第三章主轴支承件
第三章 机床典型部件设计
（二）几种典型的主轴轴承配置形式
d 0.55 ~ 0.60D
对于六角、自动和半自动车床、卧式镗床（镗杆主
轴）
d 0.6 ~ 0.65D
对铣床 d 可比刀具拉杆直径大5~10mm即可。
3. 主轴前端悬伸量的确定
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。它主要取决 于主轴端部的结构（其形状与尺寸均以标准化），以及 前支承轴承配置和密封装置的形式和尺寸。在满足结构 要求的前提下，设计时应使a 值越小越好。
2.刚度 主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变 形的能力，通常以主轴前端部产生一个单位位移的弹 性变形时，在位移方向上所施加的作用力的大小来表 示。主轴部件的刚度是综合刚度，是主轴、轴承和轴 承座等刚度的综合反映，其静刚度不足则对加工精度 和机床性能有直接影响。
主轴部件应满足的基本要求
3.抗振性 主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动而 保持平稳运转的能力。主轴部件的振动会直接影响工件 的表面质量和刀具的使用寿命，并产生噪声。 4.温升及热变形 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，其尺寸、形状 及位置发生变化，造成主轴部件的热变形。 5.精度保持性 主轴部件的精度保持性是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精度的主要原因是磨 损。
3. 圆锥滚子轴承——需成对使用
第三章数控机床的主传动系统
第三章 数控机床的主传动系统
(3)突入滚道式润滑方式 如图3—10所示为适应该要求而设计的特殊轴承。 润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵 效应，把润滑油吸人滚道。
若进油口较高，则泵效应差，当进油接近外滚道 时则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。
第三章 数控机床的主传动系统
3．冷却润滑技术的研究 过去，加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑方 式，为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新 的冷却润滑方式相继开发出来，见表3—2。
第三章 数控机床的主传动系统
第一章 数控机床概述
(1)油气润滑方式 这种润滑方式不同于油雾方式， 油气润滑是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中， 油量大小可达最佳值，压缩空气有散热作用，润滑 油可回收，不污染周围空气。图3—8是油气润滑 原理图。
1．主轴部件常用滚动轴承的类型 图3—13a为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈 为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移 动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数 目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大， 刚性好，允许转速高。它的内、外圈均较薄， 因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造 精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承 滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴 承只能承受径向载荷。
第一章 数控机床概述
(2)热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小
的热变形是对主传动系统要求的重要指标。 (3)主轴的旋转精度和运动精度
主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转 动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径 向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时 测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求 有高的旋转精度和运动精度。
第3章_典型部件设计(主轴、支承件、导轨)
3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承 (1) 角接触球轴承(向心推力球轴承)
角接触球轴承极限转速较高；可以同时承受 径向和一个轴向的载荷，a越大，可承受的进给力 越大。主轴用的a一般取15o或25o。
传动件放在主轴的后悬伸端，较多用于带传 动，可便于传动带的更换，如磨床。
3.1.3.3 主轴传动件位置的合理布置 (2) 驱动主轴的传动轴位置的合理布置 ★在布置传动轴的位置时，应尽量使传动力
