第三章典型部件设计

⑶ 应用：这种配置常用于短主轴，如组合机床主轴。 4、中间配置：图e ⑴ 方式：指两个方向的推力轴承在前支承的后侧。
三 章
金 属 切 削 机 床 设 计
⑵ 特点：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，温升也较高。
⑶ 应用：很少应用。
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3.1.3 主轴部件结构设计
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和轴向跳动。
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。
2、刚度：指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的 能力（图3-1）。分静刚度和动刚度。
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。取决于主轴的尺寸、形状，轴承的类
床
b图方式主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床等；
设
c图方式较多地用于带传动，更换传动带方便，如磨床等。
计
2、驱动主轴的传动轴位置的合理布置
主轴受到的驱动力相对于切削力的方向取决于驱动
主轴的传动轴位置。应使驱动力引起的主轴变形与切削
力引起的主轴变形能够相互抵消。
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3.1.3 计
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3.1.4 主轴滚动轴承
第
（一）主轴部件主支承常用的滚动轴承
三
1、角接触球轴承：
章
⑴ 接触角α：是滚动体与滚道接触点处的公法线与主 轴轴线垂直平面间的夹角。是球轴承的主要参数。
⑵ 分类：图3-9
金 属 切
图a：α=0°，称为深沟球轴承，主要承受径向力； 图b：0°＜ α≤45°，称为角接触球轴承，主要承受径向力，也可承 受轴向力；
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3.1.2 主轴部件的传动方式
第
2、带传动： ⑵ 同步齿形带：是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮
三 章
合传递运动和动力。分梯形齿（图3-2）和圆弧形齿。
金
优点是无相对滑动，传动比准确、精度高；强度高，可传递100KW 属 以上的动力 ；厚度小、质量小、传动平稳、噪声小，速度可达50m/s； 切
金 属 切 削 机
2、主轴内孔直径d的确定
床
卧式车床d≥（0.55～0.6）D平均
设
铣床的孔径d可比刀具拉杆直径大5～10mm。
计
3、主轴前端悬伸量a的确定
在满足结构要求的前提下，取最小值。
4、主轴主要支承间跨距L的确定
最佳跨距L0=（2～3）a，实际受结构限制要大于L0。
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床 设 计
用于高转速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速
CNC车床主轴等（图3-15）。
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3.1.4 主轴滚动轴承
第
（二）几种典型的主轴轴承配置型式
三
2、刚度型（图b）：前支承采用双列短圆柱滚子轴承承 章
受径向载荷和60度角接触双列向心推力轴承承受轴向载
金
荷；后支承采用双列短圆柱滚子轴承。适用于中等转速、 属
床
普通机床主轴可选用中碳钢（如45钢），调质处理后， 设
在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局
计
部高频淬硬，以提高其耐磨性。见表3-2。
3、主轴的技术要求：
要满足设计要求、工艺要求、检测方法的要求，做到
设计、工艺、检测的基准统一。如图3-7车床主轴简图。
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3.1.4 主轴滚动轴承
第 三 章
金 属 切 削 机 床 设 计
型、数量、预紧和配置形式，主轴部件的制造、装配质
量。静刚度不足对机床的加工精度有直接影响。目前，
对主轴部件尚无统一的刚度标准。
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3.1.1 主轴部件应满足的基本要求
第
三
3、抗振性：
章
指抵抗受迫振动和自激振动的能力。目前，抗振性 的指标尚无统一标准，只能参考一些实验数据。
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，
金 属 切 削
切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸
机
和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变形。从而
床
影响加工精度。
设
5、精度保持性：
计
指长期地保持其原始制造精度的能力。主轴丧失
原始精度的主要原因是磨损。要提高耐磨性应合理选
择主轴材料，轴承材料、类型，热处理方式，润滑防
