第三章 典型部件设计(3.1)

3.1.2主轴部件的传动方式
同步齿形带的齿形有两种：梯形齿和圆弧齿。圆弧齿形受力合理， 较梯形齿同步带能够传递更大的扭矩。 同步齿形带无相对滑动，传动比准确，传动精度高； 厚度小、重量轻、传动平稳、噪声小,适于高速传动，传动效率高；
不需要润滑， 耐水耐腐蚀， 能在高温下工 作，维护保养 方便；传动比 大，可达1：10 以上。 缺点是制造工 艺复杂，安装 条件要求高。
3.1.2主轴部件的传动方式
1．齿轮传动 齿轮传动的特点是结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩， 能适应变转速、变载荷工作，应用最广。它的缺点是线速 度不能过高，通常小于12～15m／s，不如带传动平稳。 2．带传动 由于各种新材料及新型传动带的出现，带传动的应用日益 广泛。常用有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等。 特点是靠摩擦力传动(除同步齿形带外)、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 传动在过载中会打滑，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。
多数机床的主轴采用前、后两个支承。这种方式结构简 单，制造装配方便，容易保证精度。为提高主轴部件的 刚度，前后支承应消除间隙或预紧。 机床主轴采用三个支承，为提高刚度和抗振性。三支承 方式对三支承孔的同心度要求较高，制造装配较复杂。
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；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助 支承。 在三支承主轴部件中，采用前、中支承为主要支承较多。
第三章 典型部件设计
3.1 主轴部件设计
3.1.1 主轴部件应满足的基本要求 3.1.2 主轴部件的传动方式 3.1.3 主轴部件结构设计 3.1.4 主轴用滚动轴承 3.1.5 主轴用滑动轴承
3.1.1主轴部件应满足的基本要求
1.旋转精度：主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、 空载时，主轴前端定位面的径向跳动、端面跳动和轴向 窜动值。 2．刚度：主轴部件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗 变形的能力，即K=F／y(单位为N／Pm)，刚度的倒数言 称为柔度。 3．抗振性：主轴部件的抗振性是指其抵抗受迫振动和 自激振动而保持平稳运转的能力。 4．温升和热变形：主轴部件工作时由于摩擦和搅油等 耗损而产生热量，出现温升。温升使主轴部件的形状和 位置发生畸变，称之为热变形。 5．耐磨性：主轴部件的耐磨性是指长期保持其原始精 度的能力，即精度的保持性。
3.1.3主轴部件结构设计
（三）主轴传动件位置的合理布置 •传动件放在两个支承中间 靠近前支承处，受力情况较 •传动件放在主轴前悬伸端， 好，用得最为普遍； •驱动主轴的传动轴位置 主要用于具有大转盘的机床， 的合理布置 如立式车床、镗床等，传动齿 轮直接安装在转盘上。 •应尽可能将该驱动轴布 置在合适的位置，使驱动 •传动件放在主轴的后悬伸端， 力引起的主轴变形可抵消 较多地用于带传动，为了更 一部分因切削力引起的主 换传动带方便，如磨床。 轴轴端精度敏感方向上的 位移。
3.ຫໍສະໝຸດ Baidu.3主轴部件结构设计
（二）推力轴承位置配置型式 •两个方向的推力轴承都布置 在前支承外。 •两个方向的推力轴承配置 在前支承的后侧。 •在前支承处轴承较多，发热 •两个方向的推力轴承都布置 大，温升高；但主轴受热后 •这类配置方案可减少主轴 •两个方向的推力轴承分别 在后支承处。 向后伸长，不影响轴向精度， 的悬伸量，并使主轴的热膨 布置在前后两个支承处。 精度高，对提高主轴部件刚 •前支承处轴承较少，发热小， 胀向后；但前支承结构较复 •主轴受热伸长后，影响主 度有利。 温升低；但是主轴受热后向 杂，温升也可能较高。 轴轴承的轴向间隙。为避免 前伸长，影响轴向精度。 •用于轴向精度和刚度要求较 松动，可用弹簧消除间隙和 高的高精度机床或数控机床。 •用于轴向精度要求不高的普 补偿热膨胀。 通精度机床，如立铣、多刀 •常用于短主轴，如组合机 车床等。 床主轴。
3.1.5 主轴滑动轴承
（一）液体动压滑动轴承
动压轴承依靠主轴以较高的转速旋转时，带着润滑油从 间隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔而将主轴浮起， 产生压力油膜以承受载荷。 图为固定 多油楔轴承 的结构。 主轴按箭 头方向旋转 时，五个油 楔便有相应 的油压分布.