Q与切削力P两者引起的主轴轴端位移和轴承受力 的影响能互相抵消一部分。
3.1.3.4 主轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有：
3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承 (1) 角接触球轴承 球轴承为点接触，刚度不高，为提高刚度，
同一支承处可多联组配。 组配方式有三种： 背靠背组合；面对面组合；同向组合。
3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承 (2) 双列短圆柱滚子轴承 特点：内圈有1:12的锥孔，轴向移动内圈可
径向圆跳动
端面圆跳动
3.1.4 主轴滚动轴承
主轴轴承的类型、配置方式、精度、安装、 调整、润滑和冷却等都直接影响主轴部件的工作 性能。
常用主轴轴承有滚动轴承、液体动压轴承， 液体静压轴承、空气静压轴承等。
轴承的轴向承载能力和刚度，由强到弱依次 为：推力球轴承、推力角轴承、圆锥滚子轴承、 角接触球轴承；
以调整轴承的径向间隙和预紧； 轴承的滚子能承受较大的
径向载荷和转速； 轴承由两列滚子交叉排列，
数量较多，因此刚度很高； 不能承受轴向载荷。
3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承 (3) 圆锥滚子轴承 特点：刚度和承载能力大，既可承受径向力，
机械制造装备设计第3章习题答案
《机械制造装备设计》第4版第三章习题参考答案3-1 为什么对机床主轴要提出旋转精度、刚度、抗振性、温升及耐磨性要求？主轴组件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。
末端传动组件（包括轴承）要有较高的制造精度、支承刚度，必要时采用校正机构，这样可缩小前面传动件的传动误差，且末端组件不产生或少产生传动误差。
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。
动态刚度包括抗振性、热变形、噪声。
耐磨性是精度保持性的体现。
故机床主轴要提出旋转精度、刚度、抗振性、温升及耐磨性要求。
3-2 主轴部件采用的滚动轴承有那些类型，其特点和选用原则是什么？双列圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承、角接触球轴承、双列圆锥滚子轴承。
双列圆柱滚子轴承，滚子直径小，数量多(50~60个)，具有较高的刚度；两列滚子交错:1，轴向布置，减少了刚度的变化量；外圈无挡边，加工方便；主轴内孔为锥孔，锥度12移动内圈使之径向变形，调整径向间隙和预紧；黄铜实体保持架，利于轴承散热。
NN3000K 超轻系列轴承。
轴承型号为234400，接触角60ο，滚动体直径小，极限转速高；外圈和箱体孔为间隙配合，安装方便，且不承受径向载荷；与双列圆柱滚子轴承配套使用。
角接触球轴承常用的型号有7000C系列和7000AC系列，前者接触角为15ο，后者为25ο。
7000C系列多用于极限转速高，轴向负载小的机床，如内圆磨床主轴等；7000AC系列多用于极限转速高于双列滚子轴承，轴向载荷较大的机床，如车床主轴和加工中心主轴。
为提高支承刚度，可采用两个角接触球轴承组合安装。
圆锥滚子轴承，与圆锥齿轮相似，内圈滚道锥面、外圈滚道锥面及圆锥滚子轴线形成的锥面相交于一点，以保证圆锥滚子的纯滚动。
装备第三章练习题
一、是非题1.主轴组件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。
〔√〕2.主轴部件的精度是指长期地保持其原始制造精度的能力。
〔√〕3.双列短圆柱滚子轴承只能承受径向载荷。
〔√〕4.双列圆柱滚子轴承不但可以承受径向载荷,而且可以承受轴向载荷。
〔×〕5.双列圆锥滚子轴承只能承受径向载荷。
〔×〕6.双列圆锥滚子轴承双列圆柱滚子轴承不但可以承受径向载荷,而且可以承受轴向载荷。
〔√〕7.对于空心主轴，内孔直径d的大小与其用途有关。
〔√〕8.对于空心主轴，内孔直径d越大越好。
〔×〕9.滚珠导轨为点接触，承载能力差，刚度低，多用于小载荷。
〔√〕10.滚柱导轨为线接触，承载能力较高，刚性好，用于较大载荷。
〔√〕11.支承件设计时，当开孔面积小于所在壁面积的20%时，对刚度影响较小。
当开孔面积超过所在壁面积的20%时，抗扭刚度会降低许多。
〔√〕12.支承件设计时，开口截面的刚度远远大于封闭截面的刚度，特别是抗扭刚度〔×〕13．主轴一般为实心阶梯轴，前端径向尺寸大，中心径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。
〔×〕14．无论是正方形、圆形还是矩形，空心截面的刚度都比实心的小。
〔×〕15．圆〔环〕形截面的抗扭刚度比正方形好，而抗弯刚度比正方形低。
〔√〕二、单项选择题1.高速轴承发热大，为控制其温升，希望润滑油同时兼起冷却作用，一般采用的润滑方式为〔D〕。
A、油浴润滑 B、滴油润滑 C、油脂润滑 D、油气润滑2.设计机床支承件时，不可采用的材料是〔B〕。
A.铸铁B.微晶玻璃C.天然花岗岩D.树脂混凝土3.以下机床支撑件的截面形状中，哪种形状截面抗扭刚度大些〔B〕。
A.方形实心B.圆形空心C.圆形实心D.方形空心4.以下机床支撑件的截面形状中，哪种形状截面抗弯刚度大些〔D〕。
A.方形实心B.圆形空心C.圆形实心D.方形空心5.以下导轨中必须与主轴联合使用的导轨是〔A〕。
