04第四讲 主轴回转误差

a） ）
b） ）
图C 止推轴承端面误差对主轴轴 向窜动的影响
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影响主轴回转精度的主要因素
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影响主轴回转精度的主要因素
车、磨类（工件回转）： 磨类（工件回转）： 切削力的方向大体上是不变的， 切削力的方向大体上是不变的，主轴在切削力 的作用下， 的作用下，主轴颈以不同部位和轴承内孔的某一固 定部位相接触。 定部位相接触。 因此，影响主轴回转精度的， 因此，影响主轴回转精度的，主要是主轴轴颈 的圆度和波度，而轴承孔的形状误差影响较小。 的圆度和波度，而轴承孔的形状误差影响较小。
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机床主轴回转误差的基本概念
主轴回转轴线的运动误差可以分解为三种形式： 主轴回转轴线的运动误差可以分解为三种形式： 径向圆跳动； 径向圆跳动； 端面圆跳动； 端面圆跳动； 倾角摆动。 倾角摆动。
a）径向圆跳动 ）
b）端面圆跳动 ）
c）倾角摆动 ）
主轴回转误差基本形式
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主轴回转误差对加工精度的影响
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主轴回转误差对加工精度的影响
图3-14
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（B）纯径向圆跳动：（镗孔） 纯径向圆跳动：（镗孔） ：（镗孔
考虑最简单的情况，主轴回转中心在X 考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简 谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e 2e。 谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。 则刀尖的坐标值为： 则刀尖的坐标值为：
以上分析适用于单油楔动压轴承， 以上分析适用于单油楔动压轴承，如采用多油楔动 压轴承，主轴回转时周围产生几个油楔， 压轴承，主轴回转时周围产生几个油楔，把轴颈推 向中央，油膜刚度也较单油楔为高，故主轴回转精 向中央，油膜刚度也较单油楔为高， 度较高，而且影响回转精度的，主要是轴颈的圆度。 度较高，而且影响回转精度的，主要是轴颈的圆度。
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影响主轴回转精度的主要因素
主轴系统的径向不等刚度和热变形 主轴系统的刚度，在不同方向上往往不等， 主轴系统的刚度，在不同方向上往往不等，当 主轴上所受外力方向随主轴回转而变化时，就会因 主轴上所受外力方向随主轴回转而变化时， 变形不一致而使主轴轴线漂移。 变形不一致而使主轴轴线漂移。 机床工作时，主轴系统的温度将升高， 机床工作时，主轴系统的温度将升高，使主轴 轴向膨胀和径向位移。由于轴承径向热变形不相等， 轴向膨胀和径向位移。由于轴承径向热变形不相等， 前后轴承的热变形也不相同， 前后轴承的热变形也不相同，在装卸工件和进行测 量时必须停车而使温度发生变化，这些都会引起主 量时必须停车而使温度发生变化， 轴回转轴线的位置变化和漂移而影响主轴回转精度。 轴回转轴线的位置变化和漂移而影响主轴回转精度。
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影响主轴回转精度的主要因素
镗床类（刀具回转）： 镗床类（刀具回转）： 切削力方向随主轴的回转而回转， 切削力方向随主轴的回转而回转，主轴颈在切 削力作用下总是以其某一固定部位与轴承孔内表面 的不同部位接触。 的不同部位接触。 因此对主轴回转精度影响较大的是轴承孔的圆 度。
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影响主轴回转精度的主要因素
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影响主轴回转精度的主要因素
与轴承配合零件误差的影响 箱体前后支承孔、 箱体前后支承孔、主轴前后支承轴颈同轴度会 使轴承外圈滚道相对倾斜，同样会使引起主轴回转 使轴承外圈滚道相对倾斜， 轴线的漂移。 轴线的漂移。 提高与轴承相配合零件的制造精度和装配质量， 提高与轴承相配合零件的制造精度和装配质量， 对提高主轴回转精度有很密切的关系。 对提高主轴回转精度有很密切的关系。
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（C）纯角度摆动： 纯角度摆动：
图：
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影响主轴回转精度因素
轴承误差的影响： 轴承误差的影响： 轴承间隙的影响： 轴承间隙的影响： 与轴承配合零件误差的影响： 与轴承配合零件误差的影响： 主轴转速的影响： 主轴转速的影响： 主轴系统的径向不等刚度和热变形； 主轴系统的径向不等刚度和热变形； 其他，如温度、受热膨胀的影响等。 其他，如温度、受热膨胀的影响等。
