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1、P1第十章第十章 主轴组件设计主轴组件设计 主轴组件是机床的一个重要组成部分主轴组件是机床的一个重要组成部分 主轴部件：主轴部件：是由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动是由主轴、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。件、密封件和固定件等组成。功功 用：用：安装并支承安装并支承带动带动工件或刀具完成表面成形运动；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。传递转矩、承受切削力和驱动力等载荷。结构型式：结构型式：有卧式、立式和倾斜式的不同布置方式。有卧式、立式和倾斜式的不同布置方式。端面跳动o轴向窜动or径向跳动r 第一节、对主轴组件的基本要求第一节、对主轴组件
2、的基本要求 对机床主轴的要求，有与一般传动轴共同之处：都对机床主轴的要求，有与一般传动轴共同之处：都要要在一定的转速下传递一定得转矩，保证轴上的传动件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。但是，主轴又是直接带着工件或刀具进行切削的。机床的机床的加工质量加工质量，在很大程度上，在很大程度上靠主轴组件保证靠主轴组件保证。主轴直接承受切削力，通用机床主轴直接承受切削力，通用机床(包括数控机床包括数控机床)的的转转速变化范围又往往很大速变化范围又往往很大。因此，对于主轴组件，又有的。因此，对于主轴组件，又有的
3、许多特殊要求。许多特殊要求。P2P3 1.1.旋转精度旋转精度旋转精度旋转精度 机床在空载低速时，主轴前端安装刀具或夹具部机床在空载低速时，主轴前端安装刀具或夹具部位的位的径向跳动径向跳动、端面跳动、轴向窜动端面跳动、轴向窜动和和角度摆动角度摆动。主轴的旋转轴线产生的跳动如图：主轴的旋转轴线产生的跳动如图：P4 2.2.2.2.静刚度静刚度静刚度静刚度 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。所加的作
4、用力的大小来表示，比值越大，说明刚度越好。如图所示如图所示 K=FK=F（牛（牛/微米）微米）P5 3.3.3.3.抗振性抗振性抗振性抗振性 抗振性：抗振性：是指其是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运动的能力运动的能力。用主轴端部测得的最大振幅来衡量的。振。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。幅越小，抗振性越好。受迫振动：受迫振动：是由机床是由机床外部的振源外部的振源或机床其他部件振动及主或机床其他部件振动及主轴部件本身所引起的。轴部件本身所引起的。自激振动：自激振动：是由切削过程引起的。是由切削过程引起的。P64.4.温升和热变形温
5、升和热变形温升和热变形温升和热变形机床在工作时，机床在工作时，各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而发热造成的温差，发热造成的温差，称为称为温升。温升。使主轴部件在形状和位置上产生畸变使主轴部件在形状和位置上产生畸变，称为，称为热变形热变形。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，也分的位置上的变化来度量，也可用温升近似的表达可用温升近似的表达。一般滑动轴承的温升一般滑动轴承的温升，工作温度，工作温度 一般滚动轴承的温升一般滚动轴承的温升，工作温度，工作温度P7 5.5.5.5.耐磨性耐磨性耐
6、磨性耐磨性耐磨性耐磨性又叫又叫精度保持性精度保持性：是主轴组件长期的保持其原：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。硬度，对摩擦表面要进行热处理和化学处理。综合上述：综合上述：机床的工作精度机床的工作精度 -旋转精度旋转精度 静态工作精度静态工作精度 -刚度刚度 动态工作精度动态工作精度 -抗振性抗振性 精度保持性精度保持性 -耐磨性耐磨性 -温升和热变形温升和热变形P8此外还有结构上的要求：此外还有结构上的要求：（1）主轴的）主轴的定位可靠定位可靠，轴向、径向（在切削