第三章构件的截面承载能力―强度
常用开口薄壁截面的剪切中心S位置和扇惯性矩Iω 值
2)、梁的剪应力的计算 由于截面的壁厚远小于截面 的高度和宽度，故可假设剪应 力的大小沿壁厚不变。 剪应力的计算公式：
五、梁的扭转 构件在扭矩作用下,按照荷载和支承条件的不同， 可以出现两种不同形式的扭转。一种是自由扭转或称 为圣维南扭转(图3—16a)，另一种是约束扭转或称为 弯曲扭转(图3-16b)。 1．自由扭转(pure torsion) 自由扭转：是指截面不受任何约束， 能够自由产生翘曲变形的扭转。 翘曲变形：指杆件在扭矩作用下， 截面上各点沿杆轴方向所产生的位移。
钢索的强度计算,目前国内外均采用容许应力法，按 f 下式进行： N A K ：按恒载(标准值),活载(标准值)、预应力,地震 N 荷载,温度等各种组合工况下计算所得的钢索最 大拉力标准值； K:安全系数。宜取2.5-3.5
k max k
k max
第二节梁的类型与强度
承受横向荷载的受弯实腹式钢构件称为钢梁。当跨 度及荷载较大时，为了节约材料有时也做成格构式的桁 架形式，如屋架等。由于桁架形式的受弯构件，其杆件 主要是受轴心力，故一般可按轴力构件计算。
翼缘剪力流(s自中线自由端，对A、B点为s=0、b)： q=τ t=VxSx/Ix=Vsth/(2Ix)， qA=0, qB=Vbht/(2Ix) 腹板剪力流(s自腹板与翼缘中线交点算起，对B、D点 为s=0、h/2)：
槽钢截面惯性矩为：
上翼缘或下翼缘的剪力流的合力P可由剪应力公式按 s=0～b积分，可得:
M s GIt d d z, I t ht3 / 3
max ຫໍສະໝຸດ M st It2、梁的剪应力 1)薄壁构件的剪力流理论和剪力中心 A.剪力流理论 薄壁构件受弯时的剪应力分布规律：无论是竖向、 水平或双向受弯，截面各点剪应力均为顺着薄壁截面 的中轴线s方向，在与之垂直即壁厚方向的剪应力则很 小可忽略不计；且由于薄壁可假定剪应力τ沿厚度t方 向均匀分布，其大小为: τ=VS/(It)， q=τt=VS/I 其中右式q=τt是沿薄壁截面s轴单位长度上的剪力 (N/mm)。除了需要验算剪应力的情况外，用q=τt一般 更为方便实用。
支承件
2、合理布置隔板
（1）隔板：在支承件两外壁间起连接作用的内壁。
（2）隔板的作用：把作用于支承件局部地区的载荷 传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，提 高支承件的自身刚度。 （3）当支承件不能做成封闭的截形时，则在其内部
设置隔板，以提高自身刚度。设置隔板是提高刚度
的有效方法之一，其效果比增加壁厚更为显著。
由于微观不平，真正接触的只是一些高点。
（3）接触刚度与自身刚度的不同点
①接触刚度Kj (Mpa/um)是平均压强p与变形δ之比。 ②Kj不是一个固定值，δ 与p的关系是非线性的。 当压强很小时，两个面之 间只有少数高点接触，接触 刚度较低。
当压强较大时，这些高点产生了
变形，实际接触面积增加，接触
第一节 支承件应满足的要求和设计步骤
支承件：是机床的基础构件，包括床身、立柱、
横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降 台等。也称为“大件”。 作用：承载 和作为基准。
支承其它机床 零部件，保持 它们的相对位 置，承受各种 切削力等。
二、对支承件的基本要求
1、使用要求 安装其它零部件、排屑畅通、吊运安全。 2、工艺要求 便于制造和装配。
例：设计摇臂钻床支承件的原则
（1）摇臂：
主要是竖直(yz)面内的弯矩M1=Ff· L、绕y轴的扭矩
M2=Ff· e，以M1为主。因此形状选择原则：
① 截面形状应为空心矩形。四周尽量封闭。
② 竖向尺寸应大于横向尺寸。但由于扭矩的存在，
这两个方向的尺寸不宜相差太大。 ③ 摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐 减小，故摇臂的截面也是越靠近根部越大。
20在垂直xz平面内经刀架作用在床身上经工件作用于主轴箱和尾架上的力为f将引起床身在垂直方向的弯矩为mwz的作用点到主轴中心线的距离为d2d工件直径在床身上还作用有扭矩21在水平xy平面内经刀架作用在床身上其反作用力f将引起床身在水平方向的弯矩为mwy由于f的作用点到床身中心轴的距离为h对床身还作用有扭矩
轴的定义与解释
第3章 主轴组件设计
第 3 章 主 轴 组 件 设 计 3.1主轴组件的基本要求 主轴组件的基本要求 3.2主轴轴承的选择与配置 主轴轴承的选择与配置 3.3主轴 主轴 3.4主轴组件的计算 主轴组件的计算 3.5提高主轴组件性能的措施 提高主轴组件性能的措施
第 3 章 主 轴 组 件 设 计
中等精度,转速 —40Cr等合金结构钢,调质,淬火 高精度轴 —轴承钢GCr15,弹簧钢65Mn,调质,淬火 高转速,重载
—20CrMnTi,20Cr,38CrMoAlA 渗碳淬火或氮化
第 3 章 主 轴 组 件 设 计
3.3.3主轴的技术要求 3.3.3主轴的技术要求
主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转 精度.主轴和轴承,齿轮等零件相连接 处的表面几何形状误差和表面粗糙度关 系到接触精度.因此,主轴的技术要求, 应根据专机精度标准有关的项目制定. 具体的技术要求可参阅有关的主轴组件 而确定.
