主轴部件设计

1、3.6 主轴部件设计主轴部件设计 功用：功用：支承并带动工件或刀具支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。力等载荷，完成表面成形运动。 组成：支承轴承、传动件、密组成：支承轴承、传动件、密封件、定位元件、主轴。封件、定位元件、主轴。 一、主轴部件应满足的基本要求一、主轴部件应满足的基本要求 1、旋转精度、旋转精度 a. 概念：概念：主轴的旋转精度是指主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条装配后，在无载荷、低速转动的条件下，在安装工件或刀具的主轴部件下，在安装工件或刀具的主轴部位的位的径向和轴向跳动径向和轴向跳动。 b

2、影响因素：影响因素：旋转精度取决于旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。配和调整精度。 径向跳动影响因素：径向跳动影响因素：主轴轴颈主轴轴颈的园度、轴承滚道及滚子园度、主的园度、轴承滚道及滚子园度、主轴及回转件的动平衡。轴及回转件的动平衡。 轴向跳动影响因素：轴向跳动影响因素：轴承支承轴承支承端面，轴肩的垂直度，止推轴承的端面，轴肩的垂直度，止推轴承的滚道及滚子误差。滚道及滚子误差。 轴、径向跳动影响因素：轴、径向跳动影响因素：主轴主轴主要定心面的轴、径向跳动（锥孔主要定心面的轴、径向跳动（锥孔误差，误差，mol精度。）精度。） 2、刚度、刚度

3、 a. 概念：概念：主轴部件的刚度指其主轴部件的刚度指其在外载荷作用下抵抗变形的能力。在外载荷作用下抵抗变形的能力。（以主轴前端产生单位位移的弹性（以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上施加的作用变形时，在位移方向上施加的作用力来定义）。力来定义）。 静刚度静刚度 作用力是静力引起的作用力是静力引起的 弹性变形弹性变形 图图354b. 动刚度动刚度 作用力是交变力引起的作用力是交变力引起的 弹性变形弹性变形jjjyFk/dddYFk/ c. 影响因素：影响因素：主轴的尺寸和形主轴的尺寸和形状，滚动轴承的类型和数量、预紧状，滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、和配置

4、形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量。主轴部件的制造和装配质量。 3、抗振性、抗振性 a.概念：概念：抗振性指抵抗受迫振动抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力和自激振动的能力 冲击力和交变力是由材料硬度不冲击力和交变力是由材料硬度不均匀，加工余量的变化，主轴部件不均匀，加工余量的变化，主轴部件不平衡，轴承或齿轮存在缺陷以及切削平衡，轴承或齿轮存在缺陷以及切削过程中的颤振引起。过程中的颤振引起。 b.影响因素：影响因素：主轴部件的静刚度，主轴部件的静刚度，质量分布及阻尼质量分布及阻尼 4、升温和热变形、升温和热变形 主轴部件运转时，因各相对运主轴部件运转时，因各相对运动处摩擦生热，切

5、削区的切削热等动处摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的和位置发生变化，造成主轴部件的热变形热变形引起轴承间隙变化，润滑引起轴承间隙变化，润滑油粘度降低，影响主轴工作性能，油粘度降低，影响主轴工作性能，降低加工精度。降低加工精度。高精度机床高精度机床 810精密机床精密机床 1520 连续运转允连续运转允 许温升许温升普通机床普通机床 3040 5、精度保持性、精度保持性 a.概念概念 精度保持性指长期地保精度保持性指长期地保持其原始制造精度的能力持其原始制造精度的能力 b.影响因素影响因素 磨损，主轴轴承、磨损，主

6、轴轴承、轴颈表面、装夹工件刀具的定位表轴颈表面、装夹工件刀具的定位表面的磨损面的磨损（磨损的速度与磨擦的种类有关，与（磨损的速度与磨擦的种类有关，与结构特点、粗糙度、热处理方式、结构特点、粗糙度、热处理方式、润滑、防护、使用条件有关。）润滑、防护、使用条件有关。） 二、主轴部件的传动方式二、主轴部件的传动方式分类分类 齿轮传动齿轮传动 按主轴的转速、传递的按主轴的转速、传递的 扭矩，运动平稳性扭矩，运动平稳性带传动带传动 要求、结构、装卸、维要求、结构、装卸、维 修要求选取修要求选取电机直接驱动电机直接驱动 1、齿轮传动、齿轮传动 结构简单、紧凑，能传递较大结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩，能