7、力和传，轴向、径向（在切削力和传动力作用下）。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）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可靠及足够的定位精度定位精度。（3）保持长期）保持长期可靠的运转，润滑与密封可靠的运转，润滑与密封。（4）结构工艺性好结构工艺性好，好造、好装、好拆、好修。并，好造、好装、好拆、好修。并降降低成本低成本。P9第二节第二节 主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承 一、主轴轴承的选择一、主轴轴承的选择 机床主轴用的轴承，有机床主轴用的轴承，有滚动滚动和和滑动滑动两类。从旋转精度两类。从旋转精度来看，两类轴承都能满足要求
8、。其他指标相比，滚动轴承来看，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比滑动轴承的优点是优点是：（1）滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下）滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳稳定地工作定地工作。（2）滚动轴承能在）滚动轴承能在无间隙无间隙，甚至在预紧，甚至在预紧(有一定的过盈量有一定的过盈量)的条件下工作。的条件下工作。P10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）滚动轴承的摩擦系数小摩擦系数小，有利于减少发热。，有
9、利于减少发热。（4）滚动轴承润滑容易，可以用）滚动轴承润滑容易，可以用脂润滑脂润滑，一次装填一直，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用到修理时才换脂。如果用油润滑，单位时间所需的油量也远比滑动轴承小。也远比滑动轴承小。（5）滚动轴承是由轴承厂生产，）滚动轴承是由轴承厂生产，可以外购可以外购。缺点是：缺点是：（1）滚动体的数量有限，所以在旋转中的）滚动体的数量有限，所以在旋转中的径向刚度是变化径向刚度是变化的。这是引起振动的原因之一。的。这是引起振动的原因之一。（2）辊动轴承的）辊动轴承的阻尼较低阻尼较低。（3）滚动轴承的）滚动轴承的径向尺寸径向尺寸比滑动轴承比滑动轴
10、承大大。在一般情况下应在一般情况下应尽量采用滚动轴承尽量采用滚动轴承。特别是大多数。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。只有要求有要求加工表面粗糙度数值较小加工表面粗糙度数值较小，主轴又是水平的机床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如外圆和平面磨床、高精度机床等才用滑动轴承。主轴。主轴组件的抗振性主要决定前轴承。因此，也有的主轴前支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。承用滑动轴承，后支承和推力轴承用滚动轴承。最为常用的滑动轴承有下列类最为常用的滑
11、动轴承有下列类:深沟球轴深沟球轴圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承推力球轴推力球轴角接触球轴承角接触球轴承圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承调心球轴承调心球轴承P13二、主轴滚动轴承类型选择二、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，的负载较轻。因此，一般情况下，承载能力承载能力和和疲劳寿命疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要指标不是选择主轴轴承的主要指标。主轴轴承，应主轴轴承，应根据精度根据精度、刚度刚度和和转速选择转速选择。为了提。为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该是可调的。这是主高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该
12、是可调的。这是主轴轴承主要的特点。线接触的滚子轴承，比点接触的球轴轴承主要的特点。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。轴承刚度高，但一定温升下允许的转速较低。1角接触球轴承角接触球轴承 这种轴承可承受这种轴承可承受径向径向和和轴向轴向载荷。载荷。接触角常见的有接触角常见的有 15和和 25两种。两种。15接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的地方，如接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的地方，如磨床主轴；磨床主轴；25的多用于轴向载荷较大的地方，如车床和加工中心的多用于轴向载荷较大的地方，如车床和加工中心主轴。把内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预主轴。把内