第 3 章 主 轴 组 件 设 计
3.4主轴组件的计算 3.4主轴组件的计算
3.4.1主轴组件计算时支承的简化 主轴组件计算时支承的简化 3.4.2主轴结构参数的确定 主轴结构参数的确定 3.4.3传动件的布置 3.4.3传动件的布置 3.4.4主轴组件的两支承的最佳跨距的计 主轴组件的两支承的最佳跨距的计 算 3.4.5主轴组件采用三支承的跨距的确定 主轴组件采用三支承的跨距的确定 3.4.6主轴组件的刚度校核 主轴组件的刚度校核
第 3 章 主 轴 组 件 设 计 3.4.1主轴组件计算时支承的简化 3.4.1主轴组件计算时支承的简化
如一支承上安装两个轴 承时,对于角接触轴承 采用反装法可以提高其 支承刚度,而支承点应 在前端轴承的接触线与 轴线交点处,如图3.9d所 示. 对于接触角为0的向心轴 承,则支承点在前端一 个轴承中部,如图3.9e所 示.其理由为预紧发生 在前面一列滚子(或滚 珠)与后轴承之间.
第三章主轴支承件
“T”形隔板连接，主 要提高水平面抗弯刚 度，对提高垂直面抗 弯刚度和抗扭刚度不 显著，多用在刚度要 求不高的床身上
“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚
度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显 著
“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较 高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多
温升
热变形表示 5、耐磨性
位置变化量
即长期保持原始制造精度的能力
回转精度好，标志着静态工作精度好
抗振性、热变形小，标志着动态工作精度好 耐磨性好，标志着精度保持性好
二、主轴组件结构设计
1、结构要求 • 主轴的可靠定位，工件装夹定位可靠 • 保证长期可靠运转 • 结构工艺性好，拆装方便
2、结构布局
图3-71 美国超精密车床球轴承主轴组件 转速为200r/min时，主轴径向摆振0.03um，轴向串动0.01um， 径向刚度25N/um，轴向刚度80N/um，用金刚石刀具加工铝和紫铜零 件时可以获得表面最大不平度高度为0.01—0.02um的镜面。
五、提高主轴组件性能的措施
提高精度。 控制温升、提高转速、减小热变形 改善动态特性 • 使主轴组建的固有频率避开激振频率 • 调整前轴承的阻尼 • 采用三支承 • 采用消振装置
减少热变形的措施：
措施2 采用低摩擦系数的导轨和轴承 ——采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承 ② 控制温升
通过散热的方法
③ 改善机床结构 措施1 采用对称设计
措施2 使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上
措施3 采用排屑系统 ④ 进行热变形补偿
冷却风管
主轴
对机床热源进行强制冷却
支承件设计PPT课件
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表 第三章 支承件设计
3—1
截 • 第二节 支承件的静刚
面
度与结构设计
形 状
•
一、支承件的静刚度
与
抗
扭
惯
性
矩
关
系
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
转刚度。
Hale Waihona Puke （4）主轴箱和尾架对床身作用有较大的弯矩，因此床身两
端，特别是主轴箱一端，应注意提高其刚度。
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
（1）支承件的变形一般包括三部分：自身变形、局部变形和 接触变形。 （2）对于床身，载荷是通过导轨面施加到床身上的。变形应 包括床身自身的变形、导轨的局部变形以及导轨表面的接触 变形。 （3）局部变形和接触变形不可忽略，有时甚至占主导地位。
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第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度 2. 抗振性 3. 热变形 4. 内应力 5. 其它
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第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度