优点：承载能力高；旋转精度高；
3.1.4 主轴滚动轴承
（3）密封：
作用是防止冷却液、切削灰尘、杂质等进入轴承，并使 润滑剂无泄露地保持在轴承内，保证轴承的使用性能和 寿命。 密封的类型主要有非接触式和接触式密封两大类。 非接触式又分为间隙式、曲路式和垫圈式密封。
接触式可分为径向密封圈和毛毡密封圈。
选择密封形式时，应综合考虑如下因素：轴的转速、轴 承润滑方式、轴端结构、作温度、轴承工作时的外界环 境等。
典型的主轴部件
典型的主轴部件
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
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。 预紧有径向和轴向两种。 预紧力通常分为三级：轻 预紧、中预紧和重预紧， 代号为A、B、C。轻预紧适 •双列短圆柱滚子轴承的预紧有两种方式：一种 用于高速主轴，中预紧适 是用螺母轴向移动轴承内圈，因内圈孔是1：12 的锥孔，使内圈径向涨大，而实现预紧； 用于中、低速主轴；重预 •另一种如图3—69所示，用调整环1的长度实现 紧用于分度主轴。 预紧，采用过盈套进行轴向固定。
3.1.5 主轴滑动轴承
(二)液体静压轴承
油膜有均化误差的作用，可提高加工 精度；抗振性好；运转平稳；既能在 极低转速下工作，也能在极高转速下 工作；摩擦小，轴承寿命长。 缺点：需要一套专用供油设备，轴 承制造工艺复杂、成本较高。
3.1.5 主轴滑动轴承
(三)气体静压轴承
也称为气浮轴承或空气轴承。摩擦小，功率损耗小，在极高转速 或极低温度下工作，振动、噪声特别小，旋转精度高，(一般 0．1Pm以下)，寿命长，基本上不需要维护，用于高速、超高速、 高精度机床主轴部件中。
具有径向圆柱与平
面止推型轴承的主轴 部件，图示的CUPE高 精度数控金刚石车床 主轴，采用内装式电 子主轴，电动机转子 就是车床主轴。
3.1.5 主轴滑动轴承
(三)气体静压轴承
此种轴承的特点是气体轴承的两球心连线就是机床主 轴的旋转中心线，它可以自动调心，前后轴承的同心 性好。
3.1.4 主轴滚动轴承
一.常用滚动轴承类型 主轴部件中最重要 的组件是轴承。 对主轴轴承的要求 是旋转精度高、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
• 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。
3.1.4 主轴滚动轴承
四.主轴滚动轴承的预紧
•将一对轴承的内圈侧面 •是在两轴承内外圈之间 各磨去按预紧量确定的厚 分别装入厚度差为2占的 •是用弹簧自动预紧图示的 度，当压紧内圈时即可得 两个短套来达到预紧目的 一对轴承。 到设定的预紧量。
3.1.4 主轴滚动轴承
五.滚动轴承的润滑和密封 (1)润滑脂：是由基油、稠化剂和添加剂(有的不含添加 剂)在高温下混合而成的一种半固体状润滑剂。如锂基 脂、钙基脂，高速轴承润滑脂等。 特点是粘附力强、油膜强度高、密封简单，不易渗漏， 长时间不需更换，维护方便。但摩擦阻力比润滑油略大。 常用于转速不太高、又不需冷却的场合。特别是立式主 轴或装在套筒内可以伸缩的主轴，如钻床、坐标镗床、 数控机床和加工中心等。 润滑脂不应过多填充，以免因搅拌发热而融化、变质失 去润滑作用。，润滑脂填满轴承空隙的1／3～1／2效果 最好。在一定时期内补充和更换。
3.1.3主轴部件结构设计
（四)主轴主要结构参数的确定
•一般按机床类型、 主轴传递的功率 或最大加工直径， 选取D1。车床和 铣床后轴颈的直 径D2：(0.7～ 0.85)Dl。
