第3章 典型部件设计1-2

第三章典型部件设计第一节主轴部件设计第二节支承件设计第三节导轨设计第四节机床刀架和自动换刀装置设计一、主轴部件应满足的基本要求二、主轴部件的传动方式三、主轴部件结构设计四、主轴滚动轴承五、主轴滑动轴承3.1 主轴部件设计3.1.1 主轴部件应满足的基本要求主轴部件是主运动的执行件，是机床重要的组成部分。

它的功能是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。

主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。

主轴部件直接参与切削，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。

3.1.1 主轴部件应满足的基本要求（1）旋转精度：指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动值。

旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。

3.1.1 主轴部件应满足的基本要求（2）刚度：指主轴部件在外加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。

☐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。

☐影响机床主轴部件刚度的主要因素有：主轴的尺寸、形状、轴承的类型、数目、配置形式、前后支承的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。

☐刚度不足，影响机床的加工精度、传动质量及工作的平稳性。

（3）抗振性：指抵抗受迫振动和自激振动的能力。

主轴振动有两种类型：一种是受迫振动，是来自外界的振源，主轴上旋转零件的质量偏心所产生的离心力，传动件速度不均匀所产生的惯性力，以及继续切削所产生的周期性变化的切削力对主轴运动的干扰，使主轴带动工件及刀具一起振动，在加工表面上留下振纹。

另一种是主轴自激振动，是指在没有外界动态干扰力作用时，由于机床－工件－刀具弹性系统振动过程的正反馈作用，在加工过程中，使刀具与工件之间发生的一种周期性的强烈的相对振动，也叫颤振。

3.1.1 主轴部件应满足的基本要求（3）抗振性影响主轴组件抗振性的主要因素：主轴组件的静刚度阻尼特性固有频率刚度和阻尼比越大越不易产生振动。

抗振性差，导致：工作时容易发生振动；影响工件的表面质量，限制机床生产率； 降低刀具的耐用度和主轴轴承的寿命； 发出噪声影响工作环境等。

3.1.1 主轴部件应满足的基本要求（4）温升和热变形：指主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变形。

热变形会使主轴旋转轴线与机床其它部件间的相对位置发生变化，影响加工精度。

热变形造成主轴弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态恶化。

3.1.1 主轴部件应满足的基本要求（4）温升和热变形：热变形还会改变已调好的轴承间隙和使主轴与轴承，轴承与支承孔之间的配合发生变化，影响轴承的正常工作，加速磨损，严重时甚至发生轴承抱轴现象。

影响主轴组件温升、热变形的主要因素：轴承的类型和布置方式；轴承间隙和预紧力的大小；润滑方式和散热条件等。

3.1.1 主轴部件应满足的基本要求（5）精度保持性：指长期地保持其原始制造精度的能力。

主轴部件丧失其原始制造精度的主要原因是磨损。

☐磨损后对精度有影响的部位：☐首先是轴承；☐其次是安装夹具、刀具或工件的定位面和锥孔；☐还有如钻、镗床的移动式主轴的内、外导向表面等。

3.1.1 主轴部件应满足的基本要求（5）精度保持性：☐提高耐磨性的方法：☐正确地选择主轴和滑动轴承的材料及其热处理方法。

一般机床上的上述部位都必须经过热处理，使之具有一定的硬度。

☐合理调整轴承间隙，保证良好的润滑和可靠的密封。

3.1.1 主轴部件应满足的基本要求传动方式：齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。

☐齿轮传动☐结构简单、紧凑，能够传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。

☐缺点是线速度不能过高，通常小于12~15 m/s ，不如带传动平稳。

3.1.2 主轴部件的传动方式☐带传动☐靠摩擦力传动（同步齿形带除外）、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，带传动在过载时会打滑，能起到过载保护作用。

☐缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。

3.1.2 主轴部件的传动方式☐带传动☐同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。

☐同步齿形带的齿形有两种：梯形齿和圆弧齿。

3.1.2 主轴部件的传动方式☐电动机直接驱动☐特点是主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和转矩；便于组织专业化生产。

☐广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。

3.1.2 主轴部件的传动方式高速内圆磨床电主轴1、主轴部件的支承数目 多数机床的主轴采用前、后两个支承。

结构简单，制造装配方便，容易保证精度。

为提高主轴部件的刚度，前后支承应该消除间隙或预紧。

3.1.3 主轴部件结构设计1、主轴部件的支承数目为提高刚度和抗振性，有的机床采用三个支承。

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。

3.1.3 主轴部件结构设计（一）主轴部件的支承数目也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。