（1）所谓刚度是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵 抗变形的能力。
（2）前者称为静刚度，后者称为动刚度。
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
1. 提高支承件自身刚度
《机械制造技术基础》第三章《机械制造技术基础》车削加工基础知识-PPT课件
§3-4 卧式车床的几个主要结构
超越离合器
（1）机动进给时传递由光杠传来的用于进给的低速运动； （2）快移时可以不要脱开进给链。
§3-4 卧式车床的几个主要结构
安全离合器
在进给链中设置的过载保险装置，防止进给力过大 或刀架移动受阻时机件被损坏。
§3-5 其他类型车床及其加工范围
滑鞍转塔车床
ZⅠ-Ⅱ 、 Z’Ⅰ-Ⅱ ——轴Ⅰ和轴Ⅱ 之间相啮合的主动齿
轮和从动齿轮齿数。
§3-3 卧式车床及其传动
2、进给运动传动链
两个末端件分别是主轴和刀架，其功用是使刀架实现纵向 或横向移动及变速与换向。
A. 螺纹进给传动链
• 可以车削左旋和右旋的公制、英制、模数制和径节制四种标 准螺纹。
• 主轴转1r —— 刀具移动L mm
45 48
i基 ＝ 67 .5， 7 7， 7 8， 7 9， 97 .5， 17， 0 1 7， 1 172
是一个等差数列，该变速机构称 为基本组。
i倍＝81，14，12，1
是个等比数列，称为增倍组。
§3-3 卧式车床及其传动
车削公制螺纹（右旋）的运动平衡式为:
53 86 31 30 20 523 56
§3-3 卧式车床及其传动
挂轮的换置公式为：
§3-3 卧式车床及其传动
§3-3 卧式车床及其传动
B.纵向和横向进给传动链
§3-3 卧式车床及其传动
f纵=1×58/58×33/33×63/100×100/75×25/36 ×u基×25/36 ×36/25 ×u倍×28/56 ×36/32×32/56×4/29×40/30×30/48×28/80×π×2.5 ×12=0.71 u基u倍 mm/r f横=1×58/58×33/33×63/100×100/75×25/36 ×u基×25/36 ×36/25 ×u倍×28/56 ×36/32×32/56×4/29×40/30×30/48×59/18×5 mm/r
机械制造装备设计第三章习题答案
第三章典型部件设计1.主轴部件应满足那些基本要求？答：主轴部件应满足的基本要求有旋转精度、刚度、抗振性、温升热变形和精度保持性等。
主轴的旋转精度是指装配后，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。
主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义，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。
主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。
主轴部件的振动会直接影响工件的表面加工质量，刀具的使用寿命，产生噪声。
主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力，必须提高其耐磨性。
2.主轴轴向定位方式有那几种？各有什麽特点？适用场合答：（1）前端配置两个方向的推力轴承都分布在前支撑处；特点：在前支撑处轴承较多，发热大，升温高；但主轴承受热后向后伸，不影响轴向精度；适用场合：用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。
（2）后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支撑处；特点：发热小、温度低，主轴受热后向前伸长，影响轴向精度；适用范围：用于普通精度机床、立铣、多刀车床。
（3）两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支撑处；特点：这类配置方案当主轴受热伸长后，影响轴承的轴向间隙，为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀；适用范围：用于短主轴，如组合机床。
（4）中间配置两个方向的推力轴承配置在前支撑后侧；特点：此方案可减少主轴的悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，但前支撑结构复杂，温升可能较高。