较大的驱动功率和转矩；便于组织专业化生产。
⑵ 应用：它广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控
车床中。图3-3为高速内圆磨床电主轴。
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3.1.3 主轴部件结构设计
第
三
（一）主轴部件的支承数目 机床主轴一般采用前、后两个支承或三支承结构。 两支承方式（图2-24卧式铣床主轴107页）结构简单、 制造装配方便、容易保证精度。 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，（图2-23卧式车床主轴106页） ；也可以前、中 支承为主要支承，后支承为辅助支承，（图2-29卧式加 工中心主轴112页）。
床主轴，如钻床等。图3-20为摇臂钻床主轴部件。
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章
金 属 切 削 机 床 设 计
两支承方式主要用于通用机床，三支承结构用于数
控机床。三支承结构中，采用前、中支承为主要支承的
较多。
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3.1.3 主轴部件结构设计
第
（二）推力轴承的位置配置型式
三
1、前端配置：图3-4a
章
⑴ 方式：指两个方向的推力轴承都布 置在前支承外。 金 ⑵ 特点：这类配置方案在前支承处轴承较多，发热量 属 大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度， 切
3.1.3 主轴部件结构设计 第
（五）主轴体
三
1、主轴的构造和形状：
章
⑴ 主体： 主要取决于主轴上所安装的刀具、夹具、传 金
动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法
属
等。还要考虑加工、装配的工艺性。一般为空心阶梯轴
切
，前大后小结构。
削
⑵ 前端：取决于机床类型和安装夹具刀具的形式。
机
2、主轴的材料和热处理：
第
三
章
主轴部件中最重要的组件是轴承。
金
机床上常用的主轴轴承有：滚动轴承、液体动压轴
属
承、液体静压轴承、空气静压轴承等。此外还有自调磁 切
浮轴承等适应高速加工的新型轴承。
削
对主轴轴承的要求：旋转精度高、刚度高、承载能力 机
强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、 床
抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等。 设
与另一个背靠背安装。
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3.1.4 主轴滚动轴承
第
（一）主轴部件主支承常用的滚动轴承
三
2、双列短圆柱滚子轴承：图3-8的a、b
章
3、圆锥滚子轴承：图3-8的c、d、e、f 4、推力轴承： 5、双向推力角接触轴承：图3-8的g 6、陶瓷滚动轴承：有三种类型
⑴ 滚动体用陶瓷制造，内、外圈用轴承钢； ⑵ 滚动体和内圈用陶瓷制造，外圈用轴承钢；
第
（三）主轴传动件位置的合理布置
三
1、传动件在主轴上轴向位置的合理布置
章
⑴ 原则：合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以 金
改善主轴的受力情况，减少主轴变形，提高主轴的抗振 属
性。主轴上传动件轴向布置时，应尽量靠近前支承，有 切
多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。
削
⑵ 方式：图3-5
机
a图方式受力情况较好，用得最为普遍；
护方式等。
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3.1.2 主轴部件的传动方式
第
三
主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。
章
1、 齿轮传动： ⑴ 特点：优点是结构简单、紧凑，能够传递较大的
转矩，能适应变转速、变载荷工作。缺点是线速度不 能过高，通常小于12~15m/s，不如带传动平稳。
⑵ 应用：应用最广泛。
柱滚子轴承简化，承载能力和刚度比角接触球轴承高。但 切
因为圆锥滚子轴承发热大，温升高，允许的极限转速要低 削
些。适用于载荷较大，转速不太高的普通精度机床。
机
如图3-18配置圆锥滚子轴承的机床主轴结构和图3-19的 床
卧式镗铣床主轴。
设
⑵ 采用双列圆锥滚子轴承的配置：可以承受两个方向 计
的轴向力，其轴向刚度高，适用于承受轴向载荷较大的机
第三章 典型部件设计
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3.1 主轴部件设计
一、主轴部件应满足的基本要求
第 三
章
二、主轴部件的传动方式
金
属
三、主轴部件结构设计
切 削
机
四、主轴滚动轴承
床
设
五、主轴滑动轴承
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计
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回
主
页
3.1.1 主轴部件应满足的基本要求
主轴部件：是机床的执行件，支承并带动工件或刀具 旋转进行切削，承受切削力及驱动力。由主轴及其支承 轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。
