10-主轴组件

4、温升和热变形
热变形： 指机床工作时，各相对运动处的摩擦和搅油，其损 耗的能量转化为热，造成温升，使主轴组件在形状和位 置上产生的畸变。 造成影响： 温升使润滑油的粘度下降，使润滑脂熔化流失，影 响轴承的工作性能；温升产生热变形，使主轴伸长，轴 承间隙变化；主轴箱的热膨胀使主轴偏离正确位置；如 果前后轴承温度不同，还将使主轴倾斜。 影响因素 轴承的类型、配置及间隙的调整方式;润滑和密封 方式;散热条件。轴承的温升与转速有关。国标规定了 轴承允许的温升、最高温度。
前轴承对主轴组件的影响较大， 故前轴承的精度应选得高一些。 前轴承受的载荷较大，容易变形影响加工精度，同
时，前轴承对主轴前端变形的影响比后轴承大。
前后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。
（a）当前轴承轴心有δa的偏 移量，后轴承偏移量为0时， 反映到主轴端部轴心的偏移 为：
（b）当后轴承轴心有δb的偏 移量，前轴承偏移量为0时， 反映到主轴端部轴心的偏移 为：
5.3 主 轴
主轴的主要设计内容 选定结构形状； 确定支承数目及结构尺寸； 选择材料及热处理方法； 制定技术条件和进行必要的验算等。
一、主轴的结构形状
选定主轴的结构形状必须满足：
使用要求、结构要求和加工装配要求等。 使用要求包括： 主轴头部、尾部（1：20锥孔）和内孔等。
2、滚动轴承的预紧
预紧（预载荷）： 使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量。 适当预紧的作用 ： 提高滚动轴承的精度、寿命、刚度 。
预紧对滚子轴承的刚度的提高是不明显的；
对滚珠轴承的刚度的提高是明显的。 过度预紧，由于滚动体和滚道的变形太大，将提高温升和降 低寿命。 因此，必须根据载荷和转速，正确地选择预紧。
c、圆柱定心，螺纹压爪紧固
装卸比较方便，但定心直径 有间隙，定心精度低，悬伸长， 当主轴迅速制动时，盘有自动 松脱的可能，必须有防护装置。
2、为了提高刚度，主轴的直径应尽量大一些，悬伸量（前轴承 至主轴前端面的距离）应尽可能地小些。 3、为便于装配，主轴常制成阶梯形的。 4、为了不使主轴的刚度受太大的影响，主轴内孔直径不宜超过 外径的70%。（D/d≤0.7）
5、耐磨性
指长期保持其原始精度的能力，即精度保持性。
影响耐磨性的因素 材料、热处理、轴承（或衬套）类型、润滑方式等。 提高耐磨性的措施 易磨损的部位应淬硬。
要求高的，应用氮化钢，并经氮化处理。
二、结构上的要求
1、定位可靠（承受径向、轴向载荷轴承）
2、长期运转（精度、寿命）
3、标准设计（头部） 4、工艺性好（加工、间隙量控制方式 （如：双列圆柱滚子轴承） 用控制装置。 用螺母控制（图10-12）。 用剖分式调整垫圈控制。 轴向预紧轴承的间隙量控制方式（如：角接触球轴承） 修磨轴承内圈。 采用内、外隔套（图10-10、11） 。 用控制装置。 弹簧预紧。
影响主轴组件静刚度因素：
• 主轴的尺寸、形状; • 滚动轴承型号、数量、预紧 和配置形式； • 前后支承的距离； • 主轴前端的悬伸量等。
3、抗振性
指主轴受到交变切削载荷时，能够平稳地运转而不 发生振动的能力。 造成影响 影响工件的表面质量； 刀具耐用度； 主轴轴承寿命； 产生噪声。
影响因素
主轴组件的静刚度； 质量分布（重心偏移）； 阻尼(特别是主轴前轴承的阻尼)。 主轴的固有频率应远大于激振力的频率，使它不易发生共振。
后端定位：
后端定位
3) 两端定位：承受轴向力的轴承装在前后支承。 主轴受热伸长时将产生轴向松动。只适用于较 短的轴。 两端定位： 两端定位
四、主轴滚动轴承的精度
主轴轴承的精度：
P2（旧B）、P4（旧C）、P5 （旧D）、
P6（旧E）、 P0（旧G）五级，又规定了 SP级和UP级作为补充。 P0级轴承设计时一般不用。
第5章 主轴组件
机床构造与设计
主要内容
主轴组件的设计要求； 主轴滚动轴承、滑动轴承的选择设计； 主轴组件的设计计算； 提高主轴组件性能的一些措施。 要求：掌握主轴组件的设计方法
机床主轴
机床主轴是机床在加工时直接带动刀具或工件 进行切削和表面成形运动的旋转轴。
主轴组件的组成
（3）双向推力角接触球轴承
承受轴向载荷。 接触角α越小，允许的转速越高，但轴向刚度越低。 修磨隔套6的厚度就能消除间隙和预紧。
（4）深沟球轴承
承受径向载荷； 不能调整间隙； 常用于精度和刚度要 求不太高的地方，如 钻床主轴。轴向载荷 则由配套的推力轴承 承受 。
（5）圆锥滚子轴承
机床支承件承受。
轴承配置时，除选择轴承的类型不同外， 推力轴承的配置是主要差别，布局方式主要有： 1) 前端定位：承受轴向力的轴承装在前支承。 主轴受热后，向前伸长最小，结构复杂。 设计精密卧式车床的两支承主轴组件常采用。 承受轴向力轴承配置简图
前端定位：
前端定位
2) 后端定位：承受轴向力的轴承装在后支承。 主轴受热后，向前伸长大，结构简单。 设计普通卧式车床的两支承主轴组件常采用。
1）滚动轴承的间隙量
