主轴组件设计资料(全)知识讲解
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主轴部件的传动方式
• 齿轮传动
– 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。
• 带传动
– 常用的有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等。带传动的特点 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。
• 提高主轴组件热稳定性的主要措施是减少发热、加快散热、 隔离热源以及采用尽可能合理的结构设计，以使热变形能 得到补偿和对加工的影响最小。
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精度保持性
• 主轴系统必须有足够的耐磨性，以便能长期 保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工 件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。 为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬， 或者经过氮化处理，以提高其硬度增加耐磨 性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐 磨性。
（1）双列圆柱 滚子轴承 （2）双列推力 角接触球轴承
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
（3）角接 触球轴承
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
角接触 球轴承 组合
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
（4）双 列圆锥 滚子轴 承
二、主轴滚动轴承（续）
3、轴承的精度选择
（3）两端定位：用于短 主轴或轴向间隙变化不影 响工作的机床，如钻床、 组合机床等。
五、主轴主要尺寸参数的确定（略）
主轴部件设计
• 基本要求
– 旋转精度和运动精度 – 刚度 – 抗振性 – 温升和热变形(热稳定性 ) – 精度保持性
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旋转精度和运动精度
• 旋转精度:指装配后的部件在无载或低速转动条件下，主轴前端工作部 位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。主轴组件的旋转精度直 接影响机床的加工精度。
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应采用P2、P4、P5级和SP、UP级
（3）前轴承的精度对
主轴的影响较大，前轴
承的精度应比后轴承高
一级
2
a l
b
1 (1 al )a
1 (1 al )a
二、主轴滚动轴承（续）
4、轴承刚度
滚动轴承的刚度随载荷的增加而增大。 线接触轴承的刚度可忽略预紧载荷；点接触 轴承，计算刚度时应考虑预紧力。
三、主轴
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静态刚度
• 主轴组件的静态刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力， 又分为抗弯和扭转两种刚度。数控机床多采用抗弯刚度作为衡量主 轴组件刚度的指标。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向 上所施加的作用力大小来表示。
主轴刚度K=F/Y(N/Km)
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抗振性
• 抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。 有时也把抵抗受迫振动的能力称为动刚度，此时，抗振性 仅指抵抗自激振动的能力。若主轴组件抗振性差，工作时 容易产生振动，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产 率的提高，使刀具耐用度下降。
• 运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低 速状态的旋转精度有较大差别，它表现在工作时主轴回转中心位置的 不断变化，即“主轴轴心漂移”现象。
• 旋转精度主要取决于主轴及其轴承的制造、装配、调整的精度；运动 状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平 衡等因素。
• 电动机直接驱动方式
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电动机直接驱动方式
高速内圆磨床电主轴
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主轴部件结构设计
推 力 轴 承 位 置 配 置 型 式
a)前端配置b)中间配置c）后端配置d), e)两端配置
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推力轴承位置配置型式
• 前端配置 前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不
影响轴向精度，对提高主轴部件刚度有利。用于轴向精度和刚度要求较 高的高精度机床或数控机床。 • 后端配置
• 主要影响因素:部件的静态刚度、质量分布和阻尼，特别 是主轴前轴承的阻尼。设计时，要使主轴的固有频率远大 于工作时的激振频率，使之不易发生共振。
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温升和热变形(热稳定性 )
• 温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体 因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对 位置会发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件 会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件， 影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生“抱轴”。
应采用P2、P4、P5级和SP、UP级
（1）切削力方向固定不变的主轴，旋转精度决定于轴 承内圈径向跳动。 （2）切削力方向随主轴旋转同步变化的主轴，旋转精 度决定于外圈径向跳动。 （3）前轴承的精度对主轴的影响较大，前轴承的精度 应比后轴承高一级。（理论证明略）
二、主轴滚动轴承（续）
3、轴承的精度选择
前支承处轴承较少，发热小，温升低；但是主轴受热后向前伸长，影 响轴向精度。用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车 床等。 • 两端配置
主轴组件设计资料(全)
主轴组件设计
二、主轴滚动轴承
1、轴承的特点 优点：（1）足够的刚度、高旋转精度、变转速和变载荷
下工作平稳； （2）质量稳定、成本低、经济性好； （3）容易润滑。
缺点：（1）旋转中径向刚度变化大；
（2）摩擦力大，阻尼小； （3）径向尺寸大
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
1、结构及材质选择
结构：空心阶梯轴 材料：淬火钢或渗碳淬火钢，高频淬硬。
2、技术要求(略)
三、主轴
2、技术要求
四、主轴组件
1、传动方式
（1）带 传 动：结构简单，中心距调整方便， 噪声低，平稳，适于高速。（V带、多楔带和 同步带）
（2）齿轮传动：传递大扭矩，结构紧凑，适合 于变速传动。
（3）电机直接驱动：异步电机+连轴器、变频 调速电机、电主轴等形式。
四、主轴组件
2、传动件的布置
