金属切削机床 戴曙 第十章 主轴部件

第四节 主轴组件
一、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件
角接触球轴承主轴组件
双列圆柱滚子轴承主轴组件
圆锥滚子轴承主轴组件
主轴单元
自动换刀自动镗铣床主轴组件
主轴组件的典型结构
角接触球轴承主轴组件
主轴最高转速为5000r／min，前支承类型及预紧，后轴 承类型及预紧等。
主轴组件的典型结构
双列圆柱滚子轴承主轴组件-1
三. 改善动态特性
• 使主轴组件的固有频率避开激振频率
• 加大前支承的的阻尼
• 采用三支承
• 采用消振装置
第六节 主轴的滑动轴承
机床主轴组件采用的滑动轴承，根据其流体介质的不同，可分为液体滑动 轴承和气体滑动轴承。液体滑动轴承按其油膜压力的形成方式，又可分为液体 动压滑动轴承和液体静压滑动轴承。
一、主轴液体动压滑动轴承
2）活动多油楔轴承
这种轴承是由三个或五个瓦块所组成。如图示三瓦式活动多油楔轴承，三个短
瓦4各由一个球头螺钉所支承。
优点：结构简单、制造和维修方便，轴瓦与箱体孔不接触，故对箱体孔加 工无特殊要求。 缺点：轴瓦仅靠螺钉的球形头支承，虽然要求其接触面不少于80％（配对 研磨），但接触刚度仍比油膜刚度低得多，故使轴承的综合刚度下降。 这种轴承广泛应用于各种外圆磨床和卧轴平面磨床上。
4.双列圆锥滚子轴承
通双列圆锥滚子轴承（2697100型）能够同时承受径向载荷和双向轴向载 荷，承载能力、刚度及抗振能力较高，适用于中速、径向载荷大，轴向载荷 中等、一般精度的机床主轴组件。 此外，角接触球轴承、单向推力球轴承、滚针轴承及滚锥轴承等，可根 据结构选取。
主轴滚动轴承可按下列原则选择：
主轴滚动轴承类型选择
主轴较粗，主轴轴承的直径较大。相对地说，轴承的负载较轻。因此，一般 情况下，承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要指标。主轴轴承，应根 据精度、刚度和转速选择。
1.圆锥孔双列圆柱滚子轴承
这种轴承具有径向尺寸较小、 制造精度较高、承载能力较大、 静刚度好以及允许的转速高等优 点，并能够调整轴承的径向间隙， 因此在机床主轴组件上得到广泛应用。
2 .60°接触角双向推力向心球轴承
这种轴承的优点是制造精度高，
允许转速高，温升较低，抗振性高 于推力球轴承8000型，装配调整简
单，精度稳定可靠。与双列圆柱滚
子轴承相配套，用于承受轴向载荷。 3.单列圆锥滚子轴承 普通单列圆锥滚子轴承（7000型），能同时承受径向和轴向载荷，承载 能力和刚度较高，价格便宜，支承简单，间隙调整方便。可用于中速、中载、 一般精度的主轴组件。
及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从
前轴径起向后递减，主轴是实心还是空心的，主
要取决于机床类型。
主轴端部系指主轴前端，它的形状决定于
机床的类型、安装夹具或刀具的形式。
保证：夹具或刀具安装可靠，定位准确， 装卸方便和能传递一定的扭矩。
由于夹具和刀具都已标准化，因此通用机 床主轴端的形状和尺寸也已标准化。设计时具 体尺寸可参考机床制造标准，中孔对主轴刚度 是有影响的。
机床主轴动压轴承与一般动压轴承不尽相同，对主轴的旋转精度和油膜刚 度有着更高的要求。 1.几种常用的主轴多油楔滑动轴承 1）成形多油楔轴承 这种成形多油楔轴承的油囊加工比较困难，但轴承工作时的尺寸精度、接 触状况及油楔参数等较为稳定；拆装后的变化小，维修较方便，因此可用于高 精度磨床。 对于动压滑动轴承，入口间隙h1与出口间隙h2所形成的油楔角大小，对其 承载能力有很大影响。根据最佳间隙比可得入口间隙为h1=2.2h2=0.033mm。油 囊最有利深度h=h1－Δ /2=0.018mm。
