机械制造装备第四章

机械制造装备设计主讲:

杨建军第四章主轴组件设计§4-1主轴组件的功用及要求一、功用、组成及特点：

1、主轴组件的功用①支承并带动工件或刀具，完成表面成形运动。②传递运动和功率，承受切削力和驱动力等载荷的作用。2、主轴组件的组成由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件、固定件、润滑密封件等组成。§4-1主轴组件的功用及要求b．悬伸短CA61403、特点主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工精度和生产率，是机床最关键的部件之一。具有高刚度、高精度、高稳定性的特点。§4-1主轴组件的功用及要求二、主轴组件的基本要求主轴组件应能在一定载荷、转速下，带动工件或刀具精确地稳定的绕其轴心线旋转，并长期保持这种性能。1、旋转精度主轴组件的旋转精度是指机床处于空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基准面上所测得的径向跳动Δr，端面跳动Δα和轴向窜动ΔO的大小。§4-1主轴组件的功用及要求§4-1主轴组件的功用及要求主轴旋转精度是主轴组件工作质量的最基本的指标，也是机床的一项主要精度指标，它直接影响被加工零件的几何精度和表面粗糙度。主轴的旋转精度，直接受轴承精度和间隙的影响，同时也和其他零件（箱体、主轴本身）的精度有关。§4-1主轴组件的功用及要求§4-1主轴组件的功用及要求1）滚动轴承精度的影响内外圈滚道的径向跳动、偏心，使主轴产生径向跳动；滚动体直径、形状误差，引起主轴径向跳动；滚道的端面跳动将引起主轴的端面跳动；§4-1主轴组件的功用及要求§4-1主轴组件的功用及要求2）主轴本身和支承座等零件精度的影响主轴轴颈的尺寸、形状误差，使轴承内外圈（薄壁弹性件）滚道变形，降低了旋转精度前后支承座或主轴前、后轴颈的同轴误差，引起径向跳动、轴向窜动；固定、调整间隙用的螺母、过渡套、垫圈和主轴轴肩端面与轴心的垂直度，将使轴承装配后因受力不匀而造成滚道畸变。§4-1主轴组件的功用及要求2、静刚度（简称刚度）抗弯、抗扭、抗拉压刚度主轴组件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力。

§4-1主轴组件的功用及要求

抗弯刚度K

通常以主轴前端部产生一个单位的弹性变形（μm）时，在变形方向上所施加的作用力（N）的大小来表示即：（N/μm）aLP§4-1主轴组件的功用及要求

抗扭刚度

Km式中：Mn：作用的扭矩L：扭矩的作用距离（m）

θ：扭转角（rad）LMnθ§4-1主轴组件的功用及要求影响刚度的主要因素有：主轴的结构尺寸、轴承的类型及配置，轴承间隙的大小，传动件类型及布置方式，主轴组件的制造与装配质量等等。

§4-1主轴组件的功用及要求3、抗振性主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运转的能力。主轴组件的振动影响被加工表面的质量，限制机床的生产率，降低刀具的耐用度和机床的寿命，发出噪声，影响工作环境等。§4-1主轴组件的功用及要求①受迫振动受迫振动的主要干扰力，主轴、传动件、所装的工件或刀具的偏心质量引起的离心力；传动件运动速度不均匀而产生的惯性力；断续切削产生的周期性变化的切削力。§4-1主轴组件的功用及要求②自激振动机床—工件—刀具弹性系统振动对切削过程的反馈作用，使刀具与工件之间发生了周期性的强烈的相对振动。§4-1主轴组件的功用及要求4、热变形主轴组件相对运动处的摩擦和搅油，电主轴绕组发热，切削热等产生温升。使主轴组件的形状和位置发生畸变。使主轴组件和机床各部件间相对位置精度降低；使轴承间隙变大或变小，改变了主轴的工作状况。允许温升：高精度机床8～10℃

精密机床15～

30℃

普通机床30～

40℃§4-1主轴组件的功用及要求5、精度保持性（耐磨性）主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。§4-1主轴组件的功用及要求三、主轴组件的布局依精度、刚度、承载能力、转速等要求确定主轴组件组成部分的配置。1、主轴组件的支承形式两支承：前后支承，结构简单，应用广泛三支承：前中后支承，刚度高，工艺难度大，应用少§4-1主轴组件的功用及要求两支承主轴的定位形式：轴的定位形式，指起止推作用轴承的配置。前端定位：全部配置在前端，受载长度短，精度高，前支承结构复杂，发热大。a．悬伸长b．悬伸短CA6140§4-1主轴组件的功用及要求后端定位：全部配置在后端，调隙方便，悬伸短，受热后向前伸长，受载段长，轴向精度低。C7620§4-1主轴组件的功用及要求两端定位：配置在两端，轴向受载均匀，调隙方便，热变形会改变主轴工作状况。a．悬伸长b．悬伸短§4-1主轴组件的功用及要求2、传动件的合理布置齿轮传动12～15m/s；带传动>30m/s。