（1）带轮通常安装在后支承的外侧 （2）齿轮位于两支承之间则尽量使大齿轮靠近前 支承 （3）齿轮位于后支承外侧 （4）齿轮外增设辅助支承
四、主轴组件
3、主轴的轴向定位
（1）前端定位：适于轴 向精度和刚度高的高精度 机床合数控机床；
（2）后端定位：适于轴 向精度不高的普通机床， 卧车、立铣等；
主轴部件的传动方式
• 齿轮传动
– 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。
• 带传动
– 常用的有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等。带传动的特点 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。
• 提高主轴组件热稳定性的主要措施是减少发热、加快散热、 隔离热源以及采用尽可能合理的结构设计，以使热变形能 得到补偿和对加工的影响最小。
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精度保持性
• 主轴系统必须有足够的耐磨性，以便能长期 保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工 件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。 为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬， 或者经过氮化处理，以提高其硬度增加耐磨 性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐 磨性。
（1）双列圆柱 滚子轴承 （2）双列推力 角接触球轴承
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
（3）角接 触球轴承
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
角接触 球轴承 组合
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
（4）双 列圆锥 滚子轴 承
二、主轴滚动轴承（续）
3、轴承的精度选择
（3）两端定位：用于短 主轴或轴向间隙变化不影 响工作的机床，如钻床、 组合机床等。
五、主轴主要尺寸参数的确定（略）
主轴部件设计
• 基本要求
– 旋转精度和运动精度 – 刚度 – 抗振性 – 温升和热变形(热稳定性 ) – 精度保持性
15
旋转精度和运动精度
• 旋转精度:指装配后的部件在无载或低速转动条件下，主轴前端工作部 位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。主轴组件的旋转精度直 接影响机床的加工精度。
Leabharlann Baidu
应采用P2、P4、P5级和SP、UP级
（3）前轴承的精度对
主轴的影响较大，前轴
承的精度应比后轴承高
一级
2
a l
b
1 (1 al )a
1 (1 al )a
二、主轴滚动轴承（续）
4、轴承刚度
滚动轴承的刚度随载荷的增加而增大。 线接触轴承的刚度可忽略预紧载荷；点接触 轴承，计算刚度时应考虑预紧力。
三、主轴
16
静态刚度
• 主轴组件的静态刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力， 又分为抗弯和扭转两种刚度。数控机床多采用抗弯刚度作为衡量主 轴组件刚度的指标。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向 上所施加的作用力大小来表示。
主轴刚度K=F/Y(N/Km)
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抗振性
• 抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。 有时也把抵抗受迫振动的能力称为动刚度，此时，抗振性 仅指抵抗自激振动的能力。若主轴组件抗振性差，工作时 容易产生振动，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产 率的提高，使刀具耐用度下降。
• 运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低 速状态的旋转精度有较大差别，它表现在工作时主轴回转中心位置的 不断变化，即“主轴轴心漂移”现象。
• 旋转精度主要取决于主轴及其轴承的制造、装配、调整的精度；运动 状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平 衡等因素。
• 电动机直接驱动方式
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电动机直接驱动方式
高速内圆磨床电主轴
22
23
主轴部件结构设计
推 力 轴 承 位 置 配 置 型 式
a)前端配置b)中间配置c）后端配置d), e)两端配置
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推力轴承位置配置型式
• 前端配置 前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不
影响轴向精度，对提高主轴部件刚度有利。用于轴向精度和刚度要求较 高的高精度机床或数控机床。 • 后端配置
• 主要影响因素:部件的静态刚度、质量分布和阻尼，特别 是主轴前轴承的阻尼。设计时，要使主轴的固有频率远大 于工作时的激振频率，使之不易发生共振。
18
温升和热变形(热稳定性 )
• 温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体 因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对 位置会发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件 会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件， 影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生“抱轴”。
应采用P2、P4、P5级和SP、UP级
（1）切削力方向固定不变的主轴，旋转精度决定于轴 承内圈径向跳动。 （2）切削力方向随主轴旋转同步变化的主轴，旋转精 度决定于外圈径向跳动。 （3）前轴承的精度对主轴的影响较大，前轴承的精度 应比后轴承高一级。（理论证明略）
二、主轴滚动轴承（续）
3、轴承的精度选择
前支承处轴承较少，发热小，温升低；但是主轴受热后向前伸长，影 响轴向精度。用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车 床等。 • 两端配置
主轴组件设计资料(全)
主轴组件设计
二、主轴滚动轴承
1、轴承的特点 优点：（1）足够的刚度、高旋转精度、变转速和变载荷
下工作平稳； （2）质量稳定、成本低、经济性好； （3）容易润滑。
缺点：（1）旋转中径向刚度变化大；
（2）摩擦力大，阻尼小； （3）径向尺寸大
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
1、结构及材质选择
结构：空心阶梯轴 材料：淬火钢或渗碳淬火钢，高频淬硬。
2、技术要求(略)
三、主轴
2、技术要求
四、主轴组件
1、传动方式
（1）带 传 动：结构简单，中心距调整方便， 噪声低，平稳，适于高速。（V带、多楔带和 同步带）
（2）齿轮传动：传递大扭矩，结构紧凑，适合 于变速传动。
（3）电机直接驱动：异步电机+连轴器、变频 调速电机、电主轴等形式。
四、主轴组件
2、传动件的布置
（1）带轮通常安装在后支承的外侧 （2）齿轮位于两支承之间则尽量使大齿轮靠近前 支承 （3）齿轮位于后支承外侧 （4）齿轮外增设辅助支承
四、主轴组件
3、主轴的轴向定位
（1）前端定位：适于轴 向精度和刚度高的高精度 机床合数控机床；
（2）后端定位：适于轴 向精度不高的普通机床， 卧车、立铣等；