第三章机床主要部件设计

主轴组件设计滚动轴承
间隙有无与预紧力有关，而预紧力可以使滚 动体之间产生一定过盈量，增加接触面接，提高 支撑刚度和抗振性。因此，有无预紧力对轴承刚 度影响较大，轴承刚度分析应考虑预紧力。
预 轻预紧
紧 程
中预紧
度 重预紧
高速主轴 中低速主轴 分度主轴
主轴组件设计 主轴
三、主轴 1．主轴的结构及材质选择
为降低噪声，通常采用硬齿面、小模数齿轮，尽 量降低齿轮的线速度；线速度小于15。
主轴组件设计 主轴传动
⑶电动机直接驱动：主轴直接连接在电动机上，也是 精密机床、高速加工中心和数控车床常用的一种驱动 形式。
如转速小于3000r/min的主轴，采用异步电动机 轴通过联轴器直接驱动主轴，机床可通过改变电动机 磁极对数实现变速；转速小于8000r/min的主轴，可 采用变频调速电动机直接驱动；高速主轴，可将电动 机轴与主轴做成一体，即内装电动机主轴，转子轴就 是主轴，恒速切削可采用中频电动机。
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滚动轴承摩擦因数小，阻尼比小，易引起振动； ③滚动轴承的径向尺寸较大。
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
与实心主轴惯性矩的比值为
Ik Is

D4 d 4 D4

1


d D

4
1 4
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
滚动轴承选择的基本原则：
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。
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，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
一、主轴组件应满足的基本要求
1.旋转精度 2.静刚度 3.动刚度 4.温升与热变形 5.精度保持性
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， 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。
主轴前支承轴颈D1可按主传动功率选择，也按 主参数选择，或参考同类机床来选取。
主轴组件设计 主轴参数
主传动功率 车床
升降台铣床 外圆磨床
表3-6 主轴前支承轴颈
5.5 kW 60～90 60～90 55～70
7.5 kW 75～110 75～100 70～80
11 kW 90～120 90～110 75～90
第三章 机床主要部件设计
一．主轴组件设计 二．支承件的设计 三．导轨设计 四．滚珠丝杠螺母副机构
第一节 主轴组件设计
构成：由主轴及其支承轴承、传动件、定位元件等 组成。 功能：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
一、主轴组件应满足的基本要求
主轴组件设计 主轴传动
3．主轴轴向定位
a)
b)
c)
主轴组件设计 主轴传动
3．主轴轴向定位
a)
b)
c)
主轴组件设计 主轴传动
3．主轴轴向定位
a)
b)
c)
主轴组件设计 主轴参数
五、主轴主要尺寸参数的确定
1．主轴前支承轴颈的确定
主轴直径越大其刚度越大，主轴组件尺寸越大， 在保证主轴组件刚度前提下，尽量减小轴颈D1尺寸。
1.旋转精度 2.静刚度 3.动刚度 4.温升与热变形 5.精度保持性
主轴组件设计
一、主轴组件应满足的基本要求
1.旋转精度 2.静刚度 3.动刚度 4.温升与热变形 5.精度保持性
主轴组件设计
1．旋转精度 定义：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。 决定因素：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。
主轴的刚度为 K P

