《机械制造装备设计》PPT课件

高精度机床
P2（UP）
P2（UP）
主轴组件设计 滚动轴承
切削力方向随主轴旋转而同步变化的主轴， 轴承按外圈径向圆跳动选择。
由于外径尺寸较大，相同精度时误差大， 若保持径向圆跳动值不变，可按内圈高一级的 轴承精度选择。
主轴组件设计滚动轴承
4．轴承刚度 轴承存在间隙时，只有切削力方向上的少数几
个滚动体承载，径向承载能力和刚度极低；轴承零 间隙时，在外载作用下，轴线沿方向移动一距离， 对应的半圈滚动体承载，处于外载作用线上的滚动 体受力最大，其载荷是滚动体平均载荷的5倍，滚动 体的载荷随着与外载作用线距离的增大而减小；轴 承受轴向载荷时，各滚动体承受的轴向力相等。滚 动体受力方向在接触线上。
用度，是机床重要的性能指标。但目前，抗振性的指 标尚无统一标准，设计时可在统计分析的基础上，结 合实验进行确定。动态刚度与静刚度成正比，在共振 区，与阻尼（振动的阻力）近似成正比。可通过增加 静刚度、增加阻尼比来提高动刚度。
主轴组件设计
4．温升与热变形
主轴组件工作时，轴承的摩擦形成热源，切削
热和齿轮啮合热的传递，导致主轴部件温度升高，
主轴组件的抗振性主要取决于前轴承，因而，有 的机床前支承采用滑动轴承，后支承采用滚动轴承。
主轴组件设计滚动轴承
2．主轴滚动轴承的类型选择
机床主轴较粗，主轴轴承的直径较大，轴承所承 受的载荷远小于其额定动载荷，约为1/10。
因此，一般情况下，承载能力和疲劳寿命不是 选择主轴轴承的主要依据。
主轴轴承，应根据刚度、旋转精度和极限转 速来选择。
主轴组件设计 主轴传动
1．传动方式 主轴上的传动方式， 主要有带和齿轮传动。 带传动是靠摩擦力传递动力，结构简单，中心距
调整方便；能抑制振动，噪声低，工作平稳，特别 适用于高速主轴。线速度小于30m/s时，可采用V带 传动；
主轴组件设计 主轴传动
多楔带的线速度可大于30m/s，由于多楔带是在 绳芯结构平带的基础下增加若干纵向V形楔的环形带， 具有平带的柔软，V带摩擦力大的特点，承载机理仍 是平带，带体薄，强度高，效率高，曲挠性能好， 虽然线速度不甚高，但带轮尺寸小，转速可达 6000r/min，是近年来发展较快的一种应用广泛的传 动带，有取代普通V带的趋势；
IT5 IT4 IT3 IT5 IT4 IT3
0.2 0.2 0.1 0.4 0.4 0.2
0.4 0.4 0.2 0.8 0.8 0.4
主轴组件设计 主轴精度
定位基面的精度按机床精度标准选择。 普通机床主轴，安装齿轮等传动件的部位与两 支承轴颈轴心线的同轴度允差可取尺寸公差的一半。 转速大于600r/min的主轴，非配合表面的表面 粗糙度值Ra≤1.6； 线速度≥的主轴，主轴组件应做一级动平衡。
主轴组件设计
静刚度（简称为刚度），是主轴组件在静载荷 作用下抵抗变形的能力，通常以主轴端部产生单位 位移弹性变形时，位移方向上所施加的力表示。
当外伸端受径向作用力（N），受力方向上的弹 性位移为δ（μm）时，主轴的刚度为
KF
主轴组件设计
弹性位移δ是位移方向上的力、主轴组件结构参 数（如尺寸、支承跨矩、支承刚度等）的函数。为简 化刚度计算，引入柔度（μm/N），即刚度的倒数。
故主轴常为阶梯形。车床、铣床、加工中心等机床， 为通过棒料或拉紧刀具，主轴为阶梯形空心轴。
主轴组件设计 主轴
主轴的载荷相对较小，一般情况下，引起的应力 远小于钢的屈服强度。因此，机械强度不是选择主轴 材料的依据。
当主轴的直径、支承跨距、悬伸量等尺寸参 数一定时，主轴的惯性矩为定值；主轴的刚度取 决于材料的弹性模量。但各种钢材的弹性模量
主轴组件设计滚动轴承
零间隙时球轴承的刚度为
K r d dr rF 1 .138 F rd b iz 2 (co )5 s
K a d da aF 3 .434 F a d b z2(si)5 n
主轴组件设计滚动轴承
计算轴承刚度时，若载荷无法确定，可取该轴承 额定动载荷的1/10代替外载。
主轴组件设计滚动轴承
轴承所承受的径向力、轴向力分别为 Fr 、Fa ，单 个滚动体所承受的最大载荷Qr 、 Qa分别为
Qr
5Fr
izcos
Qa
Fa
zsin
