第3章_主轴组件设计

1、第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计第第3章章 主轴组件设计主轴组件设计 主轴组件是主运动的执行件，是专机的重要组成主轴组件是主运动的执行件，是专机的重要组成部分。主轴组件由主轴、支承轴承和安装在主轴上的部分。主轴组件由主轴、支承轴承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。传动件、密封件等组成。一、主轴组件的基本要求一、主轴组件的基本要求1 1、旋转精度、旋转精度 主轴回转时，其瞬时回转中心相对于理想回转中心主轴回转时，其瞬时回转中心相对于理想回转中心在空间位置上的偏差，即为回转误差，其范围为主轴在空间位置上的偏差，即为回转误差，其范围为主轴的旋转精度。的旋转精度。第第3 3章章 主轴组件设

2、计主轴组件设计 主轴组件的旋转精度是指专机在空载低速转动时，主轴组件的旋转精度是指专机在空载低速转动时，在主轴前端定位面上测得的径向圆跳动、端面圆跳动和在主轴前端定位面上测得的径向圆跳动、端面圆跳动和轴向窜动值的大小。轴向窜动值的大小。 主轴作旋转运动时主轴作旋转运动时,线速度为零的点的连线为主轴线速度为零的点的连线为主轴的理想旋转中心线。由于制造和装配等误差，主轴旋的理想旋转中心线。由于制造和装配等误差，主轴旋转时几何中心线的空间位置不断发生变化的为瞬时回转时几何中心线的空间位置不断发生变化的为瞬时回转中心。转中心。 瞬时回转中心线相对于理想旋转中心线在空间位瞬时回转中心线相对于理想旋转中心

3、线在空间位置上的偏差被称为回转误差；两线在空间位置上的符置上的偏差被称为回转误差；两线在空间位置上的符合程度被称为回（旋）转精度合程度被称为回（旋）转精度。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计 上图所示上图所示,瞬时回转中心线相对于理想旋转中心线瞬时回转中心线相对于理想旋转中心线在空间位置上的偏差被称为回转误差；两线在空间位在空间位置上的偏差被称为回转误差；两线在空间位置上的符合程度被称为回（旋）转精度置上的符合程度被称为回（旋）转精度。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计2 2、静刚度、静刚度 K=F/y(N/um) (径向或轴向刚度）KM=MnL/（N.m2/(0) （扭转刚度）

4、指主轴在外加载荷下抵抗变形的能力。通常指在指主轴在外加载荷下抵抗变形的能力。通常指在主轴工作端部作用一个静态力时，静态力与主轴在力主轴工作端部作用一个静态力时，静态力与主轴在力作用方向上所产生的变形之比。作用方向上所产生的变形之比。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计 在额定载荷作用下，主轴组件抵抗变形的能力为在额定载荷作用下，主轴组件抵抗变形的能力为动态刚度。动刚度在高速、变载荷的精密加工机床中，动态刚度。动刚度在高速、变载荷的精密加工机床中，是直接影响加工精度和刀具寿命的主要因素。是直接影响加工精度和刀具寿命的主要因素。3 3、抗振性：、抗振性： 影响主轴组件刚度的主要因素是主轴的结构

5、形式影响主轴组件刚度的主要因素是主轴的结构形式及尺寸；轴承的类型、配置及预紧；传动件的布置方及尺寸；轴承的类型、配置及预紧；传动件的布置方式及主轴组件的制造与装配质量。式及主轴组件的制造与装配质量。 指机器工作时，主轴组件抵抗振动、保持主轴平指机器工作时，主轴组件抵抗振动、保持主轴平稳运转的能力。稳运转的能力。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计4 4、热变形：、热变形：5 5、耐磨性：、耐磨性：指长期保持其原始制造精度的能力。指长期保持其原始制造精度的能力。 指机器工作时，因各相对运动处的摩擦和搅油等指机器工作时，因各相对运动处的摩擦和搅油等耗损而发热造成的温差使主轴组件在形状和位置上产

