硬度或冲击性较
62
大的主轴
9Mn2V
淬 硬 HRC59～62
高精度机床主轴，热处理变形较 小
38CrMOAIA
氮化处理 HV850～ 高精度机床主轴，保证热处理变
1200
动件时，其中最大传动件应靠近前支承。
3.4.4 主轴部件结构设计
（三）主轴传动件位置的合理布置
•传动件放在两个支承中间 •靠传近动前件支放承在处主，轴受前力悬情伸况端较， 主好要，用用于得具最有为大普转遍盘；的机床， 如立式车床、镗床等，传动齿 轮直接安装在转盘上。 •传动件放在主轴的后悬伸端， 较多地用于带传动，为了更 换传动带方便，如磨床。
外圆磨床 50-60 55-70 70-80 75-90 75-100 90-100
（四）主轴主要结构参数的确定
按机床类型，用类比法初步确定主轴直径； 在不削弱主轴刚度的原则下，确定主轴内孔直径； 根据主轴端部结构确定主轴悬伸量； 选择主轴的跨距； 将上述数据与构造结合设计进行修改； 验算； 根据验算结果，对设计进行修改。
) 主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。 ) 主轴的尺寸和形状、滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、
传动件的布置形式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部 件的刚度。
9 3．抗振性：主轴部件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振 动而保持平稳运转的能力。
9 主轴部件的振动会影响工件的表面质量，刀具耐用度和主轴轴承寿命， 还会产生噪音。
3.4.1主轴部件应满足的基本要求
9 1.旋转精度：主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空 载时，主轴前端定位面的径向跳动、端面跳动和轴向窜动 值。
9 主轴旋转精度直接影响工件的加工精度； 9 旋转精度取决各主轴的转速、轴承的设计和性能、润滑剂和主
轴部件的平衡。
) 2．刚度：主轴部件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变 形的能力，即K=F/y(单位为N／Pm)，刚度的倒数称为柔度。
形小
50Mn2
调 质 HRC28～35 载荷较大的重型机床主轴
3.4.3 主轴部件的传动方式
1．齿轮传动
齿轮传动的特点是结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩， 能适应变转速、变载荷工作，应用最广。它的缺点是线速 度不能过高，通常小于12～15m/s，不如带传动平稳。
2．带传动
由于各种新材料及新型传动带的出现，带传动的应用日益 广泛。常用有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等。
• 主轴用角接触球轴承的接触角多 为15°或25°。
• 角接触球轴承必须成组安装，以 便承受两个方向的进给力和调整 轴承间隙或进行预紧。
• 背靠背安装比面对面安装的轴承 具有较高的抗颠覆力矩的能力。
双列短圆柱滚子轴承
• 内圈有1：12的锥孔，与主 轴的锥形轴颈相匹配，轴向 移动内圈，可以把内圈涨大， 用来调整轴承的径向间隙和 预紧；
9 5．耐磨性：主轴部件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能 力，即精度的保持性。
9 易磨损的部位是轴承和装夹工件或刀具的定位表面。 9 影响因素有主轴、轴承的材料、热处理方式、轴承类型及润滑防护等。
主轴材料与热处理
根据强度、耐磨性、载荷特点和热处理后变形大小选择 尺寸一定，主轴的刚度取决于材料的弹性模量E，各种钢材
主轴前轴颈的直径D1
功率Kw 2.6-3.4 3.7-5.5 5.6-7.2 7.4-11 11-14.7 14.8-18.4 机床
车床
70-90
升降台铣床 60-90
70-105 95-130 110-145 140-165 150-190
60-95 75-100 90-105 100-115
-
支承在滑动轴承上的高精度磨床的砂轮主轴，镗床和坐标镗 床主轴，要求有很高的耐磨性，可选用38CrMoAlA钢，进行 氮化处理，使表面硬度达到HV1100～1200（相当于HRC69～ 72）。
钢材
主轴的材料和热处理
热处理
用
途
45
调质 HRC22～28 一般机床主轴、传动轴
40Cr
淬 硬 HRC48～55
9 影响主轴部件抗振性的主要因素是主轴部件的阻尼、刚度和固有频率， 并与主轴的传动方式、轴承的类型、主轴组件质量分布情况、齿轮与轴 承等零件制造与装配质量有关。
9 4．温升和热变形：主轴部件工作时由于摩擦和搅油等耗损而 产生热量，出现温升。温升使主轴部件的形状和位置发生畸变， 称之为热变形。
9 主轴轴承在高速空转，连续运转下的允许温升为：高精度机床8-10℃， 精密机床15-20℃，普通机床30-40℃。
3.4.4 主轴部件结构设计
（四）主轴主要结构参数的确定
•一般按机床类型、 主轴传递的功率 或最大加工直径， 选取D1。车床和铣 床后轴颈的直径D2： (0.7～0.85)Dl。
•很•存多在机一床个的最主佳轴•主跨是轴距空前上心端L的。悬，在伸内该量孔跨a直是距径指时与主，其轴因用前主途端轴有面弯关到曲。前变一轴形般承和径支向承反变力 应形保引证起d／主D轴<0前.7作轴。用端中的点总(位或移前量径为向最支小承。中一点般)的取距L＝离(。2～3.5)a。 刚•轴如内度12车))LL孔，床合合可卧理理主＝＝通式轴((过车13内—～拉床孔52缩•很杆的))由用aa大短来主，，于来，该拉轴用用前通因悬紧孔于于端过此伸刀径悬悬悬棒在量杆d伸伸伸料通满。等长长量或常足等度度对安不结为较较主装小构不小大轴送于要过时时部夹主求多，，件料轴的地如如的机平前削车镗刚构均提弱床床度；直下主、、、铣径，轴铣内抗的床设的床圆振主5计5、磨性时外床的应等等影尽。。响量 ％—60％；铣床主轴孔径d可比刀具拉杆直径大5—10mm。
若支承用滑动轴承，则轴颈处需高频淬硬，保证耐磨性。 若为重负荷，为提高抗疲劳性能，可选用40Cr或50Mn2钢。 对受冲击载荷较大的主轴或轴颈处需要更高的硬度时，可选
用20Cr进行渗碳淬火处理至HRC56～62。
精密机床的主轴，要求在长期使用中因内应力引起的变形要 小 ， 故 应 选 用 在 热 处 理 后 残 余 应 力 小 的 材 料 , 如 40Cr 或 45MnB钢。
3.4.5 主轴滚动轴承
一.常用滚动轴承类型 主轴部件中最重要
的组件是轴承。 对主轴轴承的要求
是旋转精度高、刚 度高、承载能力强、 极限转速高、适应 变速范围大，摩擦 小、噪声低、抗振 性好、使用寿命长、 制造简单、使用维 护方便等
角接触球轴承
• 可以同时承受径向和一个方向的 轴向载荷，接触角有15°、25°、 40°和60°等多种，接触角越大， 可承受的进给力越多。
特点是靠摩擦力传动(除同步齿形带外)、结构简单、制造 容易、成本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动。皮 带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，适宜高速传动。带 传动在过载中会打滑，能起到过载保护作用。