1）带传动:带轮在主轴的尾部，需卸荷结构；2）齿轮传动:尽量靠近主轴前端，以减小主轴受扭变形；3）电机与主轴直联。§4-1主轴组件的功用及要求§4-1主轴组件的功用及要求§4-1主轴组件的功用及要求四、主轴的结构、材料及技术要求

结构与功能相适应一）主轴的结构1、主要形状阶梯轴，便于装配空心轴，便于穿过棒料、拉杆直径较大、悬伸较短，满足刚度要求§4-1主轴组件的功用及要求2、主轴端部结构便于刀具、夹具：安装可靠，定位准确，装卡方便，传递扭矩可靠。典型主轴结构：§4-1主轴组件的功用及要求1）车床主轴端部结构卡盘靠主轴前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用圆键传递扭矩，用锁紧盘和螺栓固定锁紧卡盘，主轴前端有莫氏锥孔。

§4-1主轴组件的功用及要求2）铣床和加工中心主轴端部结构铣床和加工中心的主轴端部，铣刀或刀杆靠7:24的锥孔定位，用拉杆从主轴后端拉紧。前端用双键传递扭矩。§4-1主轴组件的功用及要求3）外圆磨床砂轮主轴端部结构外圆磨床砂轮主轴端部，法兰盘靠前端1：5的圆锥面定位，并用螺母固定。螺母的螺纹旋向必须与砂轮的旋转方向相反（左螺纹），以防止启动时因砂轮惯性而导致松脱。§4-1主轴组件的功用及要求4）内圆磨床砂轮主轴端部结构内圆磨床砂轮主轴端部，砂轮的接杆靠莫氏锥孔定位并传递扭矩，同时用锥孔底部螺孔紧固接杆。§4-1主轴组件的功用及要求5）钻、镗床主轴端部结构钻、镗床主轴端部，刀杆或刀具靠莫氏锥孔定位，前面扁孔传递扭矩，后部扁孔拆卸刀具。§4-1主轴组件的功用及要求6）组合机床主轴端部结构组合机床主轴端部，圆柱孔用来安装接杆，刀具则安装在接杆的莫氏锥孔内。前端圆螺母用来调整刀具的轴向位置，平键用来传递扭矩。§4-1主轴组件的功用及要求

二）主轴的材料与热处理选材的依据：材料的耐磨性、热处理方法及变形量，残余应力等。1、普通主轴选优质中碳钢（45﹟、60﹟），调质到220～250HBS，重要的锥孔、轴颈、锥面高频淬火到50～55HRC。§4-1主轴组件的功用及要求2、精密机床主轴要求：淬火变形及应力小；选材：40Cr、20Cr、16MnCr、12CrNi2A等低碳合金钢，渗碳淬硬HRC>60。3、选用滑动轴承的砂轮主轴，镗床、加工中心等机床主轴要求：高耐磨性选材：渗氮钢38CrMoAlA，表面硬度可达1100～1200HV（相当于69～72HRC）。§4-1主轴组件的功用及要求三）主轴的技术要求§4-1主轴组件的功用及要求1、轴颈工作基面：工作时以轴颈为工作基面旋转；工艺基面：加工时，精磨锥孔的基面；测量基面：检验时，检验各部位同轴度、垂直度的基面。普通精度等级机床主轴：轴颈形状公差（圆度、圆柱度）一般小于尺寸公差的1/4，装滚动轴承的粗糙度为Ra0.4，滑动轴承为Ra0.8。§4-1主轴组件的功用及要求2、内锥孔定位基面：安装刀具或工件时的定位基面；测量基面：检验时，代表主轴中心线。与轴颈的同轴度，以轴端面及距轴端100～300处径向跳动表示。形状精度以标准检验锥着色的接触面积来检验。§4-1主轴组件的功用及要求3、轴端安装卡盘或刀具的定位基面要求：耐磨，以适应经常拆装的要求。4、传动件的安装面、定位轴肩面安装面：应保证传动平稳，选择合适的配合等级，与轴颈的同轴度公差，可小于直径公差的1/2；定位轴肩：传动件或轴承轴身定位基面，与轴颈的垂直度公差，以止推面上轴线的端跳不大于该处直径公差1/2。§4-1主轴组件的功用及要求5、键槽或花键、螺纹