6、耗损而发热造成的温差使主轴组件在形状和位置上产生的畸变。生的畸变。二、主轴轴承的选择与配置二、主轴轴承的选择与配置1 1、主轴滚动轴承的类型、主轴滚动轴承的类型（1 1）双列圆柱滚子轴承：）双列圆柱滚子轴承：第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计双列圆柱滚子轴承双列圆柱滚子轴承因只能承受径向载因只能承受径向载荷，故，常和推力荷，故，常和推力轴承配套使用，以轴承配套使用，以同时承受较大的径同时承受较大的径向载荷和轴向载荷。向载荷和轴向载荷。适用于载荷和刚度适用于载荷和刚度较高、中等转速的较高、中等转速的主轴组件前支承上。主轴组件前支承上。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计（2 2）双向推

7、力角接触）双向推力角接触球轴承：球轴承： 因只能承受轴向载荷，因只能承受轴向载荷，故常与双列圆柱滚子轴承故常与双列圆柱滚子轴承配套使用，用于主轴组件配套使用，用于主轴组件的前支承。的前支承。 这类轴承的接触角为这类轴承的接触角为600,由外圈由外圈3、左右内圈、左右内圈1和和6、左右两列滚珠、左右两列滚珠2和和5及保持架、隔套及保持架、隔套4组成。组成。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计（3 3）双列圆锥滚子轴承：）双列圆锥滚子轴承： 可承受径向和轴向两个方向的可承受径向和轴向两个方向的载荷，其承载能力和刚度都较高，载荷，其承载能力和刚度都较高，且结构简单，适用于中低速、中等且结构简单，

8、适用于中低速、中等以上载荷的主轴组件的前支承。以上载荷的主轴组件的前支承。 这类轴承有一个公用外圈和两这类轴承有一个公用外圈和两个内圈，外圈的凸肩靠住箱体或主个内圈，外圈的凸肩靠住箱体或主轴套筒的端面，实现轴向定位，用轴套筒的端面，实现轴向定位，用法兰压紧另一端面。凸肩上的缺口法兰压紧另一端面。凸肩上的缺口可插入螺钉防止外圈转动。修磨中可插入螺钉防止外圈转动。修磨中间隔套可以调整间歇或预紧。间隔套可以调整间歇或预紧。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计（4 4）加梅轴承：）加梅轴承： 这类轴承是由法国加梅公司开发生产的。其中，这类轴承是由法国加梅公司开发生产的。其中，H系列用于前支承、系列

9、用于前支承、P系列用于后支承的配套使用。该系列用于后支承的配套使用。该轴承与一般圆锥滚子轴承的不同是其滚子制为中空，轴承与一般圆锥滚子轴承的不同是其滚子制为中空，转动时在离心力的作用下形成良好的循环润滑作用。转动时在离心力的作用下形成良好的循环润滑作用。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计2 2、主轴滚动轴承的配置形式：、主轴滚动轴承的配置形式：选用和配置两支承主轴轴承的一般原则：选用和配置两支承主轴轴承的一般原则：（1 1）载荷较大，转速较高时）载荷较大，转速较高时: : 用双列圆柱滚子轴用双列圆柱滚子轴承和接触角为承和接触角为600的双向推力角接触球轴承组合。的双向推力角接触球轴承组合

10、。 主轴轴承的选择和配置取决于所承受载荷的大主轴轴承的选择和配置取决于所承受载荷的大小、方向性质，转速大小，精度高低等因素。小、方向性质，转速大小，精度高低等因素。（2 2）载荷较大，转速为中、低速时：）载荷较大，转速为中、低速时：采用双列采用双列圆柱滚子轴承和推力球轴承或圆锥滚子轴承的组合。圆柱滚子轴承和推力球轴承或圆锥滚子轴承的组合。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计（3 3）载荷中等，转速较高时）载荷中等，转速较高时：用双列圆柱滚子轴用双列圆柱滚子轴承和角接触球轴承组合或前后支承都是角接触球轴承承和角接触球轴承组合或前后支承都是角接触球轴承组合。组合。（4 4）载荷较小，转速较高时

11、）载荷较小，转速较高时：用前后都是单列角用前后都是单列角接触球轴承组合等。接触球轴承组合等。推力轴承的配置形式：推力轴承的配置形式：有前端定位、后端定位和两端定位三种形式。有前端定位、后端定位和两端定位三种形式。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计 前端定位：前端定位：两个方向的推力轴承都安排在前支承两个方向的推力轴承都安排在前支承处。主轴发热后向后伸长，轴前端的轴向精度较高，处。主轴发热后向后伸长，轴前端的轴向精度较高，但前支承结构复杂（结构如表但前支承结构复杂（结构如表3.3序号中序号中2、5所示）。所示）。 适用场合：适用场合：用于轴向精度和刚度都要求较高的高用于轴向精度和刚度都要求

