主轴部件设计概要

过盈套替代螺母的优点：保证 定位端面与轴心线垂直；主轴不必 因加工螺纹而直径减小，增加了主 轴刚度；降低了主轴的不平衡，提 高了旋转精度。
2、角接触轴承预紧
图3－73
角接触轴承是用螺母使内、外圈 产生轴向错位，同时实现径向和轴 向预紧。 ①修磨内圈：将内圈相靠的侧面 各磨去厚度δ，然后用螺母使两个内 圈靠紧，应用较少。 ②内、外隔套：两个轴承的内、 外圈之间，分别装入厚度差为 2δ 的 两个短套达到预紧目的。
2、主轴材料和热处理（P125 表3-11） 主轴的材料应根据载荷特点，耐磨性 要求、热处理方法及热处理变形情况选择。 ①普通机床用中碳钢（45钢），调质 处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或 定心锥面部位局部高频淬火，提高耐磨性。 ②精密机床、大载荷机床用合金钢， 轴承的轴肩淬火，提高耐磨性。
3、主轴的技术要求 设计要求、工艺要求、检验要 求
尺寸公差、形位公差、表面粗 糙度、表面硬度。图3-57 （莫氏锥度是一个锥度的国际 标准，用于静配合以精确定位。由 于锥度很小，可以传递一定的扭距， 又因为有锥度，又便于拆卸 ）
四、主轴滚动轴承 （一）主轴部件主支承常用滚 动轴承 角接触轴承 双列短圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承 推力轴承 双向推力角接触轴承
4、升温和热变形 主轴部件运转时，因各相对运 动处摩擦生热，切削区的切削热等 使主轴部件的温度升高，形状尺寸 和位置发生变化，造成主轴部件的 热变形—引起轴承间隙变化，润滑 油粘度降低，影响主轴工作性能， 降低加工精度。
高精度机床 8~10℃ 精密机床 15~20℃ 连续运转允 许温升 普通机床 30~40℃
b. k j F j / y j 动刚度 作用力是交变力引起的 弹性变形
静刚度 作用力是静力引起的 弹性变形 图3－54
k d Fd / Yd
c. 影响因素：主轴的尺寸和形 状，滚动轴承的类型和数量、预紧 和配置形式、传动件的布置方式、 主轴部件的制造和装配质量。
3、抗振性 a. 概念：抗振性指抵抗受迫振动 和自激振动的能力 冲击力和交变力是由材料硬度不 均匀，加工余量的变化，主轴部件不 平衡，轴承或齿轮存在缺陷以及切削 过程中的颤振引起。 b.影响因素：主轴部件的静刚度， 质量分布及阻尼
5、精度保持性 a.概念 精度保持性指长期地保 持其原始制造精度的能力 b.影响因素 磨损，主轴轴承、 轴颈表面、装夹工件刀具的定位表 面的磨损 （磨损的速度与磨擦的种类有关，与 结构特点、粗糙度、热处理方式、 润滑、防护、使用条件有关。）
二、主轴部件的传动方式
分类
齿轮传动 按主轴的转速、传递的 扭矩，运动平稳性 带传动 要求、结构、装卸、维 修要求选取 电机直接驱动
径向跳动影响因素：主轴轴颈 的园度、轴承滚道及滚子园度、主 轴及回转件的动平衡。 轴向跳动影响因素：轴承支承 端面，轴肩的垂直度，止推轴承的 滚道及滚子误差。 轴、径向跳动影响因素：主轴 主要定心面的轴、径向跳动（锥孔 误差，mol精度。）
2、刚度 a. 概念：主轴部件的刚度指其 在外载荷作用下抵抗变形的能力。 （以主轴前端产生单位位移的弹性 变形时，在位移方向上施加的作用 力来定义）。
1、齿轮传动 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，线速度不能过高，常小于 12~15m/s，不如带传动平稳。 2、带传动 类型：平带、三角带、多楔带， 同步齿形带（P122图3－52）
特点：靠摩擦力传动（除同步 齿形带外），结构简单，制造容易， 成本低，适用于大中心距传动，皮 带吸振，传动平稳，噪声小，适宜 变速传动，打滑起过载保护。 缺点：有滑动，不能用于速比 要求准确的场合。 同步齿形带：带上的齿形与带 轮上的轮齿相啮合传递运动和力， 无滑动，传动比准确，传动精度高， 强度高。
a
δb1 b a
δb2
δb
后轴承
L
前轴承
a
300
主轴端 加工处
显然，前支承的精度比后支承 对主轴部件的旋转度影响大，故前 轴承的精度比后轴承的精度高一级。
3、前、后轴承的偏移方向放在 同一侧，且后轴承的偏移量适当地 比前轴承的大，可使主轴的端部都 偏移量为0。
δb b L 后轴承 前轴承 δa a a 300 加工处 δΣ1 δΣ2
a=（L+a）：L）。 （ a1 ：
δa b L 后轴承 前轴承
δa1
δa2
a
300
a1
主轴端
加工处
a =（L+a）：L） （ a1 ：
a1
La a L
2、后轴承偏移 b，前轴承偏 移为0，主轴端部的偏移为：