键槽或花键加工精度影响传动件的定心精度和移动的方便性。要求：保证键槽和花键国家标准精度，保证键槽与主轴中心线的平行度和对称度。螺纹其中心与轴颈中心线的同轴度误差过大会使轴承和传动件偏斜。要求：除螺纹加工的精度要求外，需要时还要检验螺母端面与主轴中心线的垂直度。§4-1主轴组件的功用及要求6、自由表面属非配合表面，但表面粗糙度不宜太高Ra1.6，线速度超过3m/s时，主轴组件应进行动平衡，必要时还要控制自由表面与轴颈的同轴度。§4-1主轴组件的功用及要求例1、

1、与工作和测量基准有关的项目莫氏锥对轴颈AB的径向圆跳动；短锥C对AB的径向圆跳动；端面D对AB的径向圆跳动；

2、与机床精度检验有关的项目§4-1主轴组件的功用及要求§4-1主轴组件的功用及要求§4-1主轴组件的功用及要求§4-1主轴组件的功用及要求§4-1主轴组件的功用及要求§4-2主轴组件的轴承

轴承是影响主轴组件性能的最关键的因素之一。轴承的类型：滚动轴承滑动轴承一、采用滚动轴承的主轴组件结构与功能相适应在两相对运动面间加入滚动体，将两面间的滑动摩擦转换为滚动摩擦。§4-2主轴组件的轴承

轴承结构的变化导致了功能与性能的变化：摩擦性质：滑动→滚动摩擦，动静摩擦系数及差值均较小，阻尼较小；接触形式：面→有限个点或线接触，作用线方向径向刚度会发生变化，易引起振动；最佳工况条件：不受相对运动速度限制，可在大范围转速下工作；不受最佳间隙的限制，可在零间隙甚至负间隙下工作。§4-2主轴组件的轴承制造与维护：结构复杂，径向尺寸大，制造技术难度加大，已标准化，专业化生产，维修时只需外购更换；可脂润滑，填充一次使用较长时间，延长维修周期，也可用油润滑。§4-2主轴组件的轴承轴承的选择原则：

1）优先选用滚动轴承，尤其对于密封难度大的场合。如立式主轴。

2）加工质量要求较高的水平主轴，宜采用滑动轴承，如外圆磨床、平面磨床，高精度车床等。§4-2主轴组件的轴承一）滚动轴承的类型滚动轴承的选择依据：

1）轴承的精度、刚度、转速；

2）可调的间隙，有利于提高精度、刚度；

3）刚度及转速，线接触滚子轴承较点接触轴承刚度高，转速低，轴承负载较轻，故轴承的承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要指标。§4-2主轴组件的轴承1、双列圆柱滚子轴承1）规格型号系列：NN300OK(旧编号3182100)NNU4900K（旧编号4382900K）2）结构特点：滚子交错排列，内圈内表面1：12锥，以滚道在内圈上居多。3）预紧方式：轴向移动内圈4）工作性能：旋转精度高，径向刚度高，承载能力高，不能承受或个别型号带档边，仅承受极小轴向载荷，且为滑动摩擦。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承2、双向角接触球轴承1）规格型号系列：α=60°234400

(旧编号2268100)

α=40°246800瑞典SKF公司

BTA-B同234400，较窄SKF2）结构特点：双内圈，单外圈，隔套外圈外径公差带在零线下方，与壳体间有间隙，α=60°、

40°或30°，α越大，轴向刚度越大，速度越低。3）预紧方式：修磨隔套厚度4）工作性能：钢球小而多，承载与精度较高，极限转速高于一般轴承，仅承受轴向载荷。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承3、角接触球轴承α=15°~25°

1）规格型号系列：7000C（旧36100）

7000AC（旧46100）日本NSKα=30°BA10X外形同7000C，较窄

α=40°BT10X外径公差带在零线下，

背靠背使用2）结构特点：α=15°或α=

25°

可几列组合使用，提高刚度承载能力。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承角刚度：轴承处的支反力矩与该点的倾角之比，称为角刚度N·m/rad。对异向组合使用的角接触球轴承，作用点接触线跨距越大，支反力矩越大，角刚度越大。从降低热变形与受载变形角度来考虑，主轴应选背靠背组合形式。由于丝杠轴承座孔的同轴度问题，对丝杠轴承有自动调心要求，故选面对面组合形式。§4-2主轴组件的轴承3）预紧方式：内外圈轴向相对移动即可。背靠背：压紧内圈面对面：压紧外圈4）工作性能：承受径向、轴向载荷（BA10X、BT10X除外）

α=15°，轴向承载小，转速高，磨床主轴

α=25°，轴向承载较大，车床、加工中心主轴§4-2主轴组件的轴承4、圆锥滚子轴承1）规格型号系列：无凸缘350000（又内圈）法国GametH、P系列2)结构特点：有凸缘的，用于轴向定位滚子大端与档边是滑动摩擦，发热多