•很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。一般 •主轴前端悬伸量d是指主轴前端面到前轴承径向反力 •存在一个最佳跨距上L0。在该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变 应保证d／D<0.7。 作用中点(或前径向支承中点)的距离。 形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般取L。＝(2～3.5)d。 •如车床主轴内孔用来通过棒料或安装送夹料机构；铣床主 •由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响 •1)L合理＝(4—5)D1 轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆等等为不过多地削弱主轴的 很大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量 2)L合理＝(3—5)a，用于悬伸长度较小时，如车床、铣床、外等。 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 缩短该悬伸量。 3)L合理＝(1～2)a，用于悬伸长度较大时，如镗床、内圆磨床等。 ％—60％；铣床主轴孔径d可比刀具拉杆直径大5—10mm。
3.1.2主轴部件的传动方式
• 3.电动机直接驱动方式 • 电动机转子轴就是主轴，电动机座就是机床主轴单元的 壳体。主轴单元大大简化了结构，有较宽的调速范围； 有较大的驱动功率和扭矩；便于组织专业化生产。 广泛地用 于精密机 床、高速 加工中心 和数控车 床中。
3.1.3主轴部件结构设计
（一）主轴部件的支承数目
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。
3.1.4 主轴滚动轴承
(2)润滑油：润滑油的种类很多，转速越高，选的粘度越 低；负荷越重，粘度应越高。 当dn值较低时，可用油浴润滑。 当dn值略高一些，可用滴油润滑。 当dn值较高时，采用循环润滑，由油泵将经过过滤的润 滑油输送到轴承部位，润滑后返回油箱。经过滤、冷却 后循环使用。 油雾润滑是将油雾化后喷向轴承，既起润滑作用，又起 冷却作用，效果较好。但油雾散人大气，污染环境。 油气润滑是间隔一定时间由定量柱塞分配器输出微量润 滑油与压缩空气管道中的压缩空气混合后，经细长管道 和喷嘴连续喷向轴承。
• 适用于高速、超高速加工。
二.典型的主轴轴承配置型式
•1.速度型 •3.刚度速度型 •主轴前后轴承都采用角接触球 •前轴承采用三联角接触球轴承， 轴承(两联或三联)。 •2．刚度型 后支承采用双列短圆柱滚子轴承。 当轴向切削分力较大时，可· 选 •前支承采用双列短圆柱滚子 •主轴的动力从后端传人后轴，承 用接触角为25°的球轴承；轴 轴承承受径向载荷和60°角 要承受较大的传动力，所以采用 向切削分力较小时，可选用接 接触双列向心推力球轴承承 双列短圆柱滚子轴承。 触角为15 °的球轴承。在相 受轴向载荷，后支承采用双 •前轴承的配置特点是：外侧的两 同的工作条件下，前者的轴向 列短圆柱滚子轴承。 个角接触球轴承大口朝向主轴工 刚度比后者大一倍。 •这种轴承配置的主轴部件， 作端，承受主要方向的轴向力； •角接触球轴承具有良好的高速 适用于中等转速和切削负载 第三个角接触球轴承则通过轴 性能，因而适用于高速轻载或 较大，要求刚度高的机床。 套· 与外侧的两个轴承背靠背配置， 精密机床， 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。