12、较高的高精度机床或数控机床。精度机床或数控机床。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计后端定位：后端定位：两个方向的推力轴承都安排在后支承处。两个方向的推力轴承都安排在后支承处。主轴受热后向前伸长，影响轴前端的轴向位置精度和主轴受热后向前伸长，影响轴前端的轴向位置精度和刚度，但这种结构便于轴承间隙调整（结构如表刚度，但这种结构便于轴承间隙调整（结构如表3.3序序号号3所示）所示） 。适用场合：适用场合：用于精度要求不高的普通机床，如多刀用于精度要求不高的普通机床，如多刀车床。车床。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计两端定位：两端定位：两个方向的推力轴承分别安排在前后支两个方向的推力轴承

13、分别安排在前后支承处。支承结构简单，发热量小，但主轴受热产生变承处。支承结构简单，发热量小，但主轴受热产生变形，会改变轴承间隙，影响主轴旋转精度。常用于短形，会改变轴承间隙，影响主轴旋转精度。常用于短主轴，如组合机床主轴（结构如表主轴，如组合机床主轴（结构如表3.3序号中序号中4、7、8所示）所示） 。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计 中间配置：中间配置：两个方向的推力轴承配置在前支两个方向的推力轴承配置在前支承的后侧。可以减少主轴的悬伸量，使主轴的热膨承的后侧。可以减少主轴的悬伸量，使主轴的热膨胀向后，但前支承结构复杂，温升较高（结构如表胀向后，但前支承结构复杂，温升较高（结构如表3

14、.3序号中序号中1所示）所示） 。 第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计4 4、滚动轴承间隙的调整和预紧、滚动轴承间隙的调整和预紧 滚动轴承具有合适的间隙或滚动轴承具有合适的间隙或 过盈量时，可以提高主过盈量时，可以提高主轴组件的工作性能，保证轴承有较长的寿命。因此，轴组件的工作性能，保证轴承有较长的寿命。因此，主轴组件应设间隙调整机构，保证主轴轴承保持合理主轴组件应设间隙调整机构，保证主轴轴承保持合理的间隙和过盈。的间隙和过盈。主轴轴承在装配和使用时间隙的调整结构如下图示：主轴轴承在装配和使用时间隙的调整结构如下图示： 径向刚度是轴承的径向载荷与径向位移的比值，其径向刚度是轴承的径向载荷

15、与径向位移的比值，其计算公式见计算公式见P543 3、滚动轴承的刚度确定、滚动轴承的刚度确定 滚动轴承的刚度有径向和轴向两种。通常滚动轴滚动轴承的刚度有径向和轴向两种。通常滚动轴承的刚度是指径向刚度。承的刚度是指径向刚度。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计移动轴承内圈，移动轴承内圈，使锥孔与轴颈使锥孔与轴颈外锥面作相对外锥面作相对移动，从而使移动，从而使内圈产生径向内圈产生径向弹性变形，达弹性变形，达到调整轴承间到调整轴承间隙或过盈的目隙或过盈的目的的结构最简单结构最简单, ,预紧预紧量难控制量难控制, ,轴承拆轴承拆卸不易卸不易轴承右边螺母控制预紧量、调整方便，轴承右边螺母控制预紧量、

16、调整方便，但主轴前端处加工螺纹，工艺性差但主轴前端处加工螺纹，工艺性差轴端突缘安装螺钉控制轴端突缘安装螺钉控制预紧量，工艺简单但不预紧量，工艺简单但不准确，且影响旋转精度准确，且影响旋转精度利用对开式环利用对开式环的修磨量来控的修磨量来控制预紧量，半制预紧量，半环的固定用螺环的固定用螺钉，使工作时钉，使工作时不致松开不致松开第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计传动轴轴向固定方法：传动轴轴向固定方法：1 1）通过调整）通过调整螺钉、压盖和螺钉、压盖和锁紧螺母来调锁紧螺母来调整圆锥滚子轴整圆锥滚子轴承间隙，调整承间隙，调整较方便。较方便。2 2）改变垫）改变垫圈厚度调整圈厚度调整轴承间隙，轴承