7、适应变转速、变载荷工的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，线速度不能过高，常小于作，线速度不能过高，常小于1215m/s，不如带传动平稳。，不如带传动平稳。 2、带传动、带传动 类型：平带、三角带、多楔带，类型：平带、三角带、多楔带， 同步齿形带同步齿形带（P122图图352） 特点：特点：靠摩擦力传动（除同步靠摩擦力传动（除同步齿形带外），结构简单，制造容易，齿形带外），结构简单，制造容易，成本低，适用于大中心距传动，皮成本低，适用于大中心距传动，皮带吸振，传动平稳，噪声小，适宜带吸振，传动平稳，噪声小，适宜变速传动，打滑起过载保护。变速传动，打滑起过载保护。 缺点：缺点：有滑动，不能用于速比有

8、滑动，不能用于速比要求准确的场合。要求准确的场合。 同步齿形带：带上的齿形与带同步齿形带：带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和力，轮上的轮齿相啮合传递运动和力，无滑动，传动比准确，传动精度高，无滑动，传动比准确，传动精度高，强度高。强度高。 3、电机直接驱动、电机直接驱动 电机转子轴与主轴制成一体电机转子轴与主轴制成一体（图图353）。）。 结构简化，提高了刚度，降低结构简化，提高了刚度，降低了噪声和振动，有宽的调速范围，了噪声和振动，有宽的调速范围，大的输出功率和扭矩。大的输出功率和扭矩。 用于精密机床，高速加工中心，用于精密机床，高速加工中心，数控车床。数控车床。 三、主轴部件结构设计

9、三、主轴部件结构设计 （一）主轴部件的支承数目（一）主轴部件的支承数目 1、前、后两支承（、前、后两支承（P100 图图3-25） 前支承为双列短圆柱滚子轴承前支承为双列短圆柱滚子轴承,后为圆锥滚子轴承。后为圆锥滚子轴承。 结构简单，制造方便，易保证精结构简单，制造方便，易保证精度，需消除间隙和预紧。度，需消除间隙和预紧。 2、三支承、三支承 见图见图3-24 前后支承为主，中间支承为辅。前后支承为主，中间支承为辅。 前、中支承为主，后支承为辅。前、中支承为主，后支承为辅。（多采用）（多采用） 三支承方式对三支承孔的同心三支承方式对三支承孔的同心度要求较高，制造装配复杂，乃需度要求较高，制造装

10、配复杂，乃需消除间隙和预紧，但不能三个轴承消除间隙和预紧，但不能三个轴承都预紧，以免干涉。都预紧，以免干涉。 （二）推力轴承位置配置形式（二）推力轴承位置配置形式 推力轴承的配置形式影响主推力轴承的配置形式影响主轴轴向刚度和热变形的方向和大轴轴向刚度和热变形的方向和大小。小。 1、前端配置、前端配置 两个方向的推力轴承都布置在两个方向的推力轴承都布置在前支承处，前支承处轴承发热大，前支承处，前支承处轴承发热大，温度高；但主轴受热后向后伸长，温度高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，用于高不影响轴向精度，精度高，用于高精度机床，数控机床。精度机床，数控机床。 2、后端配置、后端配置

11、两个方向的推力轴承都布置在两个方向的推力轴承都布置在后支承处。较少用，发热小、温度后支承处。较少用，发热小、温度低，主轴受热后向前伸长，影响轴低，主轴受热后向前伸长，影响轴向精度，用于普通精度机床，立铣，向精度，用于普通精度机床，立铣，多刀车床。多刀车床。 3、两端配置、两端配置 两个方向的推力轴承分别布置在前两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处，这类配置方案当主轴受后两个支承处，这类配置方案当主轴受热伸长后，影响轴承的轴向间隙，为避热伸长后，影响轴承的轴向间隙，为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀，用于短主轴，如组合机床。胀，用于短主轴，如组合机床

12、。 4、中间配置、中间配置 两个方向的推力轴承配置在前两个方向的推力轴承配置在前支承的后侧，此方案可减少主轴的支承的后侧，此方案可减少主轴的悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，但前支承结构复杂，温升可能较高。但前支承结构复杂，温升可能较高。 （三）主轴传动件位置的合理布（三）主轴传动件位置的合理布置置 1、传动件在主轴上轴向位置的、传动件在主轴上轴向位置的合理布置合理布置 合理布置传动件在主轴上的轴合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受力情况向位置，可以改善主轴的受力情况减小其变形，提高主轴的抗振性。减小其变形，提高主轴的抗振性。 布置原则：传动力引起的