最佳间隙量（或最佳预加载荷量）应考虑机床的 工作条件和轴承类型并根据试验和生产经验加以确定， 一般原则是： 高速、轻载或精密机床主轴组件，间隙量可大些，以减 少轴承的发热和磨损。 中低速、重载或普通精度级机床主轴组件，间隙量可小 些。 预紧量应根据试验和生产经验适当地选择。
5.2 主轴轴承选择和滚动轴承
一、主轴轴承的选择
滚动轴承
机床主轴轴承类型 滑动轴承
1 滑动轴承
在滑动摩擦下工作的轴承。
应用场合 一般在低速重载工况条件下. 或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部位。
2 滚动轴承
将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦， 从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。
如车床和加工中心主轴。 （磨床主轴）
（1）角接触球轴承
为了提高刚度和承载能力，可以多个组合。
其中以背靠背组合为佳（轴向组合将使过盈量减少）。
角接触球轴承的预紧
在轴向力Fa0的作用下，使内、外圈产生轴向错
位可实现预紧。称为轴向预紧。
轴承厂在内圈（背
靠背组配）或外圈 （面对面组配）的端 面根据预紧力磨去δ。 装配时挤紧，就可得
注意事项
（1）调整螺母采用细牙螺纹，易于微量调节，
自锁性好。
（2）调整螺母应有防松措施。
（3）螺纹的中心应与主轴的中心重合。
（4）同一支承处有不同类型的轴承时，应用多个
螺母分别调整。
三、主轴滚动轴承的配置
大多数机床主轴采用两个支承,也有用三支承。 配置时应注意： 每个支承点都要承受径向力; 两个方向的轴向力应分别有相应的轴承承受； 径向力和两个方向的轴向力都应传递到箱体上，即负荷都由
1、主轴头部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保 证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，装夹可靠、牢固， 而且装卸方便。 目前，主轴的头部形状已标准化。
常见车床主轴头部结构形式
a、短锥定心，法兰螺栓紧固，端面键传递扭矩。
特点：悬伸短，定心精度比较高，刚度好，主轴制动时 不会松脱，装卸快速，但制造困难，使用广泛。 b、长锥定心，螺纹紧固，单键传递扭矩。 特点：采用长锥增加了定心的稳定性，但悬伸仍较长。
影响旋转精度的因素：
各主要件(主轴、轴承、壳体孔等)的制造、装配和调整精度。
工作转速下旋转的精度
• （1）通常讲的旋转精度是在无载荷、低速转动的条件下。 • （2）当主轴以工作转速旋转时，由于润滑油膜的产生和不平 衡力的扰动，旋转精度将有所变化。这个差异，对于精
密和高精度机床，是不可忽略的。
• （3）工作转速下旋转的精度，影响因素还有：主轴的转速、 轴承的设计和性能，润滑剂和主轴组件的平衡。
4 滚动轴承的缺点是：
(1) 滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋转中的径向刚度
是变化的。这是引起振动的原因之一。
(2) 滚动轴承的阻尼较低。
(3) 滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大 。
5主轴轴承的选用原则
（1）一般情况下应尽量采用滚动轴承。 特别是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以 避免漏油。 （2）加工表面粗糙度数值较小，主轴是水平的机床 （如外圆和平面磨床、高精度车床等）才用滑动轴承。 （3）主轴前支承用滑动轴承，后支承和推力轴承用滚动轴 承。 主轴组件的抗振性主要决定于前轴承，因此，采用这种 结构，可提高主轴的抗振性。
到预定的预紧力。
（2）双列圆柱滚子轴承

只能承受径向载荷。 内孔为1：12的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合。 多用于载荷较大、刚度较高，中等转速的地方。
双列圆柱滚子轴承的预紧
这种轴承是靠内孔的锥面，轴向移动内圈,使内圈径向胀 大实现顶紧的，称为径向预紧。 衡量预紧的，是滚子包络圆直径D2，与外圈滚道直径D1 之差△=(D2-D1)。△称为径向预紧量或简称“预紧量”， 单位为um。 预紧量略大于 所受载荷下的 变形量。
6 主轴滚动轴承的主要设计内容
• • • • • •
类型的选择与配置； 精度及其选配； 间隙调整； 支承座的结构； 轴承的配合及配合零件的精度； 轴承的润滑与密封等。
二、机床主轴常用滚动轴承种类
（1）角接触球轴承
25 °接触角常用于轴向载荷较大地方 接触角越大，轴向承载能力越大。 °接触角多用轴向载荷较小转速较高的地方 特点： 15 既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。 角接触球轴承多用于高速主轴。
二、主轴的材料和热处理
1、主轴的材料，主要应根据耐磨性、热处理方法、热处理后的 变形选择。 2、主轴常用材料
① 普通机床的主轴，主要为提高强度和韧性。采用45钢，调 质T235到220-250HBS左右；主轴头部的锥孔、定心锥面、 轴颈等部位高频淬硬至50-55HRC。