17、间隙，结构简单。结构简单。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计三、主轴三、主轴1 1、主轴的结构、主轴的结构 主轴的构造和形状主要取决于轴上所安装的传动件主轴的构造和形状主要取决于轴上所安装的传动件和轴承等零件的类型、数量、位置和安装方法，以及主和轴承等零件的类型、数量、位置和安装方法，以及主轴的加工和装配工艺性等。为便于装配，主轴常作成阶轴的加工和装配工艺性等。为便于装配，主轴常作成阶梯形。梯形。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计2 2、主轴的材料及热处理、主轴的材料及热处理 主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理后变形主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理后变形的大小等来考虑。通常优

18、先选择价格便宜的优质结构的大小等来考虑。通常优先选择价格便宜的优质结构钢，并在其端部锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位采钢，并在其端部锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位采用高频淬火。用高频淬火。3 3、主轴的技术要求、主轴的技术要求第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计四、主轴组件的计算四、主轴组件的计算1 1、主轴组件计算时支承的简化、主轴组件计算时支承的简化简化后的深沟球轴承、单简化后的深沟球轴承、单列或双列圆柱滚子轴承的列或双列圆柱滚子轴承的支承点在轴承中部支承点在轴承中部简化后的圆锥滚子轴承或简化后的圆锥滚子轴承或角接触轴承的支承点在接角接触轴承的支承点在接触线与轴线交点处触线与轴线交点处第

19、第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计在一支承上安装两个反装的角接触在一支承上安装两个反装的角接触轴承时，其简化后的支承点在前端轴承时，其简化后的支承点在前端轴承的接触线与轴线交点处轴承的接触线与轴线交点处接触角为接触角为00的向心轴承简化后的向心轴承简化后的支承点在前端轴承中部的支承点在前端轴承中部三联角接触球轴承简化后的支承点在三联角接触球轴承简化后的支承点在前面第一轴承的接触线与轴线交点处前面第一轴承的接触线与轴线交点处第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计2 2、主轴结构参数的确定、主轴结构参数的确定 主轴结构参数主要包括主轴前后支承轴颈、主轴结构参数主要包括主轴前后支承轴颈、内孔直

20、径、前端悬伸量和主轴的支承跨距。内孔直径、前端悬伸量和主轴的支承跨距。（1 1） 主轴直径的确定主轴直径的确定主轴直径应在合理范围内尽量大主轴直径应在合理范围内尽量大对主轴结构尺寸有对主轴结构尺寸有决定性影响的直径决定性影响的直径根据材料力学可知根据材料力学可知,主轴刚度与惯性主轴刚度与惯性矩成正比矩成正比,而惯性矩与轴的直径的而惯性矩与轴的直径的4次方成正比，但增大直径会使材料次方成正比，但增大直径会使材料增加、尺寸增大、发热增加等增加、尺寸增大、发热增加等第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计主轴前直径可根据电动机功率并参考主轴前直径可根据电动机功率并参考同类设备确定，后轴颈可参考前轴颈

21、同类设备确定，后轴颈可参考前轴颈直径确定。通常直径确定。通常,D2=（0.70.85)D1第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计（2 2）主轴内孔直径的确定）主轴内孔直径的确定 首先，内孔首先，内孔d的大小，应在满足主轴刚度的前的大小，应在满足主轴刚度的前提下，尽量取大值；其次，内孔提下，尽量取大值；其次，内孔d大小的确定与大小的确定与用途有关，通常不小于主轴平均直径用途有关，通常不小于主轴平均直径55%60%。（3 3）主轴前端悬伸量的确定）主轴前端悬伸量的确定 前端悬伸量是指主轴组件前支承径向反力前端悬伸量是指主轴组件前支承径向反力作用点到前端受力作用点之间的距离。作用点到前端受力作用点