Gamet公司将滚子做空，保持架做整体，迫使润滑油从滚子孔中流过，降温。

H系列（主轴前端）两列滚子数差1，吸收抑制振动

P系列（后支承）外圈上设有16～20个弹簧预紧§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承３）预紧方式：修磨隔套厚度４)工作性能：可承受轴向、径向载荷，滚子数量大，线接触，刚度高，承载能力大，转速低§4-2主轴组件的轴承５、深沟球轴承1）规格型号系列60000系列

2）结构特点：内外圈均有滚道3）预紧方式：一般不能调整间隙4）工作性能：一般只承受径向载荷§4-2主轴组件的轴承

主轴轴承常用轻、特轻和超轻系列，以特轻系列为主，即轴承编号的倒数第3位数字分别以2,0,9(旧标准为2,1,9)代表。因为采用较“轻”的轴承，对主轴组件的性能影响不大，却可以使同样内径的轴承外径减小。同时，对同样的箱体孔径，主轴直径可粗一些，对提高主轴刚度有利。但轴承越“轻”，座圈也越薄，对箱体孔和轴颈的精度要求也越高。§4-2主轴组件的轴承二)轴承的精度1、主轴轴承的精度向心轴承：P2、4、5、6、0五级，2最高圆锥滚子轴承：P4、5、6x、0四级，4最高

6x与6的内外径跳动公差均相同仅6x宽度装配要求较严格主轴轴承精度主要采用P2、4、5（旧BCD）三级，相当于ISO的2、4、5。§4-2主轴组件的轴承轴承精度选择原则：高精度主轴选用P2

要求较低或三支承选P5，P6太低，一般不用辅助等级SP（特殊精度）UP（超精密级）旋转精度相当于P4P2，内外圈尺寸精度相当于P5P4§4-2主轴组件的轴承2、影响主轴旋转精度的轴承的精度指标

1）相对于主轴箱，切削力方向固定（车、铣、磨床等）主轴的径向轴承的旋转精度主要由“成套轴承内圈的径向跳动”

Kia决定；

2）切削力方向随主轴旋转而变动（镗床和镗铣加工中心的主轴）主轴的径向轴承的旋转精度主要由“成套轴承外圈的径向跳动”Kea决定；

3）主轴的轴向窜动,主要由推力轴承“轴圈滚道对底面厚度的变动量”Si或者角接触球轴承、圆锥滚子轴承的“成套轴承内圈端面对滚道的跳动”Sia决定。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承3、主轴前后支承轴承精度对主轴旋转精度的影响假设由于前、后支承轴承精度误差在支承处引起的轴承轴心偏移时为δ；则由于前支承精度误差在主轴端面上引起的轴心偏移为：δδ1La§4-2主轴组件的轴承

由于后支承精度误差在主轴端面上引起的轴心偏移为：δbδ2La§4-2主轴组件的轴承

显然：δ1>δ2

也就是说，前支承轴承精度对主轴旋转精度的影响较大。故前支承精度一般应选得较后支承精度高一级。机床主轴轴承精度等级按推荐表选，趋于P4（SP），P6已经很少用了。数控机床可按精密级或高精密级选用。提高轴承精度:提高主轴旋转精度使滚动体受力均匀，提高了刚度和抗振性§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承（三）轴承的刚度零间隙时，轴承在外载荷作用下的变形：点接触轴承§4-2主轴组件的轴承线接触轴承δr、δa：径向、轴向变形（mm）；α：接触角db：球径（mm）;la：滚子有效长度（mm）；Qr、Qa：作用于单个滚动体的径向、轴向载荷§4-2主轴组件的轴承Fr、Fa：作用于轴承上的径向、轴向载荷（N）；iZ：滚动体的列数和每列的滚子数§4-2主轴组件的轴承零间隙时轴承刚度：对球轴承：§4-2主轴组件的轴承对滚子轴承：Kr、Ka：径向、轴向刚度（N/μm）§4-2主轴组件的轴承Fre、Fae的确定：设轴向预紧力为Fa0，则径向、轴向载荷为：Fre、Fae：径向、轴向外载荷（N）Fa0：预紧力（N）,见轴承样本α：接触角（°）§4-2主轴组件的轴承Fa0CtgαFa0α§4-2主轴组件的轴承可见：1）滚动轴承刚度是载荷的函数2）点接触较线接触轴承刚度对载荷敏感