球轴承的钢球直径为 d b，在外载作用下轴承的变形
为
r
0.4363 Qr2
cos db
a
0.436 3
sin
Qa2 db
主轴组件设计 滚动轴承
轴承承载后 不受力一侧的滚 动体仍能保持与 滚道接触。滚子 包络圆直径与外 圈滚道孔径之差 5～10 m
图 3 - 7 N N 3 0 0 0 K 轴 承 预 紧 示 意 图
主轴组件设计 主轴
1．主轴的结构及材质选择 主轴的端部安装夹具和刀具，随夹具和刀具的标
准化，主轴端部已有统一标准。 主轴为外伸梁，承受的载荷从前往后依次降低，
主轴组件设计 滚动轴承
轴承的刚度与轴承的类型有关，线接触的滚子 轴承比点接触的球轴承刚度高，双列轴承比单列的 刚度高，且刚度是载荷的函数，适当预紧不仅能提 高旋转精度，也能提高刚度。
轴承的极限转速与轴承滚动体的形状有关，同 等尺寸的轴承，球轴承的极限转速高于滚子轴承， 圆柱滚子轴承的极限转速高于圆锥滚子轴承；同一 类型的轴承，滚动体的分布圆越小，滚动体越小， 极限转速越高。
பைடு நூலகம்
主轴组件设计 滚动轴承
切削力方向随主轴的旋转同步变化的主轴，主 轴支承轴颈的某一条线或点间接地跟半径方向上的 外圈滚道表面对应的线或点接触，影响主轴旋转精 度的因素为轴承内圈的径向圆跳动、滚动体的圆度 误差、外圈的径向圆跳动。由于轴承内圈滚道直径 小，且滚道外表面磨削精度高，因而误差较小，主 轴旋转精度主要取决于外圈的径向圆跳动，即外圈 滚道表面相对于轴承外径轴线的同轴度；
SP、UP级轴承的旋转精度相当于P4、P2，内外圈的 尺寸精度比旋转精度低一级，相当于P5、P4级。这 是因为轴承的工作精度主要取决于旋转精度，主轴 支承轴颈和箱体轴承孔可按一定配合要求配作，适 当降低轴承内外圈的尺寸精度可降低成本。
主轴组件设计 滚动轴承
切削力方向固定不变的主轴，如：车床、铣床、 磨床等，通过滚动体，始终间接地与切削力方向上 的外圈滚道表面的一条线（线接触轴承）或一点 （球轴承）接触，由于滚动体是大批量生产，且直 径小，圆柱度误差小，其圆度误差可忽略，因此， 决定主轴旋转精度的是轴承的内圈径向圆跳动，即 内圈滚道表面相对于轴承内径轴线的同轴度。
“十一五”国家级规划教材
机械制造装备设计
主 编：李庆余 孟广耀 副主编：张 佳 董 锋
主轴组件设计
主轴组件由主轴及其支承轴承、传动件、定位 元件等组成。
主轴组件是主运动的执行件，是机床重要的组 成部分。它的功用是缩小主运动的传动误差并将运 动传递给工件或刀具进行切削，形成表面成形运动； 承受切削力和传动力等载荷。
主轴组件设计 主轴滚动轴承
1．轴承的选择 机床主轴最常用的轴承是滚动轴承。这是因为：
①适度预紧后，滚动轴承有足够的刚度，有较高的旋 转精度，能满足机床主轴的性能要求，能在转速和载 荷变化幅度很大的条件下稳定工作；②由专门生产厂 大批量生产，质量稳定，成本低，经济性好。特别是 轴承行业针对机床主轴的工作性质，研制生产了 NN3000K、234400及Gamet（加梅）轴承，更使滚动轴 承占稳主轴轴承的主导地位；③滚动轴承容易润滑。
主轴组件直接参与切削，其性能影响加工精度 和生产率。因而是决定机床性能和经济性指标的重 要因素。
主轴组件设计
1-1主轴组件应满足的基本要求 1．旋转精度
主轴的旋转精度，是机床几何精度的组成部分。 旋转精度是主轴组件装配后，静止或低速空载状态 下，刀具或工件安装基面上的全跳动值。它取决于 主轴、主轴的支承轴承、箱体孔等的制造精度，装 配和调整精度。
主轴组件设计 滚动轴承
滚动轴承与滑动轴承相比，缺点为： ①滚动体的数量有限，因此滚动轴承旋转中的径 向刚度是变化的；②滚动轴承摩擦力大，摩擦系数
为 f 0 .0 0 2~ 0 .0 0 8 ，阻尼比小，0.02~0.04 ；
③滚动轴承的径向尺寸较大。因此，在动刚度性能高 的卧式精密机床（如：外圆磨床、卧轴平面磨床、精 密车床）中，滑动轴承仍有一定应用领域。
滚子轴承线接触的长度（滚子不包括两端倒角宽度
的长度）为 l a ，在外载作用下的变形为
r
0.077Qr0.9
cos
l0.8 a
滚子轴承的刚度为
a
0.077Qa0.9