13、、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。紧。这种轴承多用于高速主轴。P14P15 为为了了提提高高刚刚度度和和承承栽栽能能力力，可可以以多多个个组组合合。下下图图为为三三种种基基本本组组合合方方式式：图图a为为背背靠靠背背组组合合，图图b为为面面对对面面组组合合。图图c为为同同向向组组合合。这这三三种种方方式式，两两个个轴轴承承都都共共同同承承担担径径向向载载荷荷；图图a和和b 承承受受双双向向轴轴向向载载荷荷图图c只承受一个方向的轴向载荷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。，但承载能力较大，轴向刚度较高。P162.圆锥孔双列圆柱滚子轴承圆锥孔双
14、列圆柱滚子轴承 这种轴承具有这种轴承具有径向尺寸较小径向尺寸较小、制造精度较高制造精度较高、承载能承载能力较大力较大、静刚度好静刚度好以及以及允许的转速高允许的转速高等优点，并等优点，并能够调整能够调整轴承的径向间隙轴承的径向间隙，因此在机床主轴组件上得到广泛应用。，因此在机床主轴组件上得到广泛应用。P17 3 3、双向推力角接触球轴承双向推力角接触球轴承 这种轴承的优点是这种轴承的优点是制造精度高制造精度高，允许转速高允许转速高，温升较低温升较低，抗振性高抗振性高于推力球轴承于推力球轴承8000型，型，装配调整简装配调整简单单，精度稳定可靠精度稳定可靠。与双列圆柱滚。与双列圆柱滚子轴承相配套
15、，用于承受轴向载荷。子轴承相配套，用于承受轴向载荷。用来承受双向轴向载荷，用来承受双向轴向载荷，常与双列常与双列短圆柱滚子轴承配套使用短圆柱滚子轴承配套使用。P184深沟球轴承深沟球轴承 这这种种轴轴承承一一般般不不能能调调整整间间隙隙，常常用用于于精精度度和和刚刚度度要要求求不不太太高高的的地地方方，如如钻钻床床主主轴轴。轴轴向向载载荷荷则则由由配配套套的的推推力力轴轴承承受承承受P195.圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承 普通单列圆锥滚子轴承（普通单列圆锥滚子轴承（7000型），型），能能同时承受径向和轴向载荷同时承受径向和轴向载荷，承载能力承载能力和刚度较高和刚度较高，价格便宜价格便宜，支承简单
16、支承简单，间间隙调整方便隙调整方便。可用于中速、中载、一般。可用于中速、中载、一般精度的主轴组件。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。圆柱轴承等，可根据结构选取。P20 双列圆锥滚子轴承由双列圆锥滚子轴承由外圈外圈2 2 、两个两个内圈内圈1 1 和和隔套隔套3 3（也有的无隔套）组成。（也有的无隔套）组成。修磨隔套修磨隔套3 就可以调整间隙或进行预紧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，所以挡边与滚子之间为滑动摩
17、擦，所以发热发热较多较多，允许的最高转速低于同尺寸的圆，允许的最高转速低于同尺寸的圆柱滚子轴承。柱滚子轴承。能够同时承受径向载荷和双向轴向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，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。等、一般精度的机床主轴组件。6.双列圆锥滚子轴承双列圆锥滚子轴承主轴滚动轴承可按下列原则选择：主轴滚动轴承可按下列原则选择：中中等等转转速速，较较大大载载荷荷，要要求求刚刚度度较较高高时时，可可用用线线接接触触的轴承；的轴承；双双列列向向心心短短圆圆柱柱滚滚子子轴
18、轴承承允允许许的的转转速速更更高高一一些些，使使用用时最好配以时最好配以6060度角接触双向推动向心球轴承；度角接触双向推动向心球轴承；高高速速时时可可用用向向心心推推力力球球轴轴承承，载载荷荷加加大大时时，可可用用两两个个以以上上的的轴轴承承以以轴轴向向力力为为主主。要要求求精精度度不不太太高高的的主主轴轴，可可用单列向心球轴承，配推力轴承。用单列向心球轴承，配推力轴承。径向尺寸受到限制时，可用径向尺寸受到限制时，可用滚针轴承滚针轴承；主主轴轴轴轴承承常常用用轻轻系系列列、特特轻轻系系列列和和超超轻轻系系列列，以以特特轻轻系系列列为为主主，轴轴承承越越“轻轻”滚滚动动体体的的直直径径越越小小