3.1.3 主轴部件结构设计角接触球轴承背对背安装（二）推力轴承的位置配置型式（1）前端配置两个方向的推力轴承都布置在前支承处。

这类配置方案在前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，对提高主轴部件刚度有利。

这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。

3.1.3 主轴部件结构设计（二）推力轴承的位置配置型式（2）后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支承处。

这类配置方案前支承处轴承较少，发热小，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。

这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车床等。

3.1.3 主轴部件结构设计（二）推力轴承的位置配置型式（3）两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。

这类配置方案当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。

为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。

这种配置常用于短主轴。

3.1.3 主轴部件结构设计（二）推力轴承的位置配置型式（4）中间配置两个方向的推力轴承在前支承的后侧。

这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，温升也可能较高。

3.1.3 主轴部件结构设计（三）主轴传动件位置的合理布置传动件在主轴上轴向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，减少主轴变形，提高主轴的抗振性。

主轴上传动件轴向布置时，应尽量靠近前支承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。

3.1.3 主轴部件结构设计（四）主轴主要结构参数的确定主轴前、后轴径直径D 1和D 2，主轴内孔直径d ，主轴前端悬伸量a 和主轴主要支承间的跨距L ，这些参数将直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。

•一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径，选取D 1。

车床和铣床后轴颈的直径D 2：(0.7～0.85)D 1。

3.1.3 主轴部件结构设计（四）主轴主要结构参数的确定•很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。

•如车床主轴内孔用来通过棒料或安装送夹料机构；铣床主轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆等。

•为不过多地削弱主轴的刚度，卧式车床的主轴孔径d 通常不小于主轴平均直径的55％~60％；铣床主轴孔径d 可比刀具拉杆直径大5~10mm 。

3.1.3 主轴部件结构设计（四）主轴主要结构参数的确定•主轴前端悬伸量a 是指主轴前端面到前轴承径向反力作用中点(或前径向支承中点)的距离。

•由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。

3.1.3 主轴部件结构设计（四）主轴主要结构参数的确定•存在一个最佳跨距L 0。

在该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。

一般取L 0＝(2～3.5)a 。

3.1.3 主轴部件结构设计(五)主轴❑主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。

主轴的前端型式取决于机床类型和安装夹具或刀具的型式。

主轴的形状和尺寸已经标准化，应遵照标准进行设计。

❑主轴的技术要求，应根据机床精度标准有关项目制定。

应尽量做到设计、工艺、检测的基准相统一。

3.1.3 主轴部件结构设计主轴部件中最重要的组件是轴承。

机床上常用的主轴轴承滚动轴承、液体动压轴承、液体静压轴承、空气静压轴承等。

此外还有自调磁浮轴承等适应高速加工的新型轴承。

对主轴轴承的要求旋转精度高、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。

3.1.4 主轴滚动轴承主轴部件中最重要的组件是轴承。

（一）主轴部件主支承常用的滚动轴承角接触球轴承、双列短圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承、双向推力角接触球轴承、陶瓷滚动轴承、磁浮轴承。

3.1.4 主轴滚动轴承•特点是无机械磨损，理论上无速度限制；运转时无噪声，温升低、能耗小；不需要润滑，不污染环境，省掉一套润滑系统和设备；能在超低温和高温下正常工作，也可用于真空、蒸汽腐蚀性环境。

•适用于高速、超高速加工。

3.1.4 主轴滚动轴承磁浮轴承（二）几种典型的主轴轴承配置型式主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。

常见的几种典型配置型式：速度型、刚度型、速度刚度型。

3.1.4 主轴滚动轴承速度型：主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。

轴向切削力越大，角度应越大，且大角度的刚度也大。

具有良好的高速性能，承载能力小，适用于高速轻载或精密机床，如高速CNC 车床。

3.1.4 主轴滚动轴承刚度型：前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60度角接触双列向心推力轴承承受轴向载荷；后支承采用双列短圆柱滚子轴承。

适用于中等转速和切削负载较大、要求刚度高的机床，如数控车床主轴。

3.1.4 主轴滚动轴承刚度速度型：前轴承采用三联角接触球轴承，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。

前轴承的配置特点是外侧的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的轴向力；第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承跨距，以提高承受颠覆力矩的刚度。

3.1.4 主轴滚动轴承（三）滚动轴承精度等级的选择主轴前轴承的精度对主轴旋转精度影响较大，因此，前轴承的精度通常应选得比后轴承高一级。

滚动轴承的配合对主轴部件精度的影响也很大。

3.1.4 主轴滚动轴承（四）主轴滚动轴承的预紧❑预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。