机床主要部件设计

机床主要部件设计第1页，课件共27页，创作于2023年2月本章讲授内容第一节主轴组件设计第二节支承件设计第三节导轨设计第四节滚珠丝杠螺母副机构简介第三章机床主要部件设计第2页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计主轴组件包括主轴、支承轴承、传动件、定位元件、密封件。

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，完成表面成形运动。一、主轴组件应满足的基本要求基本要求旋转精度刚度抗振性温升和热变性精度保持性第3页，课件共27页，创作于2023年2月１.旋转精度旋转精度指主轴装配后，在空载、低速转动状态下，安装刀具或工件的主轴部位的径向跳动和轴向跳动。第一节主轴组件设计主轴组件的旋转精度直接影响工件的加工精度。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔的制造、装配和调整精度。第4页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

刚度

指主轴组件在外载荷作用下抵抗变形的能力。2.刚度

刚度的量化以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向所施加的作用力大小来表示。当主轴外伸端受径向作用力F，主轴受力方向上的弹性位移为δ时，其刚度K

的表达式为第5页，课件共27页，创作于2023年2月主轴主件的刚度不足直接影响零件的加工精度和机床的性能第一节主轴组件设计（2）动刚度

主轴组件在交变载荷作用下抵抗变形的能力，表示为

Kd=Fd/δd。（1）静刚度

主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力，表示为

Kj=Fj/δj。主轴组件的刚度受主轴的尺寸和形状，滚动轴承的类型、数量、预紧和配置形式，传动件的布置方式，主轴组件的制造精度和装配质量等因素影响。第6页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计在切削过程中，主轴部件受到静态力的作用，也受到冲击力和交变力的作用而产生振动。冲击力和交变力是由材料硬度不均匀、加工余量的变化、断续切削、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等引起。

抗振性

是指机床在额定载荷切削时，主轴组件抵抗受迫振动和自激振动的能力。3.抗振性主轴振动直接影响工件的表面加工质量和刀具的使用寿命，并产生噪声。第7页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

热变形

是主轴组件运动时，各相对运动处的摩擦，切削区的切削热等使主轴组件的温度升高，造成形状、尺寸及位置变化。4.温升和热变形热变形会引起轴承间隙变化，润滑油粘度降低，影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。第8页，课件共27页，创作于2023年2月精度保持性影响机床使用寿命内的加工精度和工作稳定性。第一节主轴组件设计

精度保持性

指主轴组件长期保持其原始制造精度的能力。5.精度保持性

精度保持性决定于主轴组件的耐磨性能。影响耐磨性的因素有主轴、轴承的材料、热处理方法、轴承类型及润滑防护措施等。明确：主轴组件丧失原始制造精度的原因——磨损。如主轴轴承、主轴轴颈表面、装夹工件或刀具的定位表面的磨损。第9页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计二、主轴滚动轴承

◆

滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作。

◆

滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧（有一定过盈量）的条件下工作。故滚动轴承的摩擦系数小，有利于减小发热。1.滚动轴承的特点

◆

滚动轴承润滑容易，可以用油脂，一次填装可用到修理时再换脂。如用油润滑，单位时间用油量也比滑动轴承少。

◆滚动轴承由轴承厂生产，质量稳定，成本低，经济性好。滚动轴承的缺点：滚动轴承的滚动体数量有限，其径向刚度是变化的，易引起振动，阻尼低，振幅较大。滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。第10页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

1）转速较高，负载不大，而旋转精度要求较高，采用球轴承。

2）转速较低，负载大或有冲击负载，采用滚子轴承。

3）径向载荷和轴向载荷都较大时，如果转速高，采用角接触球轴承。如果转速不高，采用圆锥滚子轴承。2.选择滚动轴承选择的基本原则

4）轴向载荷比径向载荷大得多，但转速较低时，采用两种不同类型的轴承组合，分别承受轴向和径向负载。

5）径向载荷比轴向载荷大得多，且转速较高，采用深沟球轴承。

6）支承刚度要求较高时，可采用成对角接触型轴承。第11页，课件共27页，创作于2023年2月

“背靠背组合”，使轴承的接触线与轴线的交点间距大，抵抗弯曲变形的支反力矩大，支承刚度比“面对面组合”高，应用广泛。第一节主轴组件设计

3.角接触球滚动轴承组合安装

机床主轴常选用“背靠背组合”，为什么？第12页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计与钢轴承相比具有：①高速下重量轻，作用在滚动体上的离心力较小，压力和滑动摩擦小；②滚动体热膨胀系数小，温升较低，轴承在运转中预紧力变化缓慢，运动平稳；③弹性模量大，轴承的刚度增大。

4.陶瓷滚动轴承

1）特点2）陶瓷轴承的应用

①陶瓷钢混制轴承其滚动体和外圈采用不同材料，运转时分子亲合力很小，摩擦系数小，有一定的自润滑性能，可在供油中断的无润滑时正常工作。适用于高速、超高速、精密机床的主轴组件。