19、，但但滚滚动动体体的的数数量量越越多多，虽虽然然基基本本额额定定动动静静载载荷荷递递减减，但但刚刚度度变变化化却却不不大大，主主轴轴轴轴承承的的实实际际载载荷荷，相相对对于于其其基基本本额额定定载载荷荷，是是较低的。承载能力通常都有富余。较低的。承载能力通常都有富余。三、主轴滚动轴承的精度三、主轴滚动轴承的精度 主主轴轴轴轴承承精精度度应应采采用用P2 P2、P4 P4、P5P5级级，前前后后轴轴承承的的精精度度对主轴旋转精度的影响是不同的对主轴旋转精度的影响是不同的。由由于于轴轴承承的的工工作作精精度度主主要要决决定定于于旋旋转转精精度度，壳壳体体孔孔和和主主轴轴径径是是根根据据一一定定间间
20、隙隙和和过过盈盈要要求求配配作作的的，因因此此，内内外外圈圈的的尺尺寸精度即使较低，也不影响工作，但可以降低成本。寸精度即使较低，也不影响工作，但可以降低成本。轴轴承承的的精精度度不不仅仅影影响响主主轴轴组组件件的的回回转转精精度度，而而且且精精度度越越高高，各各滚滚动动体体受受力力越越均均匀匀，有有利利于于提提高高刚刚度度，提提高高抗抗振振性性、减少磨损和提高寿命。减少磨损和提高寿命。主主轴轴的的前前后后轴轴承承的的精精度度选选择择对对主主轴轴精精度度影影响响很很大大，一一般般影影响响主主轴轴精精度度主主要要是是前前轴轴承承的的精精度度。它它对对主主轴轴精精度度影影响响大一些，应选高一些。大
21、一些，应选高一些。前轴承精度比后轴承精度高一级前轴承精度比后轴承精度高一级，主主轴轴滚滚动动轴轴承承内内外外圈圈的的旋旋转转精精度度见表见表10-1、表、表10-2、表、表10-3。P25 四、转速四、转速 轴承是以轴承是以 dmn 值值(mm.r/min)作为衡量转速性能的指标的。作为衡量转速性能的指标的。dm是轴承的中径是轴承的中径(mm)，是内径与外径的平均值，是内径与外径的平均值，n为转速为转速(r/min)。dmn值值与与滚滚动动体体的的公公转转线线速速度度成成正正比比。同同样样的的d，不不同同的的直直径径系系列列(轻轻、特轻、超轻特轻、超轻)，外径是不同的。，外径是不同的。因此因此
22、，dmn值同时反映了值同时反映了转速转速、内径内径和和直径直径系列。系列。轴轴承承都都规规定定了了极极限限转转速速，指指的的普普通通精精度度级级轴轴承承，在在轻轻负负荷荷下下运运转转，达达到到规规定定稳稳定定温温度度时时的的转转速速。这这些些条条件件各各厂厂有有自自己己的的规规定定，且且一一般般不不公公开开。主主轴轴轴轴承承的的使使用用条条件件，与与轴轴承承厂厂的的测测试试条条件件不不一一定定一一致致，故故规规定定的的极限转速只能供参考。极限转速只能供参考。轴轴承承的的最最高高转转速速决决定定于于轴轴承承的的类类型型，负负荷荷，间间隙隙的的调调整整，允允许许的的温升，选用的润滑剂和润滑方式可通
23、过试验决定。温升，选用的润滑剂和润滑方式可通过试验决定。五、主轴滚动轴承的寿命五、主轴滚动轴承的寿命主轴轴承的失效形式：主轴轴承的失效形式：（1 1）表层疲劳发生）表层疲劳发生点蚀点蚀 （重载和高速主轴）；（重载和高速主轴）；（2 2）因）因磨损磨损降低精度。降低精度。对对一一般般机机床床，由由于于主主轴轴较较粗粗，载载荷荷相相对对来来说说不不大大，往往以磨损后精度下降作为失效的依据的。往往以磨损后精度下降作为失效的依据的。当当轴轴承承精精度度因因磨磨损损而而降降低低时时，我我们们认认为为它它失失效效。决定主轴滚动轴承寿命的是精度，失效原因是磨损。决定主轴滚动轴承寿命的是精度，失效原因是磨损。
24、六、滚动轴承的刚度六、滚动轴承的刚度 孔孔径径增增大大会会削削弱弱主主轴轴刚刚度度，主主轴轴端端部部的的刚刚度度与与截截面面惯惯性性矩成正比。矩成正比。当当d d/D D0 00.50.5时，空心主轴的刚度降低较小；时，空心主轴的刚度降低较小；当当d d/D D0 0=0.7=0.7时，空心主轴的刚度降低了时，空心主轴的刚度降低了2424；一般应取一般应取d d/D D0 00.70.7。滚滚动动轴轴承承的的刚刚度度不不是是一一个个定定值值，而而是是载载荷荷的的函函数数。它它随随载载荷荷的的增增加加而而增增长长。计计算算时时，如如外外载载荷荷无无法法确确定定，可可取取额额定定动动裁裁荷荷(可可