§4-2主轴组件的轴承例1：求NN3020K轴承径向刚度Kr。解：查轴承数据表轴承内径d=100，iZ=60，la=10

查轴承样本，额定动载荷C=122KN

所以取Fｒ=C/10=12200N代入式§4-2主轴组件的轴承例2：求7024AC轴承在预紧力Fa0=1380N时的径向刚度Kr。解：查轴承数据表轴承内径d=120，α=25°Z=20，db=19.05

查轴承样本，额定动载荷C=74KN

所以取Fｒ=C/10=7400N代入式§4-2主轴组件的轴承代入式§4-2主轴组件的轴承（四）轴承间隙的调整与预紧问题：有间隙时，滚动轴承的载荷集中在受力方向上的几个滚子上，滚子与滚道之间产生了很大了接触应力、变形。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承解决的措施：在安装轴承时，预先在轴向加上约为径向载荷20～30%的力，增加了受载滚子数，加大了接触面积，使滚子受力较均匀，且有一定误差均化的作用，提高刚度，延长寿命。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承预紧：使滚道与滚动体之间有一定的过盈量，称为预载荷或预紧。预紧过度，不能进一步提高刚度，还会加剧磨损，增加发热量，降低寿命。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承预紧类型：径向预紧轴向预紧定位预紧定压预紧§4-2主轴组件的轴承1、双列圆柱滚子轴承的预紧原理：向轴颈大端移动轴承内圈，锥面使内圈径向胀大，实现预紧，称为径向预紧。措施：用滚子包络圆直径D2与外圈滚道直径D1的差值Δ=D2-D1（mm）来衡量。§4-2主轴组件的轴承1:12§4-2主轴组件的轴承螺钉§4-2主轴组件的轴承预紧量确定原则：应为轴承承受载荷后，不受载一侧仍能保持滚子与滚道接触，即，预紧量应略大于载荷变形量。计算线图应用举例：设NN3020K轴承受外载Fr=6000N，则变形量查计算线图，预紧量取Δ=4μm§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承2、角接触球轴承的预紧原理：在轴向力Fa0作用下，使外圈产生轴向错位来实现预紧，称为轴向预紧。措施：将背靠背或面对面组合使用角接触球轴承通过磨轴套或加垫片方法，使内外圈相错一确定的长度量实现预紧的预紧方式，称为定位预紧。若利用弹簧使轴承受一确定的轴向载荷，产生预变形的预紧方式，称为定压预紧。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承定位预紧的载荷——变形图：§4-2主轴组件的轴承定压预紧的载荷——变形图：§4-2主轴组件的轴承定压预紧结构图（面对面）：§4-2主轴组件的轴承定压预紧结构图（背靠背）：§4-2主轴组件的轴承轻度预紧：适用于高速、轻载，要求旋转精度高中度、重度预紧：适用于中速、中载和低速重载条件下，要求增大支承刚度的场合。具体查各厂家的轴承样本。§4-2主轴组件的轴承常见的几种预紧方式：1）背靠背组合形式§4-2主轴组件的轴承2）面对面组合形式§4-2主轴组件的轴承3）两种以上类型轴承组合§4-2主轴组件的轴承4）调整螺母的防松§4-2主轴组件的轴承螺母调整间隙的缺点：螺纹的中心与轴的中心的同轴度误差，会使轴承压偏，工艺性差。在拧紧时，使主轴产生弯曲变形。

使用一种阶梯套的结构，进行调整§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承（五）轴承的转速与寿命恒量轴承转速性能的指标dm·n。极限转速：普通精度级轴承在轻负荷下运转，达到规定温度的转速。此值仅作为参考。测试条件各厂家不公开。§4-2主轴组件的轴承寿命标准：精度损失。寿命决定因素：疲劳点蚀（重型主轴）磨损（一般主轴）§4-2主轴组件的轴承二、采用滑动轴承的主轴组件按流体介质液体滑动轴承气体滑动轴承按压力油膜压强产生方式：动压轴承：通过轴的转动形成油膜而具有承载能力，与滑动速度成正比，低速时承载能力低。应用于高速与转速变化不大的支承。静压轴承：通过液压系统油压建立油膜压强，承载与转速无关，应用于高精度主轴，系统复杂，对油的洁净度要求高§4-2主轴组件的轴承静压滑动轴承§4-2主轴组件的轴承（一）液体动压轴承工作原理：旋转的轴颈粘附润滑油由间隙大处流过间隙小处，在轴颈轴承之间形成一个压力与轴颈线速度成正比的压力油膜，将轴颈浮起，承受载荷。§4-2主轴组件的轴承按轴承中油楔数量类型分类：单油楔动压滑动轴承固定多油楔滑动轴承活动多油楔滑动轴承§4-2主轴组件的轴承多油楔滑动轴承的特点：精度高：几个压力油楔将轴颈推向中央位置刚度高：受载方向间隙减小，油膜减薄，对侧的间隙加大，压差较大，刚度较高；§4-2主轴组件的轴承1、固定多油楔滑动轴承