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H（μ m/N），即刚度的倒数。
静 主轴自身 取决于主轴的惯性矩、主轴端部
刚 度
的刚度 的悬伸量和支承跨距
决 定 支承轴 由轴承的类型、精度、安装形
主轴组件设计 主轴传动
同步齿形带是以玻璃纤维绳芯、钢丝绳为强力层， 外覆聚氨脂或氯丁橡胶的环形带，带的内周有梯形 齿，与齿形带轮啮合传动，传动比准确，线速度小 于60m/s； 高速环形平带，用于带速恒定的传动，丝织（天然 丝、锦纶或涤纶丝）高速平带线速度可达100m/s。
主轴组件设计 主轴传动
⑵齿轮传动：轮齿的啮合传递，能传递较大的扭矩， 结构紧凑，尤其适合于变速、变载传动； 缺点：传递线速度小，且传动平稳性比带传动差。
磨损影响因素：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。
精度保持性影响机床使用寿命内加工精度和工作稳定 性
主轴组件设计
二、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，能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定 工作； ②滚动轴承摩擦系数小，有利于减小发热； ③滚动轴承容易润滑，可以用油脂也可以用油润滑； ④由专门生产厂大批量生产，质量稳定，成本低，经 济性好。
主轴组件设计
一、主轴组件应满足的基本要求
1.旋转精度 2.静刚度 3.动刚度 4.温升与热变形 5.精度保持性
主轴组件设计
5．精度保持性 定义：指长期保持其原始制造精度的能力
主轴组件丧失原始精度的原因是磨损，所以精度保持性又称为 耐磨性。
主要磨损：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。
因 承刚度 式、预紧程度等因素决定
素
主轴组件设计
一、主轴组件应满足的基本要求
1.旋转精度 2.静刚度 3.动刚度 4.温升与热变形 5.精度保持性
第三章 主轴组件设计
3．动刚度 定义：机床在额定载荷下切削时，主轴组件抵抗变形 的能力，实际上是抵抗受迫振动和自激振动的能力。 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。 主轴组件的动刚度直接影响加工精度和刀具的耐用度， 是机床重要的性能指标。可通过增加静刚度、增加阻 尼比来提高动刚度。
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
E 2.06105 MPa 几乎没什么差别。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。
主轴组件设计 主轴精度
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。
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， 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。
若线速度小于30m/s时，可采用V带传动，结构简单， 使用维护方便； 若线速度大于30m/s，可采用多楔带，在平带的基础 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，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；
3 主轴的技术要求
（2）其他性能要求
表面粗糙度、表面硬度等
主轴组件设计 主轴传动
四、主轴组件
1．传动方式
主轴上的传动方式， 主要有带传动、齿轮传动和 电动机直接驱动。
⑴带传动：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。
主轴组件设计 主轴传动
P4（SP）
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； 轴承受轴向载荷时，各滚动体承受的轴向力相等。
主轴组件设计 主轴传动
2．传动件的布置
为了皮带更换方便，防止油类的侵蚀，带轮通 常安装在后支承的外侧。
多数主轴采用齿轮传动。齿轮可位于两支承之 间，也可位于后支承外侧。 若齿轮在两支承之间时，应尽量靠近前支承，若多
个齿轮，则大齿轮靠近前支承。由于前支承直径 大，刚度高，大齿轮靠近前支承可减少主轴的弯 曲变形，且扭矩传递长度短，扭转变形小。
主轴组件设计 滚动轴承
2

a l

b
1

1
a l


a
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）
15 kW 100～160 100～120 75～100
车床和铣床，主轴为阶梯形，D2 0.7 ~ 0.9D1 ，
磨床主轴，D2 D1 。
主轴组件设计 主轴参数
2．主轴内孔直径的确定
许多机床都是空心主轴，由力学可知，外径为 D、 内径为 d 的空心轴的惯性矩为
Ik

64
D4
d4
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。 所以，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；
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；
主轴组件设计
一、主轴组件应满足的基本要求
1.旋转精度 2.静刚度 3.动刚度 4.温升与热变形 5.精度保持性
主轴组件设计
2.静刚度 定义：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P， 受力方向上的弹性位移为δ时，
若齿轮位于后支承外侧时，前后支承能获得理想的
支承跨距，支承刚度高；前后支承距离较小，加 工方便，易保证同轴度，能够实现模块化生产。
主轴组件设计 主轴传动
辅助支承：增加在齿轮外侧的游隙较大的轴承，其 不能预紧，以避免自身同轴度误差造成的影响。 功能：提高动刚度，限制最大变形量。
由于辅助支承存在间隙，因而当主轴载荷较小、 变形量小于间隙值时，辅助支承不起作用；只有载 荷较大、主轴辅助支承部位的变形大于间隙值时， 辅助支承才起作用。