（A）主轴的端面圆跳动： 主轴的端面圆跳动： 主轴瞬时回转轴线沿平均回转轴线作直线运动。 主轴瞬时回转轴线沿平均回转轴线作直线运动。
加工圆柱面： 加工圆柱面：无影响 加工端面：左右螺旋面---垂直度误差 加工端面：左右螺旋面---垂直度误差 --被加工端面不平，与圆柱面不垂直； 被加工端面不平，与圆柱面不垂直； 加工螺纹：产生螺距周期性误差。 加工螺纹：产生螺距周期性误差。
图B 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动
B A
图A 轴径不圆引起车床主轴径向跳动
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影响主轴回转精度的主要因素
∆ ∆≈0
推力轴承 滚道端面平面度误差及与回转 轴线的垂直度误差（ 轴线的垂直度误差（图C）。 ） 其他因素 轴承孔、轴径圆度误差； 轴承孔、轴径圆度误差； 轴承孔同轴度误差； 轴承孔同轴度误差； 轴肩、 轴肩、隔套端面平面度误差及 与回转轴线的垂直度误差； 与回转轴线的垂直度误差； 装配质量等。 装配质量等。
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影响主轴回转精度因素
轴承误差的影响: 轴承误差的影响: 主轴采用滑动轴承时， 主轴采用滑动轴承时，轴承误差主要是指 主轴颈和轴承内孔的圆度误差和波度。 主轴颈和轴承内孔的圆度误差和波度。 分三类： 分三类：滑动轴承 滚动轴承 推力轴承 两个角度： 两个角度：工件回转类机床 刀具回转类机床
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机械制造工艺过程 第四讲
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本次课程内容
1 机床主轴回转误差的概念 主轴回转误差对加工精度的影响（是什么） 2 主轴回转误差对加工精度的影响（是什么） 影响主轴回转精度的主要因素（为什么） 3 影响主轴回转精度的主要因素（为什么） 提高主轴回转精度的措施（怎么办） 4 提高主轴回转精度的措施（怎么办） 例题分析（实战演练） 5 例题分析（实战演练）
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机床主轴回转误差的基本概念
主轴回转误差是指主轴实际回转轴线对其理想回转 轴线的漂移。 轴线的漂移。
理想回转轴线虽然客观存在，但却无法确定其位置， 理想回转轴线虽然客观存在，但却无法确定其位置， 因此，通常以平均回转轴线（ 因此，通常以平均回转轴线（即主轴各瞬时回转轴 线的平均位置）来代替。 线的平均位置）来代替。
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机床主轴回转误差的基本概念
机床主轴是用来装夹工件或刀具并传递主要切削运动的 重要零件。 重要零件。 机床主轴的回转精度是机床精度的一项重要指标，主要 机床主轴的回转精度是机床精度的一项重要指标， 影响加工表面的几何形状精度、位置精度和表面粗糙度。 影响加工表面的几何形状精度、位置精度和表面粗糙度。 主轴回转时，其回转轴线的空间位置应该固定不变， 主轴回转时，其回转轴线的空间位置应该固定不变，即 回转轴线没有任何运动。 回转轴线没有任何运动。
滚动轴承滚动体的尺寸误差会引起主轴回转的径向圆跳 动。
当最大的滚动体通过承载区一次， 当最大的滚动体通过承载区一次，就会使主轴回转轴线 发生一次最大的径向圆跳动。 发生一次最大的径向圆跳动。
推力轴承滚道端面误差会造成主轴的端面圆跳动。滚锥、 推力轴承滚道端面误差会造成主轴的端面圆跳动。滚锥、 向心推力轴承的内外滚道的倾斜既会造成主轴的端面圆 跳动，又会引起径向圆跳动和摆动。 跳动，又会引起径向圆跳动和摆动。
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影响主轴回转精度的主要因素
主轴转速的影响 由于主轴部件质量不平衡、 由于主轴部件质量不平衡、机床各种随机振动 以及回转轴线的不稳定随主轴转速增加而增加，使 以及回转轴线的不稳定随主轴转速增加而增加， 主轴在某个转速范围内回转精度较高， 主轴在某个转速范围内回转精度较高，超过这个范 围时，误差就较大。 围时，误差就较大。
y = A + ( R − h) cos φ = A sin 2 φ + R cos φ z = ( R − h) sin φ = R sin φ − A cos φ sin φ y 2 + z 2 = R 2 + A2 sin 2 φ y 2 + z 2 ≈ R2
参见图3-16 参见图3 结论： 结论：车削出的工件表面接近于正圆 若主轴几何轴线作偏心运动， 若主轴几何轴线作偏心运动，则无论是车削还是镗 都能得到一个半径为刀尖到平均轴线距离的圆。 削，都能得到一个半径为刀尖到平均轴线距离的圆。
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影响主轴回转精度的主要因素