§4-2主轴组件的轴承1）结构特点：（1）轴瓦呈外柱内锥式（1:20），也有内柱外锥（1:15）；（2）轴瓦内壁上开有五个等分的油囊，深0.1～0.15；（3）油囊形状为阿基米德蜗线，油囊设进油孔，回油槽。低压泵供入再流回，形成循环。§4-2主轴组件的轴承2）油楔油压、流速分布分析：§4-2主轴组件的轴承计算简图：A：轴瓦B：轴颈垂直纸面是坐标系的z轴轴颈B将油从大端（入口）带到小端（出口），从而产生油压。A§4-2主轴组件的轴承雷诺方程为：意为：沿x方向压强的变化率等于沿y方向速度v的二阶导数：乘以动力粘度μ∴对上式积分，得任意x剖面上，y方向上任意点的速度：§4-2主轴组件的轴承依边界条件：

y=0,v=v0

∴C2=v0

y=h,v=0∴∴

（2）在z方向上，单位长度、单位时间内沿x方向通过该剖面的油的流量为：§4-2主轴组件的轴承设剖面b—b处为最大压强点，即：pb=pmax，h=hb，则有，再由（2）式得可见，油的流速在AB间沿y方向呈线性分布。而b点的流量假设油无端部泄漏，即假设油楔长度无限大，则有：即得（3）此即油膜压强沿x方向的分布规律。§4-2主轴组件的轴承v0§4-2主轴组件的轴承最佳间隙的确定：设油楔宽度为B，入、出口间隙为h1、h2，距坐标原点距离为x1、x2，最大压强处的间隙为hb，距离为xb，任意截面处的间隙为h，距离为x。再设（A的边过原点）则有称为间隙比∴hb=xbαh=xα

代入（2）式得§4-2主轴组件的轴承

（4）（1）求沿轴瓦宽度B的油膜压强分布。将（4）式对x积分，得§4-2主轴组件的轴承当x=x2时，p=0（6）当x=x1时，p=0（7）由（6）（7）式得（8）将（6）（8）代入（5）式，得（9）§4-2主轴组件的轴承（2）求轴瓦为无限长时，单位长度的承载能力P∞。（10）§4-2主轴组件的轴承（3）求最佳间隙比a。由图中相似三角形可得∵∴（11）∴（12）又代入（10）§4-2主轴组件的轴承得（13）当P∞取最大值时，间隙最佳，即有：考虑a≠1，经整理后可得求这个代数式（试算法）的近似解，解得最佳间隙比为：§4-2主轴组件的轴承例：若轴颈轴瓦间隙为0.03，则：半径上为出口间隙h2=0.015，入口间隙h2=h1×a=0.015×2.2=0.033，最佳深度为0.033-0.015=0.018。§4-2主轴组件的轴承2、活动多油楔滑动轴承§4-2主轴组件的轴承结构特点：由三块或五块轴瓦组成；轴瓦由球头螺钉支承；支承点位于压力中心，转速、载荷变化时，因瓦块上油楔压强分布特点，自行摆动至最佳间隙比2.2后处于平衡状态。综合刚度低；轴瓦包角60°，长径比L/D=0.75应用于各种外圆磨床，无心磨，卧轴平面磨床等。§4-2主轴组件的轴承（二）液体静压轴承1、液体静压轴承的优缺点（1）具有良好的速度与载荷适应性；（2）承载能力强；（3）摩擦小，轴承寿命长；（4）精度高，抗振性好。缺点：工艺复杂，需一套专用的供油系统，过滤和安全保护要求高。§4-2主轴组件的轴承2、静压轴承的工作原理组成：轴承供油系统节流器基本原理：§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承流经节流器后液体的压力越高，节流效果越不好，则节流器两侧的压力差越小。反之亦然。§4-2主轴组件的轴承3、静压轴承的节流器（1）固定节流器小孔节流器