3.试述主轴静压轴承的工作原理答：主轴静压轴承一般都是使用液体静压轴承，液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。
静压轴承由供油系统供给一定压力油，输进轴和轴承间隙中，利用油的静压压力支撑载荷、轴颈始终浮在压力油中。
所以，轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。
第三章 2支承件及导轨(新)
（一）自身刚度
自身刚度——支承件抵抗自身变形的能力。 如：摇臂钻床摇臂和普通车床床身的受力和变形。
自身刚度——主要为弯曲刚度和扭转刚度。
自身刚度——取决于支承件材料、构造、形状、尺寸和隔板 的布置等。
（二）局部刚度
局部刚度——抵抗局部变形的能力。 局部变形——发生在载荷较集中的局 部结构处。 局部刚度取决于——受载部位的构造 、尺寸及筋的配置。 例如，导轨与伸出床壁外面部分的弯 曲变形；
பைடு நூலகம்
普通机床为6点
并使接触点均匀分布 固定结合面配磨时，表面粗糙度值应小于Ra1.6
（三）提高接触刚度
（2）以固定螺钉连接时：通常应使接触面间的平均预压压强 不得小于2MPa，以消除表面微观不平度的影响，并据此确定固 定螺钉的直径、数量、布置位置以及拧紧螺钉时施加的力。 不能用活扳手来拧紧螺钉 用测力扳手 决定固定螺钉的直径、数量、 距离、以及拧螺钉时的力矩
(二)支承件的截面形状和选则
结论：为提高支 承件刚度，支承 件的截面应是中 空形状，尽可能 加大截面尺寸， 在工艺可能的前 提下壁厚尽量薄 一些。当然壁厚 不能太薄，以免 出现薄壁振动。
(二)支承件的截面形状和选则
2. 圆(环)形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低 结论： 以承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形，并以其高度方 向为受弯方向； 以承受扭短为主的支承件的截面形状应取圆(环)形。 3. 封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚 度。 结论：设计时应尽可能把支承件的截面作成封闭形状 有时为了排屑和在床身内安装一些机构的需要，不能作成全封 闭形状。
（一）功用
支承机床各部件； 承受切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力 保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨 迹的准确关系。 内部空间可存放切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机
机械制造技术基础(第2版)第三章课后习题答案
《机械制造技术基础》部分习题参考解答第三章机械制造中的加工方法及装备3-1 表面发生线的形成方法有哪几种？答：(p69—70）表面发生线的形成方法有轨迹法、成形法、相切法、展成法。
具体参见第二版教材p69图3-2。
3—2 试以外圆磨床为例分析机床的哪些运动是主运动，哪些运动是进给运动？答：如图3-20（p87),外圆磨削砂轮旋转n c是主运动，工件旋转n w、砂轮的横向移动f r、工作台往复运动f a均为进给运动。
3—3机床有哪些基本组成部分？试分析其主要功用.答:（p70-71）基本组成部分动力源、运动执行机构、传动机构、控制系统和伺服系统、支承系统。
动力源为机床运动提供动力；运动执行机构产生主运动和进给运动；传动机构建立从动力源到执行机构之间的联系；控制和伺服系统发出指令控制机床运动;支承系统为上述部分提供安装的基础和支承结构.3-4什么是外联系传动链？什么是内联系传动链？各有何特点？答：外联系传动链：机床动力源和运动执行机构之间的传动联系。
如铣床、钻床传动链；内联系传动链：执行件和执行件之间的传动联系。
如车螺纹、滚齿的传动链.外联系传动链两端没有严格的传动关系，而内联系传动链两端有严格的传动关系或相对运动要求。
3—5 试分析提高车削生产率的途径和方法.答:(p76）提高切削速度；采用强力切削，提高f、a p；采用多刀加工的方法。
3—6 车刀有哪几种？试简述各种车刀的结构特征及加工范围.答:（p77）外圆车刀(左、右偏刀、弯头车刀、直头车刀等)，内、外螺纹车刀，切断刀或切槽刀，内孔车刀（通孔、盲孔车刀、）端面车刀、成形车刀等。
顾名思义，外圆车刀主要是切削外圆表面；螺纹车刀用于切削各种螺纹；切断或切槽车刀用于切断或切槽;内孔车刀用于车削内孔;端面车刀切断面；成形车刀用于加工成形表面。