②全陶瓷轴承适用于耐高温、耐腐蚀、非磁性、电绝缘、要求减轻重量和超高速场合。第13页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计磁浮轴承是利用磁力来支承运动部件，使其与固定部件脱离接触来实现轴承功能。

①无机械磨损，运转无噪声，温度低，能耗小；不需要润滑，不污染环境；能在超低温、高温、真空、蒸气腐蚀性环境中正常工作。

②磁力轴承主轴可以自适应控制，通过监测定子线圈电流，灵敏地控制切削力，并可通过检测切削力微小变化来控制机械运动，加工精度高。特别适用于高速、超高速加工。

5.磁浮轴承（磁力轴承）磁浮轴承的特点：第14页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

主轴的结构取决于主轴上安装的刀具、夹具、工件、传动件、轴承的类型、数量、位置和安装定位方法。三、主轴

1.主轴的结构

主轴前端形式取决于机床的类型和安装夹具或刀具的形式。通用机床已有标准化的形式。

主轴整体结构是空心阶梯轴，外径从前端到尾部逐渐减小。第15页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

（2）精密、大载荷、有冲击的机床主轴

采用中碳或低碳合金钢，如40Cr，20Cr。进行高频淬火或渗碳淬火，提高耐磨性，硬度52~65HRC。2.主轴的材料及热处理主轴的选材依据：载荷类型、耐磨性、热处理方法。（3）主轴材料的攻关点怎样减小高速、高效、高精密机床主轴的热变形、振动。已诞生的新型材料有玻璃陶瓷材料。

（1）普通机床主轴

采用45#或60#优质结构钢。在主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面进行局部高频淬火，提高耐磨性，硬度为50~55HRC。第16页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

（1）满足主轴旋转精度要求

①

主轴前后轴承轴颈的同轴度，

②

锥孔相对于前后轴颈中心连接线的径向跳动，

③定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心连线的径向和轴向跳动等。

3.主轴的技术要求

（2）其它性能要求

表面粗糙度，表面硬度等。第17页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计1.传动方式

（1）齿轮传动

轮齿的啮合传动，结构简单、紧凑；能传递较大的扭矩，适应变转速、变载荷工作。

不足：线速度需<12~15m/s，且不如带传动平稳。（2）带传动

靠摩擦力传递动力。结构简单，皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小；过载时打滑，具有过载保护作用。适用于中心距较大的两轴间传动。

不足：传动速比不够准确。

四、主轴组件的传动方式及结构设计齿轮传动、带传动、同步齿形带传动、电动机直接驱动第18页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计（4）电动机直接驱动对于转速小于3000r/min的主轴，采用异步电动机和联轴器直接驱动主轴。如高速内圆磨床的磨头。

对于转速小于8000r/min的轴，采用变频调速电动机直接驱动。此传动无相对滑动，传动比大且准确，传动精度高；可传递较大动力，传动平稳；不需特别张紧，对轴和轴承压力小，传动效率高；不需润滑，耐腐蚀，耐高温。

不足：制造工艺复杂，安装条件高。

（3）同步齿形带传动通过带上的齿与带轮上的轮齿传递传动第19页，课件共27页，创作于2023年2月三支承方式对三支承孔的同心度要求较高，制造装配较复杂。要求“主”支承应该消除间隙或预紧，“辅助”支承应保留一定的径向间隙或选用较大游隙的轴承。以免发生干涉，恶化主轴的工作性能，使空载功率大幅度上升和轴承温升过高。第一节主轴组件设计（1）主轴的支承数目

2）三个支承

①前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；②前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。

1）前、后两个支承结构简单，制造方便，应用广泛。为提高刚度，前后支承应消除间隙或预紧。

2.结构设计第20页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

①前端配置（前端定位）指推力轴承布置在前支承处。该配置在前支承处轴承较多，发热大，温升高，但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高。用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。主轴轴向定位指为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度，推力轴承在主轴前后支承的配置形式。它影响主轴的刚度、热变形方向和大小。（2）主轴轴向定位第21页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

②后端配置（后端定位）推力轴承布置在后支承处。主轴前支承处轴承较少，发热少，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。常用于轴向精度要求不高的普通机床，如立铣、多刀车床。

③两端配置（两端定位）推力轴承布置在前后两个支承处。主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。故需采用弹簧消除间隙和补偿热变形。常用于较短主轴或轴向间隙变化不影响正常工作的机床。如组合机床主轴。第22页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

布置原则

应使由传动力引起的主轴弯曲变形小，引起主轴前端在影响加工精度的敏感方向上的位移小。

方法传动件轴向布置尽量靠近前支承，有多个传动件时，最大传动件应靠近前端。

传动件在前支承内侧齿轮在两支承中间靠近前支承。前支承直径大，刚度高，大齿轮靠前可减少主轴的弯曲变形，而且转矩传递长度短，扭转变形小，使用最普遍。（3）传动件的轴向布置第23页，课件共27页，创作于2023年2月第一节主轴组件设计

传动件在前支承外侧齿轮在主轴的前悬伸端，用于具有大转盘的机床，如:立式车床、镗床。

传动件在后支承外侧

传动件放在主轴的后悬伸端，使前后支承获得较好的支承跨距。