§4-2主轴组件的轴承毛细管节流器§4-2主轴组件的轴承（2）可变节流器可变节流器液阻可以随油腔压强变化而改变。薄膜反馈节流器

§4-2主轴组件的轴承滑阀式节流器§4-2主轴组件的轴承（3）节流器的选择固定节流器：

小孔节流器刚度低，应用于中小型高速精密主轴；毛细管节流器应用于较低速中小型精密主轴；可变节流器：轴承刚度、精度高，应用于精密、重载或大变载荷的主轴。薄膜式灵敏，多用于中型机床主轴；滑阀式液阻大，用于重型机床主轴。§4-2主轴组件的轴承4、静压轴承的类型轴向推力静压轴承径向推力轴承球面、锥面静压轴承静压轴承的动压现象，会降低精度。轴承的材料：轴颈45#淬火到HRC40～45；轴瓦ZQSn6-6-3Ra：0.2～0.8μm§4-2主轴组件的轴承4、静压轴承的类型§4-2主轴组件的轴承4、静压轴承的类型§4-2主轴组件的轴承（三）空气静压轴承特点：压缩空气承载、润滑；速度高，承载小，刚度低；消耗功率小，环境污染小，压缩系统简单成本低。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承三、几类常见的主轴１、车、镗、铣、加工中心类主轴（１）中等转速、较高刚度（２）高速型主轴§4-2主轴组件的轴承（１）中等转速、较高刚度§4-2主轴组件的轴承（１）中等转速、较高刚度§4-2主轴组件的轴承（１）中等转速、较高刚度§4-2主轴组件的轴承（１）中等转速、较高刚度§4-2主轴组件的轴承（１）中等转速、较高刚度§4-2主轴组件的轴承（１）中等转速、较高刚度§4-2主轴组件的轴承（１）中等转速、较高刚度§4-2主轴组件的轴承（１）中等转速、较高刚度§4-2主轴组件的轴承（２）高速型主轴§4-2主轴组件的轴承（２）高速型主轴§4-2主轴组件的轴承2、磨床类主轴组件§4-2主轴组件的轴承2、磨床类主轴组件§4-2主轴组件的轴承四、提高主轴组件性能的措施1、提高精度提高主轴及轴承的制造精度提高轴承在轴颈和轴承座孔中的装配精度（1）定向装配法方法一：测出误差大小及方向，将各环节调整在同一线上，全互相抵消。方法二：测出误差大小及方向后，装配时使环节形成一封闭多边形，消除误差。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承（2）装配后精加工坐标镗主轴组件，装配好后以主轴前后锥孔为基准精磨套筒外圆面。§4-2主轴组件的轴承2、改善动态特性以某内圆磨主轴为例：结构特点：是一弹性轴和两弹性支承组成的弹性系统。§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承三阶振型：平移振动：一阶模态受轴承刚度影响摇摆振动：二阶模态弯曲振动：三阶模态受主轴刚度影响§4-2主轴组件的轴承改善措施：

1）提高固有频率提高轴承、主轴刚度；

2）减小激振力减小主轴组件动不平衡，减小断续切削力

3）提高前支承轴承的阻尼采用滑动轴承选择合适的预紧力

4）采用三支承

5）采用消振装置§4-2主轴组件的轴承§4-2主轴组件的轴承3、控制主轴的温升

1）改善润滑，减少主轴轴承的发热量；

2）采用散热装置。§4-3主轴组件的计算

主轴组件设计包括结构设计及主要参数计算。一、主轴组件结构参数的确定主要结构参数：平均直径（前轴颈D1代替）内孔直径d，悬伸跨距l；步骤：依主功率或主参数选D1，确定d，依Da，KA、

KB确定l。§4-3主轴组件的计算1、主轴直径的确定实验一：主轴前端悬伸段直径对主轴刚度的影响。结论：

该段直径对主轴刚度影响显著。理论上：K=EII∝D§4-3主轴组件的计算主轴直径的初步确定：主轴前轴颈直径D1可根据传递功率，并参考现有同类机床的主轴轴颈直径尺寸确定。

§4-3主轴组件的计算

也可按机床主参数确定（即D1与最大加工直径Dmax）。后轴承直径:D2=（0.7～0.85）D2§4-3主轴组件的计算2、主轴内孔直径d的确定内孔的作用：穿过棒料，安装工卡具。

d的确定以确保主轴刚度为准。

∵K=EI∴同外径的空心轴与实心轴刚度之比λ

：设则

§4-3主轴组件的计算作ε—λ关系曲线：可见：ε＜0.31时，λ≈1ε＝0.5时，λ≈0.9ε≥0.7时，λ＜0.75一般应使ε＜0.7建议：车床取大一些铣床取小一些§4-3主轴组件的计算3、主轴前端悬伸量悬伸a指主轴前端支承到前端面上力的作用点之间的距离。实验二：悬伸对主轴刚度的影响§4-3主轴组件的计算

悬伸量大小取决于主轴端部的结构形状及尺寸，一般应按标准选取，在满足结构要求的前题下，应尽量减小a，以提高主轴组件的刚度。

§4-3主轴组件的计算

初期选a值，可按下表估算：§4-3主轴组件的计算4、主轴支承跨距的确定主轴支承跨距l是指主轴前后或前中支承反力作用点之间的距离，它是决定主轴组件刚度的主要因素之一。影响主轴刚度的部件主要有两部分：主轴本身和支承；§4-3主轴组件的计算§4-3主轴组件的计算

