第四章 第二部分 主轴组件(浙大)

第四章

机床主要部件设计理论第二部分主轴组件1第二部分主轴组件1.概述功用：夹持工件或刀具实现切削运动；传递运动及切削加工所需要的动力。组成：主轴、支承、传动零件、装夹刀具或工件的附件及辅助零部件。2第一节对主轴组件的基本要求—、旋转精度(Runningaccuracy)主轴的旋转精度，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动。二、静刚度静刚度，或简称刚度，反映了机床或部、组、零件抵抗静态外载荷的能力。主轴组件的弯曲刚度K(N/um)，定义为使主轴前端产生单位位移，在位移方向测量处所需施加的力。3影响因素：如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支承的距离和主轴前端的悬伸量等。三、抗振性主轴组件的振动会影响工件的表面质量，刀具的耐用度和主轴轴承的寿命等。要求部件的结构刚度和抗振性好4四、温升和热变形

较低的运转温升以及较好的热稳定性。五、耐磨性主轴部件的耐磨性和精度保持性好。5第二节主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承—、主轴轴承的选择类型：

滚动轴承、滑动轴承（动压、静压）、空气静压轴承、陶瓷轴承、磁悬浮轴承

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)的条件下工作。678图3-39

陶瓷轴承高速主轴陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口陶瓷轴承高速主轴结构9采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似；采用“小珠密球”结构，滚珠材料Si3N4；与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：

◎陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力；

◎陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度；

◎陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失；

◎陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。采用电动主轴（电机与主轴作成一体）；轴承转速特征值（=轴径（mm）×转速（r/min））较普通钢轴承提高1.2～2倍，可达0.5～1×106。陶瓷轴承高速主轴结构特征1011前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向磁力轴承后径向磁力轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器磁浮轴承高速主轴图磁浮轴承主轴结构12主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。转速特征值可达4×106。回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达0.2μm。机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。磁浮轴承主轴特点13

(3)滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。(4)滚动轴承润滑容易等。(5)滚动轴承是标准件，可以外购。滚动轴承比滑动轴承的缺点是：(1)滚动体的数量有限，径向刚度是变化的。是引起振动的原因之一。(2)滚动轴承的阻尼较低。(3)滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。14选用原则：在一般情况下应尽量采用滚动轴承。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、高精度车床等才用滑动轴承。主轴组件的抗振性主要决定于前轴承。二、主轴滚动轴承的选型主轴轴承，应根据精度、刚度和转速选择151．角接触球轴承α越大，轴向承载能力越大。它应用于高速主轴。16在主轴上，角接触球轴承应为背靠背组合轴向膨胀2.有利于径向过盈减小1.支反力矩大172．双列圆柱滚子轴承这种轴承只能承受径向载荷。应用于载荷大、刚度高、中速的场合。183．双向推力角接触球轴承用于承受轴向载荷，不承受径向载荷19滚动轴承法国Gamet20动压轴承21静压轴承22磁力（磁悬浮）轴承23三、精度

主轴轴承的精度：P2（旧B）、P4（旧C）、P5（旧D）、P6（旧E）、P0（旧G）六级，又规定了SP级和UP级作为补充。1.前、后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。假设后轴承偏移为零，则反映到主轴端部轴心的偏移为：24假设前轴承偏移为零，则反映到主轴端部轴心的偏移为：结论：这说明前轴承的精度对主轴组件的影响较大。故前轴承的精度应选得高一些。25四、转速261.在承受径向载荷的轴承中，速度排列：

向心球轴承＞角接触推力球轴承＞圆柱滚子轴承＞圆锥滚子轴承2.在承受轴向载荷的轴承中，速度排列：角接触推力球轴承＞圆锥滚子轴承＞推力球轴承五、寿命决定轴承的寿命疲劳点蚀(重型或高速)磨损降低精度（车、铣、钻、镗）27对于重载或高速主轴，轴承失效可能是由于表层疲劳。对一般机床，往往以磨损后精度下降作为失效的依据的。六、刚度

零间隙时轴承的变形为：

1.点接触的球轴承变形：2.线接触的滚子轴承变形：282930零间隙时球轴承：零间隙时滚子轴承：对于球轴承预紧力对刚度的影响是明显的，计算时应考虑预紧力。31第三节主轴—、主轴的构造

端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，装夹可靠、牢固，而且装卸方便。目前，主轴的端部形状已标准化。32有的主轴是空心的，中心孔径不宜超过外径的70％。33二、材料和热处理1.主轴的材料，主要应根据耐磨性、热处理方法和热处理后的变形选择。2.例如，普通机床的主轴，可用45号或60号优质中碳钢，调质到220—250HBS左右。在主轴头部的锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位，高频淬硬至50～55HRC。三、主轴的技术要求（以车床主轴为例）341)轴颈A和B的同轴度

Ø0.01

2)轴颈A和B的圆度

A＝0．003，B＝0．0025

3)莫氏锥孔和A、B面用涂色法检查接触≥70％4)莫氏锥孔对轴颈A、B的径向圆跳动

近轴端0.005300㎜处0.0105)短锥C对轴颈A、B的径向圆跳动0.0056)端面D对轴颈A、B的端面圆跳动0.0103536第四节主轴组件—、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件