22、之间的距离。 前端悬伸量前端悬伸量a的确定主要取决于主轴端部的结的确定主要取决于主轴端部的结构、前支承轴承配置和密封装置的型式和尺寸，构、前支承轴承配置和密封装置的型式和尺寸，由结构设计确定。由结构设计确定。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计 L的确定与主轴部件最大静刚度有关，但过的确定与主轴部件最大静刚度有关，但过大过小均会引起主轴前端位移量的增大，故有一大过小均会引起主轴前端位移量的增大，故有一个最佳值。个最佳值。缩短悬伸量缩短悬伸量a可以明显提高可以明显提高主轴组件的刚度和抗振性主轴组件的刚度和抗振性初步确定时取初步确定时取 a =D1（4 4）主轴跨距的确定）主轴跨距的确定一般为

23、一般为L0=（23.5)a第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计3 3、传动件的布置、传动件的布置 主轴组件一般由带轮或主轴组件一般由带轮或齿轮传动。通常，主轴前齿轮传动。通常，主轴前端受到工作载荷（力或扭端受到工作载荷（力或扭矩）的作用，而主轴中间矩）的作用，而主轴中间或后端受到齿轮或带传动或后端受到齿轮或带传动的力的作用。的力的作用。 在力或扭矩的作用下，主轴产生弯曲和扭转变形，各在力或扭矩的作用下，主轴产生弯曲和扭转变形，各支承受到压力。因此，合理地布置传动件的位置和传动支承受到压力。因此，合理地布置传动件的位置和传动力的方向，可以减少主轴受力变形，提高主轴刚度和抗力的方向，可以减少主

24、轴受力变形，提高主轴刚度和抗振性。振性。 主轴的工作载荷有径向力、力偶矩、轴向力等。但轴主轴的工作载荷有径向力、力偶矩、轴向力等。但轴向力很小，忽略不计。故，主要从径向力角度考虑主轴向力很小，忽略不计。故，主要从径向力角度考虑主轴的变形。的变形。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计（1 1）传动件的位置：）传动件的位置：带轮安装在轴承带轮安装在轴承的外圈上的外圈上带轮传动的径向带轮传动的径向力由轴承经法兰力由轴承经法兰盘传递给主轴箱盘传递给主轴箱壁壁带传动装置多半装带传动装置多半装在后轴承的外侧在后轴承的外侧两轴承安装在与箱两轴承安装在与箱体固定的法兰盘上体固定的法兰盘上 为改善主轴受力情

25、况的带传动装置为改善主轴受力情况的带传动装置卸荷式带轮结构。卸荷式带轮结构。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计（2 2）传动力的位置和方向）传动力的位置和方向 主轴受力变形时，端部的扰度和支承上受力的大主轴受力变形时，端部的扰度和支承上受力的大小与作用在主轴上的传动力的位置和方向有关。小与作用在主轴上的传动力的位置和方向有关。当作用力当作用力F与传动力与传动力FQ作用作用在同一平面在同一平面,方向相同时，主方向相同时，主轴端部上产生的扰度最大。轴端部上产生的扰度最大。带轮安装带轮安装在主轴后在主轴后支承外侧支承外侧该布局适用于胶带拉力较小。该布局适用于胶带拉力较小。否则，考虑采用卸货式带

26、轮否则，考虑采用卸货式带轮第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计当作用力当作用力F与传动力与传动力FQ均作用在主轴前端均作用在主轴前端,方方向相反时，主轴端部上的变形可部分抵消。向相反时，主轴端部上的变形可部分抵消。前支承支反力较小前支承支反力较小,主轴受扭长度较短主轴受扭长度较短传动件安装在前支承外侧传动件安装在前支承外侧,增加了增加了主轴的悬伸量主轴的悬伸量,使结构较复杂。使结构较复杂。第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计传动力传动力和和作用力作用力在主轴前支承的两端，方向相反在主轴前支承的两端，方向相反角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承例：主轴滚动轴承的配置和传动件的布置例：主轴滚动轴承的配置和传动件的布置高的承载能力和刚度高的承载能力和刚度FQF第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计 主轴组件两支承结构主轴组件两支承结构第第3 3章章 主轴组件设计主轴组件设计4 4、主轴组件两支承的最佳跨距、主轴组件两支承的最佳跨距 在忽略传动力，只考虑主轴前端径向力情况下的在忽略传动力，只考虑主轴前端径向力情况下的主轴最佳跨距的计算。主轴最佳跨距的计算。主轴端部受主轴端部受力力F产生的最产生的最大扰度大扰度YF刚性支承轴承及变形弹