第十章 主轴组件

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。
用来承受双向轴向载荷，常与双列
短圆柱滚子轴承配套使用。
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百度文库 4．深沟球轴承
这种轴承一般不能调整间隙，常用于精度和刚度要求
不太高的地方，如钻床主轴。轴向载荷则由配套的推力轴
承承受．
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5. 圆锥滚子轴承
普通单列圆锥滚子轴承（7000型），
●
径向尺寸受到限制时，可用滚针轴承；
● 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。
三、主轴滚动轴承的精度
主轴轴承精度应采用 P2 、 P4 、 P5 级，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。 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，有利于提高刚度，提高抗振 性、减少磨损和提高寿命。
dmn值与滚动体的公转线速度成正比。同样的d，不同的直径系列(轻、
特轻、超轻…)，外径是不同的。 因此， dmn值同时反映了转速、内径和直径系列。 轴承都规定了极限转速，指的普通精度级轴承，在轻负荷下运转，
达到规定稳定温度时的转速。这些条件各厂有自己的规定，且一般不公
开。主轴轴承的使用条件，与轴承厂的测试条件不一定一致，故规定的 极限转速只能供参考。
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。 P20
主轴滚动轴承可按下列原则选择：
●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。
最为常用的滑动轴承有下列６类:
深沟球轴
圆柱滚子轴承
推力球轴
角接触球轴承
圆锥滚子轴承
调心球轴承
二、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。为了提
高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该是可调的。这是主
的条件下工作。
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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
机床主轴用的轴承，有滚动和滑动两类。从旋转精度
来看，两类轴承都能满足要求。其他指标相比，滚动轴承
比滑动轴承的优点是： （3）滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。 （4）滚动轴承润滑容易，可以用脂润滑，一次装填一直 用到修理时才换脂。如果用油润滑，单位时间所需的油量
引起的应力通常小于钢的强度极限。
三、主轴的技术条件 刚度也不是选材的依据，因为各种钢材的弹性模量几 主轴的精度是根据机床的精度来提出技术要求，主轴的精度是：尺寸精 乎没有多少差别。 度，形状精度，以及支承轴颈与壳心表面之间的位置精度和光洁度。 支承轴颈为主轴基准，是工艺基准和测量基准，技术条件可以根据机床 手册和同等精度机床主轴图纸上的条件确定。 通过弹性模量E反映的，钢的E值较大—2.1×106 kg/cm² ,刚
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。
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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
机床主轴用的轴承，有滚动和滑动两类。从旋转精度 来看，两类轴承都能满足要求。其他指标相比，滚动轴承 比滑动轴承的优点是： （1）滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳 定地工作。 （2）滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧(有一定的过盈量)
六、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，空心主轴的刚度降低较小；
当d/D0=0.7时，空心主轴的刚度降低了24％；
一般应取d/D0≤0.7。 滚动轴承的刚度不是一个定值，而是载荷的函数。它随 载荷的增加而增长。计算时，如外载荷无法确定，可取额定 动裁荷 ( 可查样本 ) 的 1 ／ 10 作为轮承的载荷，计算的结果一 般地代表轴承的刚度。
第三节 主 轴
一、主轴结构形状要求
主轴的结构和形状主要取决于主轴所安装的刀具、 夹具、传动件、轴承及密封装置等的类型、数目、位置 和安装方法，同时还要考虑主轴的加工和装配工艺性。
主轴头部已标准化，见《机床设计手册》第3册。
为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至 主轴前端面的距离称为悬伸。悬伸量应尽可能地小些。
轴承的最高转速．决定于轴承的类型，负荷，间隙的调整，允许的
温升，选用的润滑剂和润滑方式．可通过试验决定。
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五、主轴滚动轴承的寿命
主轴轴承的失效形式： （1）表层疲劳发生点蚀 （重载和高速主轴）； （2）因磨损降低精度。
对一般机床，由于主轴较粗，载荷相对来说不大，
往往以磨损后精度下降作为失效的依据的。 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。
K= F／δ （牛/微米）
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3.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。
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4.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
主轴的前后轴承的精度选择对主轴精度影响很大，一 般影响主轴精度主要是前轴承的精度。它对主轴精度影响 大一些，应选高一些。前轴承精度比后轴承精度高一级，
主轴滚动轴承内外圈的旋转精 度见表10-1、表10-2、表10-3。
四、转速
轴承是以 dmn 值(mm.r/min)作为衡量转速性能的指标的。
dm是轴承的中径(mm)，是内径与外径的平均值，n为转速(r/min)。
第十章 主轴组件设计
主轴组件是机床的一个重要组成部分 主轴部件：是由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动 件、密封件和固定件等组成。 功 用： 安装并支承带动工件或刀具完成表面成形运动；
传递转矩、承受切削力和驱动力等载荷。
结构型式：有卧式、立式和倾斜式的不同布置方式。
Δα 端面跳动Δα 轴向窜动Δo Δr
发热造成的温差，称为温升。
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℃