13、主轴布置原则：传动力引起的主轴弯曲变形要小，引起主轴前轴端在弯曲变形要小，引起主轴前轴端在影响加工精度敏感方向上的位移要影响加工精度敏感方向上的位移要小。（不叠加）小。（不叠加） i 传动件放在两个支承中间靠近前支承传动件放在两个支承中间靠近前支承处，受力较好，用得最为普遍处，受力较好，用得最为普遍 ii 传动件放在轴前悬伸端，主要用于大传动件放在轴前悬伸端，主要用于大转盘的机床，如立车、镗床等，传动齿转盘的机床，如立车、镗床等，传动齿轮直接安装在转盘上。轮直接安装在转盘上。 iii 传动件放在后悬伸端，较多地用于带传动件放在后悬伸端，较多地用于带传动，为了更换传动带方便，如磨床。传动，为了更

14、换传动带方便，如磨床。Q Q1 FQ Q1FQ F Q1 2、驱动主轴的传动轴位置的合、驱动主轴的传动轴位置的合理布置理布置 主轴受到的驱动力相对于切削主轴受到的驱动力相对于切削力的方向取决于驱动主轴的传动轴力的方向取决于驱动主轴的传动轴位置。应尽可能将该驱动轴布置在位置。应尽可能将该驱动轴布置在合理位置，使驱动力引起的主轴变合理位置，使驱动力引起的主轴变形可抵消一部分因切削力引起的主形可抵消一部分因切削力引起的主轴轴端精度敏感方向上的位移。轴轴端精度敏感方向上的位移。 （四）主轴主要结构参数的确定（四）主轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有：主轴的主要结构参数有：主轴主轴前、后轴颈的直

15、径前、后轴颈的直径D1、D2，主轴内，主轴内孔直径孔直径d，主轴前端悬伸量，主轴前端悬伸量a，主轴，主轴主要支承间的跨距主要支承间的跨距L。图图3-56 （主轴的头部已经标准化，用以安装标准（主轴的头部已经标准化，用以安装标准刀具和夹具，其形状和尺寸，参考机床刀具和夹具，其形状和尺寸，参考机床设计手册，同类型机床。）设计手册，同类型机床。） （五）主轴（五）主轴 1、主轴的构造、主轴的构造 主轴的构造和形状主要决定于主主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具，传动件、轴上所安装的刀具、夹具，传动件、轴承等零件的类型、数量、位置、安轴承等零件的类型、数量、位置、安装定位方法等。装定位方

16、法等。 设计时应考虑主轴加工工艺性，设计时应考虑主轴加工工艺性，装配工艺性。装配工艺性。 主轴一般为空心阶梯轴，前端径主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小（现已标准化）。尾部径向尺寸最小（现已标准化）。 2、主轴材料和热处理、主轴材料和热处理（P125 表表3-11） 主轴的材料应根据载荷特点，耐磨性主轴的材料应根据载荷特点，耐磨性要求、热处理方法及热处理变形情况选择。要求、热处理方法及热处理变形情况选择。 普通机床用中碳钢（普通机床用中碳钢（45钢），调质钢），调质处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或处理后，在主轴端部、

17、锥孔、定心轴颈或定心锥面部位局部高频淬火，提高耐磨性。定心锥面部位局部高频淬火，提高耐磨性。 精密机床、大载荷机床用合金钢，精密机床、大载荷机床用合金钢，轴承的轴肩淬火，提高耐磨性。轴承的轴肩淬火，提高耐磨性。 3、主轴的技术要求、主轴的技术要求 设计要求、工艺要求、检验要设计要求、工艺要求、检验要求求 尺寸公差、形位公差、表面粗尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、表面硬度。糙度、表面硬度。图图3-57 （莫氏锥度是一个锥度的国际标准，用于静配合以精确定位。由于锥度很小，可以传递一定的扭距，又因为有锥度，又便于拆卸 ） 四、主轴滚动轴承四、主轴滚动轴承 （一）主轴部件主支承常用滚（一）主轴部件主支

18、承常用滚动轴承动轴承 角接触轴承角接触轴承 双列短圆柱滚子轴承双列短圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承 推力轴承推力轴承 双向推力角接触轴承双向推力角接触轴承 （二）几种典型的主轴轴承配置（二）几种典型的主轴轴承配置形式形式 1、速度型、速度型 图图3-64a 主轴前后轴承都采用主轴前后轴承都采用角接触球角接触球轴承轴承（两联或三联），当轴向切削（两联或三联），当轴向切削分力较大时，选分力较大时，选25的球轴承，轴的球轴承，轴向切削分力较小时，选向切削分力较小时，选15球轴承球轴承在相同的工作条件下，前者的轴向在相同的工作条件下，前者的轴向刚度比后者大一倍。刚度比后者大一倍。 角接触球轴承