a b1 b L
tg
b
L

b1
③弹簧预紧：数个弹簧四周匀布， 可控制预加载荷基本不变，磨损后 自动补偿间隙，效果较好。
2、刚度型 图3-64b 前支承采用双列短圆柱滚子 轴承受径向载荷和 60°角接触双 列向心推力球轴承承受轴向载荷， 后支承采用双列短圆柱滚子轴承， 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， 镗削单元。
3、刚度速度型 图3-64c 前轴承采用三联角接触球轴承， 后支承采用双列短圆柱滚子轴承， 动力从后端传入，后轴承要承受较 大的传动力，所以采用双列短圆柱 滚子轴承。
3、电机直接驱动 电机转子轴与主轴制成一体 （图3－53）。 结构简化，提高了刚度，降低 了噪声和振动，有宽的调速范围， 大的输出功率和扭矩。 用于精密机床，高速加工中心， 数控车床。
三、主轴部件结构设计
（一）主轴部件的支承数目 1、前、后两支承（P100 图3-25） 前支承为双列短圆柱滚子轴承 , 后为圆锥滚子轴承。 结构简单，制造方便，易保证精 度，需消除间隙和预紧。
（三）主轴传动件位置的合理布
置 1、传动件在主轴上轴向位置的 合理布置 合理布置传动件在主轴上的轴 向位置，可以改善主轴的受力情况 减小其变形，提高主轴的抗振性。 布置原则：传动力引起的主轴 弯曲变形要小，引起主轴前轴端在 影响加工精度敏感方向上的位移要 小。（不叠加）
Q
F
Q1
i 传动件放在两个支承中间靠近前支承 处，受力较好，用得最为普遍 ii 传动件放在轴前悬伸端，主要用于大 转盘的机床，如立车、镗床等，传动齿 轮直接安装在转盘上。 iii 传动件放在后悬伸端，较多地用于带 传动，为了更换传动带方便，如磨床。
（二）几种典型的主轴轴承配置 形式 1、速度型 图3-64a
主轴前后轴承都采用角接触球 轴承（两联或三联），当轴向切削 分力较大时，选 25°的球轴承，轴 向切削分力较小时，选 15°球轴承 在相同的工作条件下，前者的轴向 刚度比后者大一倍。 角接触球轴承具有良好的高速 性能，但承载力较小，适用于高速 轻载或精密机床，如高速镗削单元， 高速CNC车床。
前轴承的配置特点是：外侧的 两个角接触轴承大口朝向主轴工作 端，承受主要方向的轴向力；第三 个角接触则通过轴套与外侧的两个 轴承背靠背配置，使三联角接触轴 承有一个较大支承跨，以提高承受 颠覆力矩的刚度。 用于要求径向刚度好，有较 高转速的机床。
（三）滚动轴承精度等级的选择 主轴轴承中，前、后轴承的精度 对主轴旋转精度的影响是不同的。 1、前轴承轴心有偏移 a ，后轴 承偏移量为0，由偏移量 a 引起的主 La 轴端轴心偏移为： a1 a L
2、三支承 见图3-24 前后支承为主，中间支承为辅。 前、中支承为主，后支承为辅。 （多采用） 三支承方式对三支承孔的同心 度要求较高，制造装配复杂，乃需 消除间隙和预紧，但不能三个轴承 都预紧，以免干涉。
（二）推力轴承位置配置形式
推力轴承的配置形式影响主 轴轴向刚度和热变形的方向和大 小。
1、前端配置
Q F
Q1 Q F
Q1
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。应尽可能将该驱动轴布置在 合理位置，使驱动力引起的主轴变 形可抵消一部分因切削力引起的主 轴轴端精度敏感方向上的位移。
（四）主轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有：主轴 前、后轴颈的直径 D1、D2，主轴内Leabharlann Baidu孔直径 d，主轴前端悬伸量 a，主轴 主要支承间的跨距L。图3-56
§3.6
主轴部件设计
功用：支承并带动工件或刀具 旋转进行切削，承受切削力和驱动 力等载荷，完成表面成形运动。 组成：支承轴承、传动件、密 封件、定位元件、主轴。
一、主轴部件应满足的基本要求
1、旋转精度 a. 概念：主轴的旋转精度是指 装配后，在无载荷、低速转动的条 件下，在安装工件或刀具的主轴部 位的径向和轴向跳动。 b．影响因素：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。
主轴端
4、主轴轴承精度选择 见P134 表3-15
（四）主轴滚动轴承的预紧 预紧目的： 提高主轴部件的旋 转精度、刚度、抗振性 预紧方法： 采用加载荷的方法， 消除轴承间隙，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。
分类： 轴向预紧 径向预紧 预紧力 轻预紧 代号A 用于高速主轴 （三级） 中预紧 代号B 用于中、低速 主轴 重预紧 代号C 用于分度主轴
两个方向的推力轴承分别布置在前 后两个支承处，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，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 支承的后侧，此方案可减少主轴的 悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长， 但前支承结构复杂，温升可能较高。
两个方向的推力轴承都布置在 前支承处，前支承处轴承发热大， 温度高；但主轴受热后向后伸长， 不影响轴向精度，精度高，用于高 精度机床，数控机床。
2、后端配置
两个方向的推力轴承都布置在 后支承处。较少用，发热小、温度 低，主轴受热后向前伸长，影响轴 向精度，用于普通精度机床，立铣， 多刀车床。
3、两端配置
（主轴的头部已经标准化，用以安装标准 刀具和夹具，其形状和尺寸，参考机床 设计手册，同类型机床。）
（五）主轴 1、主轴的构造 主轴的构造和形状主要决定于主 轴上所安装的刀具、夹具，传动件、 轴承等零件的类型、数量、位置、安 装定位方法等。 设计时应考虑主轴加工工艺性， 装配工艺性。 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（现已标准化）。
1 、双列短圆柱滚子轴承预紧 （不要求调心） 方法一：螺母轴向移动轴承内 圈，因内圈是1：12的锥孔，使内圈 径向胀大，而实现预紧。 方法二：图3－66用调整环的长 度实现预紧，采用过盈套进行轴向 固定。过盈套也称阶梯套，即将过 盈配合的轴，孔制成直径尺寸略有 差别的两段。图3－72
轴径为 d2=d1-S1 孔径D1=D2+S2 装配时，两段全为过盈配合。用过盈套紧 紧将轴承固定在主轴上。