跨，以提高承受颠覆力矩的刚度。后支承采用双列短圆柱
滚子轴承，能够承受从主轴后端传入的较大的传动力。适
用于要求径向刚度好、具有较高转速的机床主轴。
如图3-17卧式铣床主轴。
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3.1.4 主轴滚动轴承
第
三
（二）几种典型的主轴轴承配置型式
章
4、其它主轴配置形式：
金
⑴ 采用圆锥滚子轴承的配置：其结构比采用双列圆 属
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3.1.4 主轴滚动轴承
第
三
（二）几种典型的主轴轴承配置型式
章
主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载
金
能力、抗振性和噪声等要求来选择。
属
常见的几种典型配置型式：
切
速度型、刚度型、速度刚度型（图3-14）。
削
1、速度型（图a）：主轴前后轴承都采用角接触球 机
轴承（两联或三联）。轴向切削力大，选25°的轴承， 轴向切削力小，选15°的轴承，角度大，刚度也大。角 接触球轴承具有良好的高速性能，但承载能力较小，适
无需特殊涨紧，对轴和轴承压力小，传动效率高；不需要润滑，耐水
削
、耐腐蚀，可在高温下工作，维护保养方便；传动比大，达1/10以上
机
。 缺点是制造工艺复杂，安装条件要求高。
3、电动机直接驱动方式：即电机转子直接设计成主轴。 ⑴ 特点：主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴
床 设 计
部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有
机床，如立铣、多刀车床等。
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3.1.3 主轴部件结构设计
第
（二）推力轴承的位置配置型式 3、两端配置;图c,d ⑴ 方式：指两个方向的推力轴承分别布置在前后两个
支承处。 ⑵ 特点：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。
第
（四）主轴主要结构参数的确定
三
主轴的主要结构参数有主轴前、后轴径直径D1和D2，主 章
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 ，见图3-6。它们直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。
1、主轴前轴径直径D1的选取 按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径参考表
3-1选取。车床和铣床的后轴颈的D2≈（0.7~0.85）D1。
金 属 切 削 机
2、带传动：
床
⑴ 特点：优点是靠摩擦力传动（除同步齿形带外） 设
、结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距
计
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，不能用在转速比
要求准确的场合。
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图c： 45°＜ α＜90°，称为推力角接触球轴承，主要承受轴向力
，也可承受径向力；
削 机 床 设
图d：α=90°，称为推力球轴承，只能承受轴向力。
计
⑶ 应用： 主轴一般用α等于25°或15°的角接触轴承，并成组安
装（图3-10），以便承受双向的轴向力。背靠背安装比面对面安装抗
颠覆力矩能力好；三个一组，二个同向的承受主要方向的轴向力，
金 属 切 削 机 床
⑶ 滚动体内、外圈全用陶瓷制造，为全陶瓷轴承。
设
7、磁浮轴承（也称磁力轴承，有转子和定子组成）：
计
是一种高性能机电一体化轴承，利用磁力来支承运动部
件使其与固定部件脱离接触来实现轴承功能。
图3-11为磁浮轴承工作原理
图3-12、13为磁浮轴承的控制框图和主轴的结构图
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切削负载较大，要求刚度高的机床。如图3-16的 数控车床 切
主轴、镗削主轴单元等。
削
3、刚度速度型（图c）： 前轴承采用三联角接触球轴 机
承，两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方 床
向的轴向力，第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两 设
个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承 计
精度高，对提高主轴部件刚度有利。
削
⑶ 应用：这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高 机
精度机床或数控机床。
床
2、后端配置：图b
设
⑴ 方式：指两个方向的推力轴承都布置在后支承处。
计
⑵ 特点： 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。
⑶ 应用：这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度