25、查查样样本本)的的110作作为为轮轮承承的的载载荷荷，计计算算的的结结果果一一般般地代表轴承的刚度。地代表轴承的刚度。P28 第三节第三节 主主 轴轴一、主轴结构形状要求一、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、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。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，见主轴头部已标准化，见机床设计手册机床设计手册第第3 3册。册。为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至为
26、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主轴前端面的距离称为悬伸悬伸。悬伸量应尽可能地小悬伸量应尽可能地小些。些。P29图图(a)(a)为车床的主轴端部。图为车床的主轴端部。图(b)(b)为铣、镗类机床的主轴端部。为铣、镗类机床的主轴端部。图图(c)(c)为外圆磨床砂轮主轴的端部。图为外圆磨床砂轮主轴的端部。图(d)(d)为内圆磨床砂轮主为内圆磨床砂轮主轴的端部。图轴的端部。图(e)(e)、(f)(f)为钻床主轴的端部。为钻床主轴的端部。通用机床主轴端部的形状通用机床主轴端部的形状通用机床主轴端部的形状通用机床主轴端部的形状P30主轴的外形为阶梯轴主轴的外形为阶梯轴 主轴
27、端部的形状与尺寸已经标准化。主轴端部的形状与尺寸已经标准化。内孔：用于通过棒料、拉杆和取出顶尖。内孔：用于通过棒料、拉杆和取出顶尖。主轴材料的选择依据主轴材料的选择依据二、主轴的材料及热处理二、主轴的材料及热处理耐磨性耐磨性热处理方法热处理方法热处理后的变形大小热处理后的变形大小 保证足够的刚度和强度保证足够的刚度和强度便于轴上零件的装卸便于轴上零件的装卸得到足够多的止推面得到足够多的止推面 P31 常用：结构钢，常用：结构钢，15#15#，20#20#，45#45#。合金钢，合金钢，20Cr,40Cr,50Mn,65Mn.20Cr,40Cr,50Mn,65Mn.球墨铸铁也开始应用。球墨铸铁也
28、开始应用。（2 2）热处理方法：滑动轴承支承，前端定位表面，淬硬）热处理方法：滑动轴承支承，前端定位表面，淬硬HRC5055HRC5055；低碳钢，渗碳淬火；合金可以化学处理。低碳钢，渗碳淬火；合金可以化学处理。三、主轴的技术条件 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。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
29、手册和同等精度机床主轴图纸上的条件确定。手册和同等精度机床主轴图纸上的条件确定。主轴的材料，应根据主轴的主轴的材料，应根据主轴的耐磨性、热处理方法耐磨性、热处理方法和和热处热处理后的变形理后的变形来选择。来选择。强度不是选材的依据，强度不是选材的依据，因为因为主轴的载荷相对来说不大，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。引起的应力通常小于钢的强度极限。刚度也不是选材的依据，刚度也不是选材的依据，因为各种钢材的弹性模量几乎因为各种钢材的弹性模量几乎没有多少差别。没有多少差别。主轴的刚度与材料的弹性模量主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，值有关，材料的刚性是材料的刚性是通过弹性模
30、量通过弹性模量E反映的，钢的反映的，钢的E值较大值较大2.1106 kg/cm,刚刚性好性好，承载能力大承载能力大，耐磨性好耐磨性好，加工性能好加工性能好，热处热处 理变形理变形小小，价格便宜价格便宜。所以所以一一 般般主轴材料首选钢主轴材料首选钢材材。P32 普通机床主轴可选用中碳钢普通机床主轴可选用中碳钢（如（如45 钢）。调质处理后，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高频淬硬。以提高其耐磨性。以提高其耐磨性。特殊要求时，才考虑选用合金钢特殊要求时，才考虑选用合金钢。当载荷大和有冲击。当载荷大和有冲
31、击时，或精密机床需要减小热处理后的变形时。时，或精密机床需要减小热处理后的变形时。支承为滑动轴承，则轴颈也需淬硬，以提高耐磨性。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主轴常用材料及热处理要求 P33 三、三、主轴的技术要求主轴的技术要求 主轴的技术要求，应根据机床精度标准有关项目制定。主轴的技术要求，应根据机床精度标准有关项目制定。首先制定出满足主轴首先制定出满足主轴旋转精度旋转精度所必需的技术要求，所必需的技术要求，如如主轴前后轴承轴颈主轴前后轴承轴颈的的同轴度同轴度，锥孔相对于前后轴颈中心连锥孔相对于前后轴颈中心连线线的的径向圆跳动径向圆跳动，定心轴颈及其定