主轴组件的典型结构
三、钻床类主轴组件
特点：旋转的同时有轴向进给
1、主轴1的旋转主运动由其尾部的
花键传入，主轴由轴承3和8支承 在套筒5内旋转；
2、转动齿轮6，使套筒(右侧面为
齿条)连同主轴作轴向进给运动； 3、力的承担和轴承的选择。
第五节
提高主轴组件性能的一些措施
一. 提高精度:采用选配法
二. 控制温升、提高转速、减少热变形
第十章 主轴部件
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 对主轴部件的基本要求 主轴轴承的选择和株洲的滚动轴承 主轴 主轴组件 提高主轴组件性能的一些措施 主轴的滑动轴承 主轴组件的计算 润滑和密封
第一节 对轴组件的基本要求
一、旋转精度
机床在空载低速时，主轴前端安装刀具，夹具部位的径向跳动、 端面跳动和轴向窜动。 主轴的旋转轴线产生的跳动如图
主轴轴承可分滚动轴承与滑动轴承两
大类。使用中，应根据主轴组件工作性能
要求、制造条件和经济效果综合考虑，合 理使用。
二、主轴滚动轴承的选择 主轴滚动轴承的型号，应根据承载能力和转
速选择。同样尺寸的轴承，线接触的滚动轴承比
之点接触的球轴承，承载能力和刚度都较高，但
极限转速低。
掌握一点：凡是能调整间隙的，都可以使精
主轴组件的典型结构
自动换刀数控镗铣床主轴组件
主轴组件的典型结构
总结——一般采用滚动轴承
1、要求刚度较高速度不是很高时，常选用三支承结构 或者是采用线接触滚动轴承。 2、要求速度较高刚度不是很高时，常选用两支承结构 或者是采用点接触滚动轴承。
3、应用三支承结构时要尤其注意壳体孔的加工工艺和 轴承的预紧问题。（源自文库个可行）
J空=1/64π ×(D4平-d4) J实=1/64 π × D4平
J空/J实=1-(d/D平)4
当d/D≤0.5时 J空/J实＞0.9 对刚度影响不大;
当d/D＞0.7时，则影响大.
为了不致使主轴的刚度受太大的影响，孔径
不应超过外径70%。如超，惯性矩将下降24%。这
里的刚度包括抗弯和抗扭刚度，要说明的是加大
前后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不
同的。
由于轴承的工作精度主要决定于旋转精
度，壳体孔和主轴径是根据一定的间隙和过 盈要求配作的，因此，内外圈的尺寸精度即 使较低，也不影响工作，但可以降低成本
前轴承的精度对主轴精度影响大一些， 因此前轴承的精度应选高一些。
轴承的精度不仅影响主轴组件的回转精
度，而且精度越高，各滚动体受力越均匀，
● 主轴轴承常用轻系列、特轻系列和超轻系列 ，以特轻系列为主，轴承越“轻”滚动体的直径 越小，但滚动体的数量越多，虽然基本额定动静 载荷递减，但刚度变化却不大，主轴轴承的实际 载荷，相对于其基本额定载荷，是较低的。承载 能力通常都有富余。( P183)
三、主轴滚动轴承的精度 主轴轴承精度应采用P2 、P4 、P5级，
五、滚动轴承的刚度
孔径增大会削弱主轴刚度，主轴端部的刚 度与截面惯性矩成正比。 当d/D0≤0.5时，Kd/K≥0.94，空心主轴的 刚度降低较小。 当d/D0=0.7时，Kd/K =0.76，空心主轴的 刚度降低了24％。
一般应取d/D0≤0.7。
第三节 一、主轴构造
主轴
主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具 、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数 目、位置和安装定位方法。 为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以
度和刚度有所提高.