1．中等转速，较高刚度a.应把推力轴承安排在前支承内，尽量靠近前端面，使主轴发热后向后膨胀。

b.三支承主轴，前、中为主，后支承为辅。“主”支承应预紧处于过盈状态；“辅”支承常用深沟球轴承。

3714～3550r/min3825～1600r/min392.要求转速较高，但刚度略低a.为了适应高转速，前轴承往往用角接触球轴承。5300r/min40二、磨床类主轴组件适用于高速、轻载和精密的主轴16000r/min41三、滚动轴承的预紧1.使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量，称为预载荷或预紧。2.作用：适当预紧可以提高轴承的精度和寿命。提高了轴承的接触刚度。在锥面上轴向移动-----薄壁胀大------径向消除间隙预紧径向预紧42方法：径向间隙的消除方法在锥面上轴向移动-薄壁胀大-径向间隙消除43

内外圈相对移动－－错位－－消除轴向和径向间隙4445通常，轻预紧用于高速主轴；中预紧用于中、低速主轴；重预紧用于分度主轴。

内外圈相对移动-------错位------消除径向和轴向间隙预紧轴向预紧46锁紧方法47四、主轴组件的传动传动方式齿轮（v12~15m/s）带（V型带、多楔带、同步带）齿轮：如果齿轮位于前、后轴承之间，则齿轮应尽量靠近前轴承。如有大、小两齿轮，则应使大齿轮靠近前轴承。转速较高的主轴上最好不要有活动的零件，例如滑移齿轮。带：用于转速较高的主轴，传动要求平稳，中心距较大，要便于调整中心距（张紧）。

v30m/s用V型带、多楔带或同步带v>30m/s

用橡胶或皮革平带v>35m/s

用丝织带电主轴48

电主轴又称内装式电机主轴，即主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000r/min。其缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式电机主轴的关键问题

49第五节主轴的滑动轴承动压轴承是靠轴的转动通过油楔形成油膜而具有承载能力的。承载能力与滑动速度成正比。低速时，承载能力太低。静压轴承的油膜压强是靠液压泵建立的，与主轴的转速关系不大。50一、液体动压轴承特点：动压轴承（用于高速和转速变化不大的地方）静压轴承（用于低速和转速变化较大,高精度的地方，还能均化圆度误差）51

（1）轴颈与轴瓦之间的间隙(称为轴承间隙)对刚度影响很大，所以要能够调整(2)主轴轴承应是多油楔的，几个油楔把主轴推向中央。间隙的调整方式锥形轴颈轴向调整柱形轴颈径向调整多油楔的类型固定多油楔活动多油楔52属于轴向间隙调整53属于径向间隙调整541．固定多油楔轴承进油孔出油槽油楔宽度B552．活动多油楔轴承b0=B×0.4最佳平衡状态h1/h2=2.2这种轴承能自动地保持最佳间隙比，这时，轴瓦的承载能力最大。56二、液体静压轴承外载F→偏心e→P3处间隙减小→流量减小→T3压降差减小→压力升高

→(P3－P1)平衡外载F571.静压轴承的刚度静压轴承的间隙只影响润滑油的流量。对承载能力影响较小。58设计和计算步骤(1)根据统计资料，初选主轴的直径。(2)选择主轴的跨距。(3)参考上述数据进行构造设计，根据构造上的要求，对上述数据进行修正。(4)验算。(5)根据验算结果，对设计进行必要的修改。第七节主轴组件的计算59—、主轴直径的初选1.车床、铣床、镗铣加工中心等机床，主轴直径常是从前（d1）向后（d2

）逐段减少的。

通常：d2

=（0.7～0.9）d1

2.磨床主轴常为前、后轴颈相等，中段较粗。第七节主轴组件的计算60二、主轴悬伸量的确定由结构而定，可视为已定的。设计中应努力缩短悬伸量。三、主轴最佳跨距的选择(a)根据材料力学挠度计算公式：假设轴承为刚性支承，主轴为弹性体。61(b)假设主轴为刚性体，轴承支承为弹性体。根据刚度的概念得：根据前后支承对旋转精度的影响得：根据力矩平衡原理得：将上述各式综合得：62（c）主轴端部的总挠度

主轴端部悬伸量a应尽可能选取小的数值，以利于提高主轴的刚度。63以横坐标以纵坐标作图综合刚度最大641）最佳综合刚度为令：则：652）当L≈L0,主轴端部的位移δ就最小或较小

当L0＞＞L,措施：提高支承的刚性。当L＞＞L0,措施：提高主轴的刚性。3）当主轴的刚性不足时，应该缩小支承跨距L当支承刚性不足时，应加大跨距L。4）当L＞＞L0,措施：提高KA当L0＞＞L,措施：提高KB66结论：选取的最佳跨距宁可取比计算的大一些。67提示：一般推荐L合理＝（1～5）a。对于主轴悬伸量a较小的机床，如车床、铣床类，宜取L合理＝（3～5）a；对于主轴悬伸量a较大的机床．如镗床、内圆磨床类，取L合理＝（1～2）a。组合机床刚性主轴组件属于a较大这一类型．一般以取L合理≤2.5a为宜。68四、主轴组件的验算1.对一般机床主轴，主要进行刚度验算。2.对粗加工、重载荷的主轴，进行强度验算。3.对高速主轴组件，有时还需要临界转速的验算。以防止发生共振。69四、主轴组件刚度的验算70主轴端部由主轴产生的变形量占主轴组件总变形量的50％一70％，平均为60％；由支承产生的变形量占30％一50％，平均为40％。故：主轴本身端部的刚度Ks712．主轴组件计算时支承的简化当L＞d时，0.5d≥a≥