32、位轴肩相对于前后轴颈定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心连线中心连线的的径向圆跳动径向圆跳动和和端面圆跳动端面圆跳动等。等。再再考虑其它性能所需的要求，考虑其它性能所需的要求，如如表面粗糙度，表面硬表面粗糙度，表面硬度度等。等。主轴的技术要求要满足设计要求、工艺要求、检测方主轴的技术要求要满足设计要求、工艺要求、检测方法的要求，应尽量做到设计、工艺、检测的基准相统一。法的要求，应尽量做到设计、工艺、检测的基准相统一。P34 主轴各部位的主轴各部位的尺寸公差尺寸公差、形位公差形位公差、表面粗糙度表面粗糙度和和表面硬度表面硬度等具体数值应根据机床的类型、规格、精度等等具体数值应根据机床的类型、规
33、格、精度等级及主轴轴承的类型来确定。级及主轴轴承的类型来确定。P351、轴颈、轴颈A和和B的圆度的圆度：A0.003，B0.00252、莫氏锥孔和、莫氏锥孔和A、B面用涂色法检查接触率面用涂色法检查接触率：703、莫氏锥孔对轴颈、莫氏锥孔对轴颈A、B的径向圆跳动的径向圆跳动：近轴端近轴端 0.005 300mm处处0.0104)短锥短锥C对轴颈对轴颈A、B的径向圆跳动的径向圆跳动：0.0055)端面端面D对轴颈对轴颈A、B的端面圆跳动的端面圆跳动 ：0.010P36 第四节第四节 主轴组件主轴组件一、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件一、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件一、车、镗、铣、加工中
34、心类机床主轴组件一、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件 可选用接触角为可选用接触角为 250 的球轴承；轴向切削分力较小时，的球轴承；轴向切削分力较小时，可选用接触角为可选用接触角为 150 的球轴承。在相同的工作条件下，前者的球轴承。在相同的工作条件下，前者的轴向刚度比后者大一倍。的轴向刚度比后者大一倍。1、速度型、速度型 当轴向切削分当轴向切削分力较大时主轴前后轴力较大时主轴前后轴承都采用承都采用角接触球轴角接触球轴承承，（两联或三联）。，（两联或三联）。P37 角接触球轴承具有角接触球轴承具有良好的高速性能良好的高速性能，但它的，但它的承载能承载能力较小力较小，因而适用于，因而适用于高速
35、轻载高速轻载或或精密机床精密机床，如高速镗削，如高速镗削单元、高速单元、高速CNC 车床等。车床等。P38(2）刚度型）刚度型 前支承采用前支承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷双列圆柱滚子轴承承受径向载荷和和 600 角接触双列推力球轴承角接触双列推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用承受轴向载荷，后支承采用双列双列圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承。P39 这种轴承配置的主轴部件，适用于这种轴承配置的主轴部件，适用于中等转速中等转速和和切削负切削负载较大载较大，要求，要求刚度高刚度高的机床，如数控车床主轴、镗削主轴的机床，如数控车床主轴、镗削主轴单元等。单元等。由由于于结结构构设设计计的的原原因因，导导致
36、致主主轴轴箱箱长长度度较较长长，应应增增加一个支承来提高主轴组件的刚度和抗振性加一个支承来提高主轴组件的刚度和抗振性。三支承主轴组件三支承主轴组件典型结构典型结构主支承主支承辅助支承辅助支承P41 (3)刚度速度型刚度速度型 前轴承采用前轴承采用三联角接触球轴承三联角接触球轴承，后支承采用，后支承采用双列圆柱滚子轴承双列圆柱滚子轴承。主。主轴的动力从后端传入，后轴承要承受较大的传动力，所以采用轴的动力从后端传入，后轴承要承受较大的传动力，所以采用双列圆柱双列圆柱滚子轴承滚子轴承。前轴承的配置特点是：外侧的两个角接触球轴承大口朝向主。前轴承的配置特点是：外侧的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，
37、承受主要方向的轴向力；第三个角接触球轴承则通过轴套与轴工作端，承受主要方向的轴向力；第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承跨距，外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承跨距，以提高承受颠覆力矩的刚度。以提高承受颠覆力矩的刚度。轴向力方向轴向力方向P42 下图是采用圆锥滚子轴承的主轴部件，其结构比采用下图是采用圆锥滚子轴承的主轴部件，其结构比采用双列圆柱滚子轴承简化，承载能力和刚度比角接触球轴双列圆柱滚子轴承简化，承载能力和刚度比角接触球轴承高。但是，因为圆锥滚子轴承发热大，温升高，允许承高。但是，因为圆锥滚子轴承发热大，温升高