主轴的滚动支承
主轴支承是指主轴轴承、支承座及其他相关零件的组合体，其中核心元件 是轴承。因此把采用滚动轴承的主轴支承称为主轴滚动支承；把采用滑动轴承 的称为主轴滑动支承。
主轴滚动支承的主要设计内容是：滚动轴承类型的选择，轴承的配置，轴 承的精度及其选配，轴承的间隙调整，支承座的结构，轴承的配合及其配合零 件的精度，轴承的润滑与密封等。
四、温升和热变形
机床在工作时，各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而发热造成的温差， 使主轴部件在形状和位置上产生畸变，称为热变形。
热变形是用主轴运转一定时间和因发热而造成的各部分的位置上的变化 来度量，也可用温升近似的表达。 一般滑动轴承的温升<３０℃，工作温度<６０℃ 一般滚动轴承的温升<４０℃，工作温度<７０℃
孔径的车床主轴不受此限，因这时D也加大了。
二、材料和热处理
主轴材料主要根据载荷特点、耐磨性和热
处理、变形大小等因素决定。 因为：主轴的载荷相对来说不大，引起的应 力通常小于钢的强度极限，因此强度不是选材的 依据。
主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢
的E值较大，所以主轴材料首选钢。值的注意的
是：钢的弹性模量E的数值与钢的种类和热处理
主轴组件的典型结构
二、磨床类主轴组件
见图10-11
1、这种主轴组件是一个独立的单元，由专门工厂制造 2、主轴的转动由电动机(P＝1．3kW)经平带输入主轴 左端平带轮，主轴的右端装砂轮杆。主轴两端载荷都 较大，故前后支承都配置两个同向角接触球轴承。若 载荷较小时，两端支承各装一个轴承，由于磨削时轴 向载荷为左右对称而且又不大，故轴承采用背靠背组 配也是对称方式，其接触角=15°
五、耐磨性
耐磨性又叫精度保持性：是主轴组件长期的保持其原始制造精度的能力， 所以相对运动部件间都必须有一定的硬度，对 摩擦表面要进行热处理和化学处理。 机床的工作精度 ---- 旋转精度 静态工作精度 ---- 刚度 动态工作精度 ---- 抗振性 精度保持性 ---- 耐磨性 此外还有结构上的要求： （1）主轴的定位可靠，轴向、径向（在切削力和传动力作用下）。 （2）主轴端部的结构要保证工件或刀具的装夹定位可靠及足够的 定位精度。 （3）保持长期可靠的运转，润滑与密封。 （4）结构工艺性好，好造、好装、好拆、好修。并降低成本。 综合上述：
第二节 主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承 一、主轴轴承的选择 轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、 配置、精度、安装、调整和润滑等都直接影响主 轴组件的工作性能，主轴的旋转精度在很大程度 上由其轴承决定，轴承的变形量约占主轴组件总 变形量的30-50%，轴承的发热量占的比重也较大 ，故主轴轴承应具有：旋转精度高、刚度大、承 载能力强、抗振性高、速度性能好、磨擦功耗小 、噪音低和寿命长。
●中等转速，较大载荷，要求刚度较高时，可 用线接触的轴承； ●双列向心短圆柱滚子轴承允许的转速更高一 些，使用时最好配以60度角接触双向推动向心 球轴承； ● 高速时可用向心推力球轴承，载荷加大时， 可用两个以上的轴承以轴向力为主。要求精度 不太高的主轴，可用单列向心球轴承，配推力 轴承。
●
径向尺寸受到限制时，可用滚针轴承；
开始应用于主轴上，如有些国产铣床的主轴材料
已改用球墨铸铁。
当主轴轴承采用滚动轴承时，轴径可不淬硬，
但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴径的配合
表面，不少45#（C6150，X62W，C6140）等轴径仍
用高频淬火（HRC48-54）。
当采用滑动轴承时，为了减少磨损，轴 径必须有很高的硬度。45#的主轴通常在滑 动轴径处进行高频淬火。对大直径（ф 350ф 400）可用火焰淬火来提高其表面硬度。 对受较大冲击的主轴可用15#钢或30#钢，并 在滑动轴颈表面渗碳，淬火及回火。 10.4.3 主轴的技术要求（P189）
方式无关，即无论是普通钢还是合金钢，其弹性
模量E基本相同，因此在选择钢材时首先选用价
格便宜的中碳钢（45#），只有在载荷特别重和
有较大冲击时，或者精密机床主轴需要减少热处
理变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨
性时，才考虑用合金钢。
目前，由于球墨铸铁具有高强度、耐磨、吸振、
工艺性好，成本低以及简化主轴深孔加工等优点，
CA6140型车床主轴组件改进后的结构，注意前后支承类 型及结构。
主轴组件的典型结构
双列圆柱滚子轴承主轴组件-2
书10-8，注意前后支承类型及结构。
圆锥滚子轴承主轴组件
书10-9，注意前后支承类型及结构。
主轴单元
书10-10，注意前后支承类型及结构。
主轴组件的典型结构
GAMET型圆锥滚子主轴组件
有利于提高刚度，提高抗振性、减少磨损和
提高寿命。
四、主轴滚动轴承的寿命 （1）表层疲劳发生点蚀 ：重载和高速主 轴 （2）因磨损降低精度 当轴承精度因磨损而降低时，我们认为它 失效。 决定主轴滚动轴承寿命的是精度，失 效原因是磨损。 什么是极限转速？广义上讲，普通精度级轴 承，在轻负荷下运转，达到规定稳定温度时的 转速。
Δα 端面跳动Δα 轴向窜动Δo
Δo
Δr
径向跳动Δr
二、刚度
刚度：是指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产 生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示， 比值越大，说明刚度越好。如图所示 K= F／δ （牛/微米）
三、抗振性
抗振性：是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运动的能力。用主 轴端部测得的最大振幅来衡量的。振幅越小，抗振性越好。 受迫振动：是由机床外部的振源或机床其他部件振动及主轴部件本身所引 起的。 自激振动：是由切削过程引起的。