3—7试述CA6140型卧式车床主传动链的传动路线.答：（p82）CA6140型卧式车床主传动链的传动路线:3-8 CA6140型卧式车床中主轴在主轴箱中是如何支承的? 三爪自定心卡盘是怎样装到车床主轴上去的?答：（p83—84）3-9CA6140型卧式车床是怎样通过双向多片摩擦离合器实现主轴正传、反转和制动的?答:如教材图3-17和3—18所示，操纵手柄向上,通过连杆、扇形齿块和齿条带动滑套8向右滑移,拨动摆杆10使拉杆向左，压紧左边正向旋转摩擦片，主轴实现正转；若操纵手柄向下,通过连杆、扇形齿块和齿条带动滑套8向左滑移,拨动摆杆10使拉杆向右，压紧右边反向旋转摩擦片，主轴反转。
17支承件
20
三、支承件的受力分析
精密和高精度机床——以精加工为主，切削力较小 载荷以移动件的重力和热应力为主 例如双柱立式坐标镗床，分析横梁受力和变形时，主要考虑 主轴箱从横梁的一端移至中部，引起的横梁弯曲和扭转变形。
大型机床——工件重，切削力较大，移动件的重量也较大 载荷必须同时考虑工件重力、切削力和移动件的重力。 例如重型车床、落地镗铣床和龙门式机床等。
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二、 支承件应满足的基本要求
3）静刚度-接触刚度
两个平面相接触时，由于平面的宏观不平度和微观 不平度，所以只是一些高点相接触
支承件各接触面抵抗接触变形的能力——接触刚度
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二、 支承件应满足的基本要求
接触刚度与自身刚度的区别 接触刚度是平均压强与变形之比Kj ,即 Kj=p/δ
Kj 不是一个固定值，δ 与p的关系是非线性的
正确选择截面的形状和尺寸
支承件主要是承受力矩、
扭矩以及弯扭复合载荷
自身刚度主要考虑 —— 弯曲 刚度和扭转刚度 在弯、扭载荷作用下，支 承件的变形与截面的抗弯 惯性矩和抗扭惯性矩有关。 材料和截面积相同而形状 不同时，截面惯性矩相差 很大。
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四、支承件的结构设计
（1）截面积相同时：空心大于实心 （2）方形截面的抗弯刚度高于圆形截面 抗扭刚度则较低 （3）不封闭截面比封闭的截面刚度显著下降，特别是抗 扭刚度
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二、 支承件应满足的基本要求
2．良好的动态特性 较高的静、动刚度、固有频率，与其它部件相配合， 使整机的各阶固有频率不致与激振频率重合而产生 共振； 较大的阻尼，抑制振动的振幅； 薄壁面积应小于400mm×400mm，避免薄壁振动，不 会发生薄壁振动而产生噪声等。
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二、支承件应满足的基本要求
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该图是采用圆锥滚子轴承的主轴部件， 结构比采用双列短援助滚子轴承简化，承载能 力和刚度比角接触球轴承高。但是因为圆锥滚 子轴承发热大、温升高，允许的极限转速要低 些。适用于载荷较大、转速不太高的普通精度 的机床主轴。
3、速度刚度型 • 适用于径向刚度好、并有较高的转速场合
前支承采用：角接触推力球轴承 后支承采用：双列短圆柱滚子轴承 该类主轴动力从后端传入
三支承主轴虽然提高主轴组件的刚度，但增加了零件，并使支座孔的
加工困难，应尽量少采用。
四、其他形式主轴
1.密珠主轴
图3-67 小模数渐开线齿形仪轴系
图3-68 精密分度头主轴系统
2.液体静压主轴
图3-69 磁盘车床主轴系统 主轴轴向串动0.2um
3.气体静压主轴
图3-70 空气静压转台双半球主轴系统 球的形状误差在亚微米级，空载回转精度0.01um
其中： I1 为两支承间的截面惯性矩 I 2 为悬伸部分的截面惯性矩 K1、K2分别为前、后支承的刚度
图3-62
• 提高主轴刚度的措施
合理选择L/a 增大轴的直径 缩短主轴悬伸长度a 提高轴承刚度 • 主轴上传动件的布置
图3-63
图a:主轴前端受切削力Fc后端受传动力Ft，前端变形不能抵消 图b:主轴前端受切削力Fc和传动力Ft ，前端变形部分抵消
3.8 主轴组件设计
主轴组件（或主轴轴系）是机电一体化产品主要装置之一，其主要作 用是支承带动旋转件（工件、刀具等）传递转矩和运动。 主轴组件组成：轴、轴承、传动件、密封件、定位件等。
一、主轴组件设计基本要求
