机械制造装备设计 第三章 主轴组件设计

倾斜度t2 跳动t3 同轴度t4 Ra D、d≤80 D、d≤250
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。
机床精度等级 普通精度级 精密级机床 前轴承 P5或P4 （SP） P4（SP）或P2 （UP） 后轴承 P5或P4 （SP） 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。
轴组件的热变形，将严重影响加工精度。
室温不是20ο C时，温升Tt的许可值按下式计 算
Tt T20 Kt t 20
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
P2 P5 (UP) Js5① Js3 H5② IT2/2 IT0 IT3 0.1 0.2 — IT1 IT5 0.4 0.8
P4 (SP) Js5① H5② — IT1 IT4 0.4 0.8
P2 (UP) Js4① H4② — IT0 IT3 0.2 0.4
IT3/2 IT2/2 IT1/2 IT3/2 IT2/2 IT1/2
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。
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 F 、 F
r
个滚动体所承受的最大载荷 Qr 、 Q 分别为 a
a
，单
5Fr Qr iz cos
球轴承的钢球直径为 为
Fa Qa z sin
d b，在外载作用下轴承的变形
内圈滚道表面相对于轴承内径轴线的同轴度。
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
0.9 a 0.8 a
dFr 0.9 0.1 0.8 iz (cos )1.9 Kr 3.39Fr la d r dFa 0.1 0.8 0.9 1.9 Ka 14.43Fa l a z (sin ) d a
主轴组件设计滚动轴承
零间隙时球轴承的刚度为
dFr 2 5 3 Kr 1.18 Fr d b iz (cos ) d r dFa 3 F d z 2 (sin ) 5 Ka 3.44 a b d a
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；
精密机床主轴，可采用40Cr高频淬硬或低碳合金
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
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
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 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
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
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。
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。
动带，有取代普通V带的趋势；
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；
主轴组件设计 滚动轴承
2
a b l
a 1 1 a l
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
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 滚动轴承
轴承的刚度与轴承的类型有关，线接触的滚子
当外伸端受径向作用力（N），受力方向上的弹
性位移为δ （μ m）时，主轴的刚度为
K
F

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（μ m/N），即刚度的倒数。 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
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。
Fr Fre Fa0 cot
Fa Fae Fa 0
主轴组件设计 滚动轴承
l
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 NN3000K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， 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。
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
2 r
0.436 r cos
3
Q db
a
0.436 Q 3 sin db
2 a
主轴组件设计 滚动轴承
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
0.9 r 0.8 a
0.077 Q r cos l
滚子轴承的刚度为
0.077 Q a sin l
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。
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 Fa 0 时，径向和轴向载荷分别是
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。
主轴组件设计 主轴滚动轴承