38、，允许的极限转速要低些。的极限转速要低些。适用于载荷较大，转速不太高的普适用于载荷较大，转速不太高的普通精度的机床主轴通精度的机床主轴。P43 下图是卧式镗铣床主轴部件，由镗主轴下图是卧式镗铣床主轴部件，由镗主轴2 和铣主轴和铣主轴3 组组成。铣主轴成。铣主轴3 的前轴承采用双列圆锥滚子轴承，可以的前轴承采用双列圆锥滚子轴承，可以承受承受双向轴向力双向轴向力和和径向力径向力，承载能力大承载能力大，刚性好刚性好，结构简单结构简单。主运动传动齿轮主运动传动齿轮1 装在铣主轴装在铣主轴3 上。铣主轴轴端可装铣刀盘上。铣主轴轴端可装铣刀盘或平镟盘，进行铣削加工或车削加工。镗主轴可在铣主轴或平镟盘，进行
39、铣削加工或车削加工。镗主轴可在铣主轴内轴向移动，通过双键内轴向移动，通过双键4 传动，用于孔加工。传动，用于孔加工。P44 右图是采用右图是采用推力球推力球轴承承受两个方向轴向轴承承受两个方向轴向力力的主轴部件，其的主轴部件，其轴向轴向刚度很高刚度很高，适用于承受，适用于承受轴向载荷大的机床主轴，轴向载荷大的机床主轴，如钻床。如钻床。二、磨床类主轴组件二、磨床类主轴组件1 1、这种主轴组件是一个独立的单元，由专门工厂制造、这种主轴组件是一个独立的单元，由专门工厂制造(见图).2 2、主主轴轴的的转转动动由由电电动动机机(P(P1 13kW)3kW)经经平平带带输输入入主主轴轴左左端端平平带带轮
40、轮，主主轴轴的的右右端端装装砂砂轮轮杆杆。主主轴轴两两端端载载荷荷都都较较大大，故故前前后后支支承承都都配配置置两两个个同同向向角角接接触触球球轴轴承承。若若载载荷荷较较小小时时，两两端端支支承承各各装装一一个个轴轴承承，由由于于磨磨削削时时轴轴向向载载荷荷为为左左右右对对称称而而且且又又不不大大，故故轴轴承承采采用用背背靠靠背背组组配配也也是是对对称称方方式式，其其接触角接触角=15=15 P46 三、主轴滚动轴承的预紧三、主轴滚动轴承的预紧 主轴滚动轴承的主轴滚动轴承的间隙量（游隙量）大小对主轴组件工作间隙量（游隙量）大小对主轴组件工作性能及轴承寿命有重要影响性能及轴承寿命有重要影响。滚动
41、轴承保持合理间隙量，是。滚动轴承保持合理间隙量，是提高主轴组件旋转精度、刚度和抗振性的一项重要措施。提高主轴组件旋转精度、刚度和抗振性的一项重要措施。所所谓谓预预紧紧就就是是采采用用预预加加载载荷荷的的方方法法消消除除轴轴承承间间隙隙，而而且且有有一一定定的的过过盈盈量量，使使滚滚动动体体和和内内外外圈圈接接触触部部分分产产生生预预变变形形，增增加加接接触触面面积积，提提高高支支承承刚刚度度和和抗抗振振性性。主主轴轴部部件件的的主要支承轴承都要预紧，预紧有主要支承轴承都要预紧，预紧有径向径向和和轴向轴向两种。两种。预预紧紧力力通通常常分分为为三三级级：轻轻预预紧紧、中中预预紧紧和和重重预预紧紧
42、，代代号号为为A、B、C。轻轻预预紧紧适适用用于于高高速速主主轴轴，中中预预紧紧适适用用于于中、低速主轴中、低速主轴；重预紧用于分度主轴重预紧用于分度主轴。P47 1.1.双列圆柱滚动轴承预紧双列圆柱滚动轴承预紧机床主轴组件不仅在装配时需要调整轴承间隙，在使用一段时间机床主轴组件不仅在装配时需要调整轴承间隙，在使用一段时间后，轴承有了磨损，还需要重新调整。后，轴承有了磨损，还需要重新调整。轴承的间隙调整一般是通过拧轴承的间隙调整一般是通过拧紧螺母推动轴承的某一圈（内圈、外圈或紧圈），紧螺母推动轴承的某一圈（内圈、外圈或紧圈），因内圈孔是因内圈孔是1:12 的的锥孔，使内圈径向涨大，锥孔，使内圈
43、径向涨大，来实现来实现预紧预紧。径向预紧轴承的间隙（过盈）量控制方式径向预紧轴承的间隙（过盈）量控制方式：(a).(a).无控制装置无控制装置 (b).(b).控制螺母控制螺母 (c).(c).控制环控制环 P48 2 2、角接触球轴承轴向的预紧、角接触球轴承轴向的预紧 这类轴承都是通过内、外圈之间的相对轴向位移来调整间隙的。这类轴承都是通过内、外圈之间的相对轴向位移来调整间隙的。（a a）修磨内圈修磨内圈 （b b）内、外隔套内、外隔套 （c c）无控制装置无控制装置 （d d）弹簧预紧弹簧预紧 四、主轴组件的传动四、主轴组件的传动 1、传动方式、传动方式 主轴上用的传动件，主要有主轴上用的