1、回转精度 用径向跳动、端面跳动、轴向窜动的大小即误差表示
轴向漂移 角向漂移 影响回转精度的因素：加工误差、装配误差、受力变形、滚动体误差等
2、刚度型
• 适应于中等转速、切削负载较大、刚度要求高的主轴 前支承采用 双列短圆柱滚子轴承 径向载荷 60°角接触双列调心推力球轴承 轴向载荷
后支承采用：双列短圆柱滚子轴承 该类主轴轴径大，主轴刚度高
这种轴承配置的主轴部件，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、镗削主轴单元等。
温升
热变形表示 5、耐磨性
位置变化量
即长期保持原始制造精度的能力
回转精度好，标志着静态工作精度好
抗振性、热变形小，标志着动态工作精度好 耐磨性好，标志着精度保持性好
二、主轴组件结构设计
1、结构要求 • 主轴的可靠定位，工件装夹定位可靠 • 保证长期可靠运转 • 结构工艺性好，拆装方便
2、结构布局
• 当主轴长度较大大时，增加中间支承（第三支承）有利于提高刚度和抗 振性。 矛盾：受制造工艺限制，三个支承座孔中心完全一致是困难的 解决方法：采用两个支承（其中一个为前支承）起主要作用，另一个支承 （为中间支承或后支承）起辅助作用即浮动状态。
图3-67
辅助支承选用：刚度和承载能力较小的承，且外圈与支座孔的配合比主 要支承松1～2级。 前、中支承为主要支承：传动力对主轴作用点靠近中支承 前、后支承为主要支承：传动力对主轴作用点靠近后支承 统计表明：80%以上的三支承主轴采用前、中支承为主要支承
2、刚度 在外加负载作用下，主轴抵抗变形的能力。定义式为： 静态外力 转矩
形位精度 影响加工精度 表面粗糙度 刚度不足的不良影响 影响传动质量 影响工作平稳性
径向漂移
K = DF / Dy K = DM / Dq
或
3、抗振性
产生原因 4、热变形
强迫振动：外部引起，如联接方式、受力方向、运动均匀性等 自激振动：在工作过程中本身引起并维持
支承件的设计原则
• • •
选择有利的截面形状 空心结构比实心结构的刚度大，可加大横截面。 采用圆截面提高抗扭刚度，采用正方形提高抗弯刚度。 采用封闭截面，提高抗扭刚度 设置隔板和加强筋 提高连接处的局部刚度和接触刚度 提高阻尼：改善抗振性
图3-71 美国超精密车床球轴承主轴组件 转速为200r/min时，主轴径向摆振0.03um，轴向串动0.01um， 径向刚度25N/um，轴向刚度80N/um，用金刚石刀具加工铝和紫铜零 件时可以获得表面最大不平度高度为0.01—0.02um的镜面。
五、提高主轴组件性能的措施
提高精度。 控制温升、提高转速、减小热变形 改善动态特性 • 使主轴组建的固有频率避开激振频率 • 调整前轴承的阻尼 • 采用三支承 • 采用消振装置
承受较大传动力
图3-66
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，承受主要的轴相力；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，以提高承受颠覆 力矩的刚度。如卧式铣床的主轴要求径向刚度好、有 较高转速。
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4、三支承主轴
3.9支承件设计
支承件：床身、立柱、横梁、底座、刀架、工作 台、箱体等 一、支承件设计要求 有足够的刚度 足够的抗振性 具有较小的热变形和热应力 耐磨性 结构工艺性
支承件的静刚度和形状选择原则
支承件变形：自身变形、局部变形、接触变形
自身刚度：拉压、弯曲、扭转。（材料、形状、尺寸、 肋板的布置） 局部刚度：发生在载荷集中地方（如导轨）， 接触刚度：和自身刚度、局部刚度有关；
图c、d:主轴前端受切削力Fc,两支承间受传动力Ft
力同向，前支承承载大 力反向，前支承受力小
主轴上传动件一般装在主轴支承之间，如图c、d 为了减少弯曲和扭转变形，传动件尽量靠近主轴前支承处；当有两个传动 件时，传递转矩大的更应靠近主轴前支承。
三、几种典型的主轴配置形式
1、速度型
角接触球轴承具有良好的高速性能，但 它的承载能力较小，因而适用于高速轻载或精 密机床，如高速镗削单元、高速CNC车床等。
• 主轴前后支承间的跨距 跨距是决定主轴组件刚度的重要因素之一 主轴端部位移（挠度）y由两部分组成：
y = y1 + y 2
y1 : 弹性主轴位移（刚性支承） y2 : 刚性主轴位移（弹性支承）
Fa 3 I1 L y1 = ( + ) 3EI1 I 2 a a a = F [ K1 (1 + ) 2 + K 2 ( ) 2 ] y2 L L