主轴部件设计课件

1、3.6 主轴部件设计 功用：支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。 组成：支承轴承、传动件、密封件、定位元件、主轴。 一、主轴部件应满足的基本要求 1、旋转精度 a. 概念：主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。 b影响因素：旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。 2、刚度 a. 概念：主轴部件的刚度指其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变形时，在位移方向上施加的作用力来定义）。 静刚度 作用力是静力引起的 弹性变形 图354b. 动刚度 作用力是交

2、变力引起的 弹性变形 c. 影响因素：主轴的尺寸和形状，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、主轴部件的制造和装配质量。 3、抗振性 a.概念：抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力 冲击力和交变力是由材料硬度不均匀，加工余量的变化，主轴部件不平衡，轴承或齿轮存在缺陷以及切削过程中的颤振引起。 b.影响因素：主轴部件的静刚度，质量分布及阻尼高精度机床 810精密机床 1520 连续运转允 许温升普通机床 3040 二、主轴部件的传动方式分类 齿轮传动 按主轴的转速、传递的 扭矩，运动平稳性带传动 要求、结构、装卸、维 修要求选取电机直接驱动 特点：靠摩擦力传动（除同步齿形带外）

3、，结构简单，制造容易，成本低，适用于大中心距传动，皮带吸振，传动平稳，噪声小，适宜变速传动，打滑起过载保护。 缺点：有滑动，不能用于速比要求准确的场合。 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，无滑动，传动比准确，传动精度高，强度高。 3、电机直接驱动 电机转子轴与主轴制成一体（图353）。 结构简化，提高了刚度，降低了噪声和振动，有宽的调速范围，大的输出功率和扭矩。 用于精密机床，高速加工中心，数控车床。 三、主轴部件结构设计 （一）主轴部件的支承数目 1、前、后两支承（P100 图3-25） 前支承为双列短圆柱滚子轴承,后为圆锥滚子轴承。 结构简单，制造方便，易保证精度，需

4、消除间隙和预紧。 2、三支承 见图3-24 前后支承为主，中间支承为辅。 前、中支承为主，后支承为辅。（多采用） 三支承方式对三支承孔的同心度要求较高，制造装配复杂，乃需消除间隙和预紧，但不能三个轴承都预紧，以免干涉。 （二）推力轴承位置配置形式 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小。 2、后端配置 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，多刀车床。 3、两端配置 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胀，

5、用于短主轴，如组合机床。 （三）主轴传动件位置的合理布置 1、传动件在主轴上轴向位置的合理布置 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减小其变形，提高主轴的抗振性。 布置原则：传动力引起的主轴弯曲变形要小，引起主轴前轴端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。（不叠加） i 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 ii 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，为了更换传动带方便，如磨床。Q Q1 F 2、驱动主轴的传动轴位置的合理布置 主轴受到的驱动力相对于切削力的方

6、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 主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈的直径D1、D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬伸量a，主轴主要支承间的跨距L。图3-56 （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，参考机床设计手册，同类型机床。） 2、主轴材料和热处理（P125 表3-11） 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。 普通机床用中碳钢（45钢），调质处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面部位局部高频

7、淬火，提高耐磨性。 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。 3、主轴的技术要求 设计要求、工艺要求、检验要求 尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、表面硬度。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 （一）主轴部件主支承常用滚动轴承 角接触轴承 双列短圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承 推力轴承 双向推力角接触轴承 （二）几种典型的主轴轴承配置形式 1、速度型 图3-64a 主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联），当轴向切削分力较大时，选25的球轴承，轴向切削分力较小时，选15

8、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。 角接触球轴承具有良好的高速性能，但承载力较小，适用于高速轻载或精密机床，如高速镗削单元，高速CNC车床。 2、刚度型 图3-64b 前支承采用双列短圆柱滚子轴承受径向载荷和60角接触双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，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，镗削单元。 3、刚度速度型 图3-64c 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，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滚子轴承。 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端，承受主要方

9、向的轴向力；第三个角接触则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触轴承有一个较大支承跨，以提高承受颠覆力矩的刚度。 用于要求径向刚度好，有较高转速的机床。 （三）滚动轴承精度等级的选择 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。 1、前轴承轴心有偏移 ，后轴承偏移量为0，由偏移量 引起的主轴端轴心偏移为： （ ： =（L+a）：L）。 b 后轴承 前轴承 主轴端 加工处 L a 300 a a1 a2 （ ： =（L+a）：L） 2、后轴承偏移 ，前轴承偏移为0，主轴端部的偏移为： 后轴承 前轴承 主轴端 加工处 b L a 300 b a b1 b2 显然，前支承的精

10、度比后支承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。 3、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比前轴承的大，可使主轴的端部都偏移量为0。b a 1 2 b a L a 300 后轴承 前轴承 主轴端 加工处 4、主轴轴承精度选择 见P134 表3-15 （四）主轴滚动轴承的预紧 预紧目的： 提高主轴部件的旋转精度、刚度、抗振性 预紧方法： 采用加载荷的方法，消除轴承间隙，且有一定的过盈量，使滚动体和内、外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。分类： 轴向预紧 径向预紧预紧力 轻预紧 代号A 用于高速主轴（三级） 中预紧 代号B 用于中、低速 主轴 重预紧 代号C 用于分度主轴 1、双列短圆柱滚子轴承预紧（不要求调心） 方法一：螺母轴向移动轴承内圈，因内圈是1：12的锥孔，使内圈径向胀大，而实现预紧。 方法二：图366用调整环的长度实现预紧，采用过盈套进行轴向固定。过盈套也称阶梯套，即将过盈配合的轴，孔制成直径尺寸略有差别的两段。图372 轴径为 d2=d1-S1 孔径D1=D2+S2 装配时，两段全为过盈配合。用过盈套紧紧将轴承固定在主轴上。 过盈套替代螺母的优点：保证定位端面与轴心线垂直；主轴不必因加工螺纹而直径减小，增加了主轴刚度；降低了主轴的不平衡，提高了旋转