44、传动件，主要有齿轮齿轮和和带带。齿齿轮轮能能传传递递较较大大的的转转距距，传传动动比比准准确确，是是一一般般机机床床最最常常用用的的传传动副。缺点是线速度不能很高，传动也不够平稳。动副。缺点是线速度不能很高，传动也不够平稳。转转速速较较高高的的主主轴轴，用用带带传传动动可可使使运运转转平平稳稳。传传动动带带易易拉拉长长和和磨磨损损，设设计计时时必必须须注注意意能能调调节节中中心心距距；磨磨损损后后易易于于更更换换，有有可可靠靠的的防防护护设设备备以以防防止止与与油油接接触触受受侵侵蚀蚀。当当线线速速度度V 30ms时时，可可用用v型型带带、多多楔楔带带或或同同步步齿齿形形带带；V 30ms时时
45、，可可用用橡橡胶胶成成皮皮革革平平带带，V35ms时可用丝时可用丝(天然丝、锦纶丝或涤纶丝天然丝、锦纶丝或涤纶丝)织带。织带。P49 除以上两种传动件外：除以上两种传动件外：转速转速 n3000r/min 时可用时可用工频异步电动机工频异步电动机；高速时可用高速时可用中频电动机中频电动机，如内圆磨头。，如内圆磨头。有变速要求时，可用有变速要求时，可用变极的多速电动机变极的多速电动机或或交流调频电交流调频电动机动机。目前巳出现既可调频、又能变极的目前巳出现既可调频、又能变极的内装电机式主轴单内装电机式主轴单元元，内装式电动机转子轴就是主轴，无中间传动环节，可，内装式电动机转子轴就是主轴，无中间传
46、动环节，可使主轴不受传动弯矩。具有较大的恒功率变速范围，用于使主轴不受传动弯矩。具有较大的恒功率变速范围，用于加工中心。加工中心。P50P51电动机直接驱动电动机直接驱动F 转速转速3000（r/min）的主轴的主轴F异步电动机变极调速异步电动机变极调速内内圆圆磨磨床床电电主主轴轴 定子定子转子转子后轴承后轴承主轴主轴前轴承前轴承P52 (1).(1).主轴不承受传动力主轴不承受传动力 高精度或精密机床的主轴上，高精度或精密机床的主轴上，往往采用往往采用“卸荷式卸荷式”传动件，只传动件，只传递转矩而卸掉径向力。传递转矩而卸掉径向力。(2).(2).主轴尾端承受传动力主轴尾端承受传动力 将带轮装
47、在主轴的外伸尾端将带轮装在主轴的外伸尾端上，使主轴承受传动力。上，使主轴承受传动力。2、主轴传动件布置、主轴传动件布置 多数主轴是由齿轮传动的。齿轮可位于前轴承之前多数主轴是由齿轮传动的。齿轮可位于前轴承之前或后轴承之后，也可位于前、后轴承之间。或后轴承之后，也可位于前、后轴承之间。P53(4).主轴两支承间承受传动力主轴两支承间承受传动力 为了减小主轴的弯曲变形和扭转变形，提高固有频为了减小主轴的弯曲变形和扭转变形，提高固有频率，应将传动齿轮布置在率，应将传动齿轮布置在靠近前支承靠近前支承的位置上，两种的位置上，两种情况如下：情况如下：(3).主轴前端承受传动力主轴前端承受传动力 将带轮装在
48、主轴的前端上，主将带轮装在主轴的前端上，主轴前端悬伸部分同时承受传动力轴前端悬伸部分同时承受传动力Q和切削力和切削力F时，时，应使应使Q、F方向相反方向相反。P54第五节第五节 提高主轴部件性能的措施提高主轴部件性能的措施一、提高精度一、提高精度在在保保证证主主轴轴制制造造精精度度，保保证证轴轴承承精精度度的的同同时时，采采用用定定向向误误差装配法差装配法可可进进一步提高主一步提高主轴组轴组件的旋件的旋转转精度。精度。如如图图主主轴轴的的三三项项误误差差都都是是矢矢量量，因因此此这这三三项项误误差差按按一一定方向装配，可使误差相互抵消。定方向装配，可使误差相互抵消。二、控制温升，提高转速，减少
49、热变形。二、控制温升，提高转速，减少热变形。二、控制温升，提高转速，减少热变形。二、控制温升，提高转速，减少热变形。随着技术的发展，主轴转速将越来越高。但主轴温升，却不能超随着技术的发展，主轴转速将越来越高。但主轴温升，却不能超过规定值。过规定值。球轴承允许的转速比滚子轴承高球轴承允许的转速比滚子轴承高。角接触球轴承中，。角接触球轴承中，接触接触角小的转速高角小的转速高。用油雾或油气润滑比用脂润滑转速高用油雾或油气润滑比用脂润滑转速高。轻预紧比中预轻预紧比中预紧转速高。紧转速高。为了加强轴承的冷却，可把轴承的外圈装在套筒内，套筒为了加强轴承的冷却，可把轴承的外圈装在套筒内，套筒外有螺旋油沟，外
50、有螺旋油沟，内通冷却油来冷却轴承内通冷却油来冷却轴承。轴承在高速运转时，滚动体作用于外圈滚道很大一个离心力。从轴承在高速运转时，滚动体作用于外圈滚道很大一个离心力。从而产生很大的接触变形，并发热。为降低离心力，目前有两个办法：而产生很大的接触变形，并发热。为降低离心力，目前有两个办法：(1)采用小直径钢球采用小直径钢球，使得钢球数增加了，轴承刚度还可有所提高。，使得钢球数增加了，轴承刚度还可有所提高。(2)采用氮化硅采用氮化硅(si3N4)陶瓷球陶瓷球。氮化硅的密度约为钢的。氮化硅的密度约为钢的40，弹性模，弹性模量为量为151，因此也还可提高刚度。这种轴承的套圈，仍为钢制。，因此也还可提高刚