轴承间隙的影响 如轴承间隙过大， 如轴承间隙过大，会使主轴工作时油膜厚度增 大，油膜承载能力降低，当工作条件（载荷、转速 油膜承载能力降低，当工作条件（载荷、 等）变化，油楔厚度变化较大，主轴轴线漂移量增 变化，油楔厚度变化较大， 大。
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影响主轴回转精度的主要因素
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（C）纯角度摆动： 纯角度摆动：
情况一，平面摆动： 情况一，平面摆动： 主轴轴线在某一平面内在平均轴线附近作纯 角度摆动。 角度摆动。 椭圆柱。 车，圆柱；镗 ，椭圆柱。 圆柱；
情况二，锥角摆动： 情况二，锥角摆动： 主轴轴线绕其平均轴线沿圆锥轨迹公转。 主轴轴线绕其平均轴线沿圆锥轨迹公转。 车，正圆锥；镗；正圆锥。 正圆锥； 正圆锥。 图：主轴纯角度摆动的第二种情况
影响主轴回转精度的主要因素
滑动轴承 车床（ 车床（图A）— 轴径不圆引 起车床主轴向跳动（ 起车床主轴向跳动（注意其 频率特性）。 频率特性）。 镗床（ 镗床（图B）— 轴承孔不圆 引起镗床主轴径向跳动。 引起镗床主轴径向跳动。 静压轴承 — 对轴承孔或轴 均化作用 径圆度误差起均化作用。 径圆度误差起均化作用。 滚动轴承 内 外 滚 道圆度误差 、 滚 外滚 动体形状及尺寸误差。 动体形状及尺寸误差。
与轴承配合零件误差的影响 轴承内外圈、轴瓦容易变形产生圆度误差， 轴承内外圈、轴瓦容易变形产生圆度误差，与之 配合的轴颈、箱体支承孔的圆度误差会使轴承圈或轴 配合的轴颈、 瓦发生变形而产生圆度误差。 瓦发生变形而产生圆度误差。 与轴承圈端面配合的零件如轴肩、轴承端盖、 与轴承圈端面配合的零件如轴肩、轴承端盖、螺 母等端面如有平面度误差或与主轴回转轴线不垂直， 母等端面如有平面度误差或与主轴回转轴线不垂直， 会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的径向、 会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的径向、轴 向漂移。 向漂移。
动压轴承必须在一定运转速度下才能建立起压力油 膜，因此，主轴起动和停止过程中轴线都会发生漂 因此， 移。
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影响主轴回转精度的主要因素
采用静压轴承，由于油膜压力是有液压泵提供的， 采用静压轴承，由于油膜压力是有液压泵提供的， 与主轴转速无关，同时轴承的油腔对称分布， 与主轴转速无关，同时轴承的油腔对称分布，外 载荷由油腔的压力变化差来平衡，因此油膜厚度 载荷由油腔的压力变化差来平衡， 变化引起的轴线漂移小于动压轴承。 变化引起的轴线漂移小于动压轴承。
静压轴承的承载能力与油膜厚度的关系较小， 静压轴承的承载能力与油膜厚度的关系较小，油 膜厚度就较厚， 膜厚度就较厚，能对轴承孔或轴颈的圆度误差起 均化作用，故可得到较高的主轴回转精度。 均化作用，故可得到较高的主轴回转精度。
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影响主轴回转精度的主要因素
滚动轴承由内圈、外圈和滚动体等组成。 滚动轴承由内圈、外圈和滚动体等组成。 轴承内、外圈滚道的圆度误差和波度对回转精度的影响， 轴承内、外圈滚道的圆度误差和波度对回转精度的影响， 与单油楔动压滑动轴承的情况相似。 与单油楔动压滑动轴承的情况相似。 外圈滚道相当于轴承孔，内圈滚道相当于轴承。 外圈滚道相当于轴承孔，内圈滚道相当于轴承。
对工件回转类机床， 对工件回转类机床，滚动轴承内圈滚道圆度对主轴回转 精度影响较大。 精度影响较大。 对刀具回转内机床，外圈滚道对主轴精度影响较大。 对刀具回转内机床，外圈滚道对主轴精度影响较大。
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影响主轴回转精度的主要因素
滚动轴承的内外圈滚道如有波度， 滚动轴承的内外圈滚道如有波度，则不管是工件回转类 机床还是刀具回转类机床， 机床还是刀具回转类机床，主轴回转时都将产生高频径 向圆跳动。 向圆跳动。
X = ( R + e) cos φ Y = R sin φ
式中
R —刀尖回转半径； 刀尖回转半径； φ—主轴转角。 主轴转角。
e
显然，上式为一椭圆。 显然，上式为一椭圆。
图 径向跳动对镗孔精度影响
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主轴径向圆跳动时， 主轴径向圆跳动时，车削分析
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主轴径向圆跳动时， 主轴径向圆跳动时，车削分析
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机床主轴回转误差的基本概念
实际上，由于主轴部件中轴承、轴颈、 实际上，由于主轴部件中轴承、轴颈、轴承座孔 轴承 等的制造误差和配合质量、润滑条件、以及回转 等的制造误差和配合质量、润滑条件、以及回转 制造误差 时的动力因素的影响，往往瞬时回转轴线的空间 时的动力因素的影响， 的影响 位置都在周期性地变化。 位置都在周期性地变化。