19、具有良好的高速角接触球轴承具有良好的高速性能，但承载力较小，适用于高速性能，但承载力较小，适用于高速轻载或精密机床，如高速镗削单元，轻载或精密机床，如高速镗削单元，高速高速CNC车床。车床。 2、刚度型、刚度型 图图3-64b 前支承采用双列短圆柱滚子前支承采用双列短圆柱滚子轴承受径向载荷和轴承受径向载荷和60角接触双角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷，列向心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，用于中等转速和切削负载较大，用于中等转速和切削负载较大，要求刚度高的机床，如数控车床，要求刚度高的机床，如数控车床，镗削单元。镗削单元。 3、刚度速度型

20、、刚度速度型 图图3-64c 前轴承采用三联角接触球轴承，前轴承采用三联角接触球轴承，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，动力从后端传入，后轴承要承受较动力从后端传入，后轴承要承受较大的传动力，所以采用双列短圆柱大的传动力，所以采用双列短圆柱滚子轴承。滚子轴承。 前轴承的配置特点是：外侧的前轴承的配置特点是：外侧的两个角接触轴承大口朝向主轴工作两个角接触轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的轴向力；第三端，承受主要方向的轴向力；第三个角接触则通过轴套与外侧的两个个角接触则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触轴轴承背靠背配置，使三联角接触轴承有一个较大支承跨，

21、以提高承受承有一个较大支承跨，以提高承受颠覆力矩的刚度。颠覆力矩的刚度。 用于要求径向刚度好，有较用于要求径向刚度好，有较高转速的机床。高转速的机床。 （三）滚动轴承精度等级的选择（三）滚动轴承精度等级的选择 主轴轴承中，前、后轴承的精度主轴轴承中，前、后轴承的精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。 1、前轴承轴心有偏移、前轴承轴心有偏移 ，后轴，后轴承偏移量为承偏移量为0，由偏移量，由偏移量 引起的主引起的主轴端轴心偏移为：轴端轴心偏移为： （ ： =（L+a）：）：L）。）。 aa1LaLaa1aab 后轴承后轴承 前轴承前轴承 主轴端主轴端 加工处加工处 L a

22、 300 a a1 a2 a1LaLa1aa（ ： =（L+a）：）：L）1a 2、后轴承偏移、后轴承偏移 ，前轴承偏，前轴承偏移为移为0，主轴端部的偏移为：，主轴端部的偏移为： bbbLa1aLtgbb1后轴承后轴承 前轴承前轴承 主轴端主轴端 加工处加工处 b L a 300 b a b1 b2 显然，前支承的精度比后支承显然，前支承的精度比后支承对主轴部件的旋转度影响大，故前对主轴部件的旋转度影响大，故前轴承的精度比后轴承的精度高一级。轴承的精度比后轴承的精度高一级。 3、前、后轴承的偏移方向放在、前、后轴承的偏移方向放在同一侧，且后轴承的偏移量适当地同一侧，且后轴承的偏移量适当地比前轴

23、承的大，可使主轴的端部都比前轴承的大，可使主轴的端部都偏移量为偏移量为0。b a 1 2 b a L a 300 后轴承后轴承 前轴承前轴承 主轴端主轴端 加工处加工处 4、主轴轴承精度选择、主轴轴承精度选择 见见P134 表表3-15 （四）主轴滚动轴承的预紧（四）主轴滚动轴承的预紧 预紧目的：预紧目的： 提高主轴部件的旋提高主轴部件的旋转精度、刚度、抗振性转精度、刚度、抗振性 预紧方法预紧方法： 采用加载荷的方法，采用加载荷的方法，消除轴承间隙，消除轴承间隙，且有一定的过盈量，且有一定的过盈量，使滚动体和内、外圈接触部分产生使滚动体和内、外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。刚度和抗振性。分类：分类： 轴向预紧轴向预紧 径向预紧径向预紧预紧力预紧力 轻预紧轻预紧 代号代号A 用于高速主轴用于高速主轴（三级）（三级） 中预紧中预紧 代号代号B 用于中、低速用于中、低速 主轴主轴 重预紧重预紧 代号代号C 用于分度主轴用于分度主轴 1、双列短圆柱滚子轴承预紧