主轴轴端轴心偏移(径跳)是两部分共同形成的，在弹性变形范围内，根据位移叠加原理，总变形量为两部分的叠加。

δs：主轴部分δz：支承部分§4-3主轴组件的计算（1）刚性支承上的弹性主轴讨论主轴的弹性变形对主轴端面径跳的影响。主轴前端悬伸部分受剪变形为δτ，考虑进δs中。§4-3主轴组件的计算

悬伸段剪切变形：∴柔度为λ=l/a为悬伸比柔度ξ是l/a的函数。作曲线§4-3主轴组件的计算a在前述步骤中已经确定：所以悬伸比λ=l/a↑(l↑)→δs/F↑→刚度↓，趋势是：线性增加。

δs/Fl0/a曲线1，δs/Fl/a§4-3主轴组件的计算（2）弹性支承上的刚性主轴讨论支承的弹性变形对主轴端面径跳的影响。§4-3主轴组件的计算

对二支承主轴，支承点有两处：前支承、后支承。考虑误差影响规律，前后支承对主轴端面径跳的影响应为两者的叠加。

§4-3主轴组件的计算

支承处的变形与该点的刚度、载荷有关。轴承规格型号确定后，刚度即已确定；载荷则与跨距和悬伸量有关。（刚度此时认为是常量，实为载荷的函数）设：支承处的变形为：δa，δb

支承处的支反力为：RA，RB

支承处的刚度为：KA，KB则两支承处的变形量为：§4-3主轴组件的计算

两支承处的支反力为：

RA+RB=FRB·l=F·a

将两者折合到主轴端面，再叠加，得§4-3主轴组件的计算

由两支承变形在主轴端引起的柔度为：柔度ξz是关于悬伸比λ=l/a的函数。作曲线是悬伸l/a的倒数§4-3主轴组件的计算悬伸比λ=l/a很小时，随l的增大，δ/F急剧降低，随后缓慢降低，刚度↑↑；趋势是：先快降，后缓降。δ/Fl0/a曲线2，δz/Fl/a§4-3主轴组件的计算（3）弹性支承上的弹性主轴§4-3主轴组件的计算将主轴和支承在主轴端面上引起的径跳叠加，则得挠度：柔度：柔度ξ是关于悬伸比λ=l/a的函数。作曲线§4-3主轴组件的计算可见：（1）曲线存在最小值，使柔度ξ=δ/F最小（刚度K最大），若a已定，则存在最佳跨距l0，即：ξ（l）′=0;

（2）趋势是：先快降，后缓升。l0/a=2-3.5δ/Fδminl0/a曲线3，δ/F曲线1，δs/F曲线2，δz/Fl/a§4-3主轴组件的计算

也就是说，若因结构限制不能取最佳跨距时，取大一些好：跨距大了有利于提高刚度、抗振性，有利于减小轴承径跳对主轴端面的影响，提高精度。若因结构等原因限制不能取最佳跨距，而取一使刚度损失较小的跨距值，该值被称为合理跨距。由上图可见：若跨距大于最佳值，主轴刚度影响显著，提高主轴刚度可有效提高主轴组件刚度；若小于最佳跨距，则支承刚度显著，提高支承刚度可改善主轴组件刚度。§4-3主轴组件的计算（4）最佳跨距l0的确定因在ξ（l）′=0处，取得最佳跨距∴上式为引入综合变量：§4-3主轴组件的计算则：η是以悬伸比为变量，以刚度比KA/KB为参变量的函数。作η、λ=l/a、KA/KB曲线。§4-3主轴组件的计算§4-3主轴组件的计算

可见：

η↑→λ=l/a↑；

KA/KB↑→λ=l/a↑。跨距l不仅与悬伸a有关，还与惯性矩I，支承刚度比KA/KB及其比例有关。一般地，在l=(0.75~1.5)l0时，主轴刚度损失约为5~10%。初算时，可取λ=l/a=2~3.5。最佳跨距计算还可用计算法确定：卡丹公式法。§4-3主轴组件的计算

步骤：

1、根据机床功率或主参数初定前轴颈D1，确定D2=（0.7～0.9）D1；

2、按类比法初定a=(0.6～1.5)D1,随后初定d；

3、按D1、D2及主轴结构确定轴承类型规格数量配置；

4、设l/a=2～3.5。设依主电机功率、主参数确定主轴所受最大扭矩，计算切削分力、总作用力，主轴及尾架所受力，再确定支反力，从而确定KA、KB；

5、取前后轴颈直径平均值计算截面惯性矩I；

6、计算η值，由计算线图查得l/a，初得l。不符，修改