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5.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
心主轴。把内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现
预紧。这种轴承多用于高速主轴。
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为了提高刚度和承栽能力，可以多个组合。下图为三种基本组合
方式：图a为背靠背组合，图b为面对面组合。图c为同向组合。这三种
方式，两个轴承都共同承担径向载荷；图a和b 承受双向轴向载荷．图c 只承受一个方向的轴向载荷，但承载能力较大，轴向刚度较高。
轴轴承主要的特点。线接触的滚子轴承，比点接触的球 轴承刚度高，但一定温升下允许的转速较低。
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1．角接触球轴承
这种轴承可承受径向和轴向载荷。 接触角常见的有 α＝15°和 α＝25°两种。 15°接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的地方， 如磨床主轴；
25°的多用于轴向载荷较大的地方，如车床和加工中
也远比滑动轴承小。
（5）滚动轴承是由轴承厂生产，可以外购。
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缺点是：
（1）滚动体的数量有限，所以在旋转中的径向刚度是变化 的。这是引起振动的原因之一。 （2）辊动轴承的阻尼较低。 （3）滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。
在一般情况下应尽量采用滚动轴承。特别是大多数
立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。只 有要求加工表面粗糙度数值较小，主轴又是水平的机床 如外圆和平面磨床、高精度机床等才用滑动轴承。主轴 组件的抗振性主要决定前轴承。因此，也有的主轴前支 承用滑动轴承，后支承和推力轴承用滚动轴承。
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。
此外，角接触球轴承、单向推力球轴承、滚针轴承
及圆柱轴承等，可根据结构选取。
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6.双列圆锥滚子轴承
双列圆锥滚子轴承由外圈2 、两个 内圈1 和隔套3 （也有的无隔套）组成。 修磨隔套3 就可以调整间隙或进行预紧。 轴承内圈仅在滚子的大端有挡边，内圈 挡边与滚子之间为滑动摩擦，所以发热 较多，允许的最高转速低于同尺寸的圆 柱滚子轴承。
主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，材料的刚性是
性好，承载能力大，耐磨性好，加工性能好， 热处 理变形 小，价格便宜。所以一 般主轴材料首选钢材。
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普通机床主轴可选用中碳钢（如45 钢）。调质处理后，
在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部 高频淬硬。以提高其耐磨性。 特殊要求时，才考虑选用合金钢。当载荷大和有冲击 时，或精密机床需要减小热处理后的变形时。
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。
综合上述： 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
----- 温升和热变形
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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
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通用机床主轴端部的形状
图(a)为车床的主轴端部。图(b)为铣、镗类机床的主轴端部。
图(c)为外圆磨床砂轮主轴的端部。图(d)为内圆磨床砂轮主 轴的端部。图(e)、(f)为钻床主轴的端部。
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保证足够的刚度和强度 主轴的外形为阶梯轴 便于轴上零件的装卸
得到足够多的止推面
内孔：用于通过棒料、拉杆和取出顶尖。 主轴端部的形状与尺寸已经标准化。
支承为滑动轴承，则轴颈也需淬硬，以提高耐磨性。
主轴常用材料及热处理要求
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三、 主轴的技术要求
主轴的技术要求，应根据机床精度标准有关项目制定。
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Δo
径向跳动Δr
第一节、对主轴组件的基本要求
对机床主轴的要求，有与一般传动轴共同之处：都
要在一定的转速下传递一定得转矩，保证轴上的传动件
和轴承正常的工作条件。 但是，主轴又是直接带着工件或刀具进行切削的。 机床的加工质量，在很大程度上靠主轴组件保证。 主轴直接承受切削力，通用机床(包括数控机床)的 转速变化范围又往往很大。因此，对于主轴组件，又有 的许多特殊要求。
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2.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。
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3、双向推力角接触球轴承
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
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1.旋转精度
机床在空载低速时，主轴前端安装刀具或夹具部
位的径向跳动、端面跳动、轴向窜动和角度摆动。 主轴的旋转轴线产生的跳动如图：
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2.静刚度
静刚度：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
二、主轴的材料及热处理
耐磨性 主轴材料的选择依据
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热处理方法
热处理后的变形大小
常用：结构钢，15#，20#，45#。 主轴的材料，应根据主轴的耐磨性、热处理方法和热
合金钢，20Cr, 40Cr, 50Mn, 65Mn. 处理后的变形来选择。 球墨铸铁也开始应用。 （2）热处理方法：滑动轴承支承，前端定位表面，淬硬 HRC50~55； 强度不是选材的依据，因为主轴的载荷相对来说不大， 低碳钢，渗碳淬火；合金可以化学处理。