sin la0.8
K r d dr rF 3 .3F r 9 0 .1 la 0 .8iz 0 .9 (c) o 1 .9s
K ad da aF 1.4 4 F a 3 0 .1 la 0 .8z0 .9(s) i1 .9 n
产生热变形。主轴热变形可引起轴承间隙变化，轴
心位置偏移，定位基面的形状尺寸和位置产生变化；
润滑油温度升高后，粘度下降，阻尼降低；因此主
轴组件的热变形，将严重影响加工精度。
室温不是20οC时，温升Tt的许可值按下式计
算
T t T 2 0 K tt 2 0
主轴组件设计
5．精度保持性 主轴组件的精度保持性是指长期保持其原始制造
精度的能力，主轴组件主要的失效形式是磨损，所以 精度保持性又称为耐磨性。主要磨损有：主轴轴承的 疲劳磨损，主轴轴颈表面、装卡刀具的定位基面的磨 损等。磨损的速度与摩擦性质，摩擦副的结构特点， 摩擦副材料的硬度、摩擦面积、摩擦面表面精度，以 及润滑方式等有关。如普通机床主轴，一般采用45或 60号优质结构钢，主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基 面，G50～55HRC。
线接触轴承，载荷的0.1次幂与刚度成正比，对 刚度的影响较小。计算刚度时，可忽略预紧载荷。点 接触轴承，载荷的1/3次幂与刚度成正比，预紧力对 轴承刚度影响较大，计算刚度时应考虑预紧力。有预 紧力 Fa0 时，径向和轴向载荷分别是
F rF re F a0cot F aF a eF a 0
主轴组件设计 滚动轴承 l
精密机床主轴，可采用40Cr高频淬硬或低碳合金 钢（如20Cr，16MnCr5）渗碳淬火，硬度不低于60HRC。
高精度机床主轴，可采用65Mn，淬硬52～58HRC
主轴组件设计主轴图
主轴组件设计 主轴精度
轴承精度 公差名称 直径φ公差
圆度t、圆柱度t1
倾斜度t2 跳动t3 同轴度t4 Ra D、d≤80
主轴组件设计滚动轴承
轴承的轴向承载能力和刚度，由强到弱依次为： 推力球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、 角接触球轴承；
承受轴向载荷轴承的极限转速由高到低为：角接 触球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推 力球轴承。
主轴组件设计 滚动轴承
3．轴承的精度选择 轴承的精度，应采用P2、P4、P5级和SP、UP级。
主轴组件刚度与主轴自身 的刚度和支承轴承的刚度相关。 主轴自身的刚度取决于主轴的惯 性矩、主轴端部的悬伸量和支承 跨距；支承轴承刚度由轴承的类 型、精度、安装形式、预紧程度 等因素决定。
主轴组件设计
3．动刚度 机床在额定载荷下切削时，主轴组件抵抗变形的
能力，称为动态刚度。 主轴组件的动刚度直接影响加工精度和刀具的耐
主轴组件设计 滚动轴承
2 al b
1 1ala
前轴承的精度对主轴的影响较大。故前轴承的精度 应比后轴承高一级。
主轴组件设计 滚动轴承
切削力方向固定不变的机床，主轴轴承精度选择
机床精度等级
前轴承
后轴承
普通精度级 P5或P4 （SP） P5或P4 （SP）
精密级机床
P4（SP）或P2 （UP）
P4（SP）
D、d≤250
P5
P4 (SP)
Js5 或 k5
Js4
P2 (UP)
Js3
P5
Js5① H5②
P4 (SP) Js5① H5②
P2 (UP) Js4① H4②
IT3/2 IT2/2 IT1/2 IT3/2 IT2/2 IT1/2
— IT3/2 IT2/2 — — —
IT1 IT1 IT0 IT1 IT1 IT0
E2.0 6150MP几a乎没什么差别。因此刚度也 不是主轴选材的依据。
主轴组件设计 主轴
主轴的材料，只能根据耐磨性、热处理方法及热 处理后的变形大小来选择。耐磨性取决于硬度，故机 床主轴材料为淬火钢或渗碳淬火钢，高频淬硬。
普通机床主轴，一般采用45或60号优质结构钢， 主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面，高频淬火，硬 度为50～55HRC；