第三章-机床主要部件设计1

Sunday,September17,2023机械制造装备设计第三章机床主要部件设计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。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。1、主轴部件主支承常用的滚动轴承接触角α是球轴承的一个主要设计参数。

α=0º时，称为深沟球轴承；

0º

≤α≤45º

时，称为角接触球轴承；

45º<α

<90º时,称为推力角接触球轴承；

α

=90º时，称为推力球轴承。（1）角接触球轴承二、主轴滚动轴承第一节主轴组件设计角接触球轴承又称为向心推力球轴承，可以同时承受径向和某一方向的轴向载荷。主轴用角接触球轴承接触角多为15º和25º

。角接触球轴承必须成组安装，以便承受两个方向的轴向载荷和轴承间隙的调整。（1）角接触球轴承1、主轴部件主支承常用的滚动轴承二、主轴滚动轴承第一节主轴组件设计1、主轴部件主支承常用的滚动轴承包含两类

a）NN3000K型滚道环槽开在内圈上。b）NNU4900K型滚到开在外圈上。两列滚子交叉排列，刚度大。内圈为1：12的锥孔，与主轴锥形轴颈配合。可以用来轴承径向间隙和预紧。轴承径向刚度大。只能承受径向载荷，不能承受轴向载荷。一般常和双向推力角接触球轴承配套使用。适用于载荷和刚度要求较高、中等转速主轴前支承。（2）双列短圆柱滚子轴承二、主轴滚动轴承第一节主轴组件设计1、主轴部件主支承常用的滚动轴承接触角为60度，由外圈2、两内圈1、保持架4、隔套6和两列滚珠5组成。须保证不承受径向载荷，外圆与箱体孔间隙配合。轴承间隙的调整和预紧可通过修磨隔套6来实现。常与双列圆柱滚子轴承配套做前支承使用，此时后支承可采用双列圆柱滚子轴承或成对的向心推力球轴承。（3）双向推力角接触球轴承456二、主轴滚动轴承第一节主轴组件设计1、主轴部件主支承常用的滚动轴承有单列与双列之分（还有四列）。单列可承受径向载荷和单方向轴向载荷，双列可承受双向轴向载荷可通过修磨隔套调整间隙或预紧轴承内圈挡边与滚子之间为滑动摩擦，发热较多，因此允许最高转速低于同尺寸圆柱滚子轴承。主轴中双列常用于前支承，单列用于后支承，适用于中低速、中等以上载荷。（4）圆锥滚子轴承空心圆锥滚子轴承（加梅轴承）二、主轴滚动轴承第一节主轴组件设计1、主轴部件主支承常用的滚动轴承密度小：质量小，离心力小，减少压力和滑动摩擦；线膨胀系数小：轴承运转中预紧力变化缓慢，运动平稳；弹性模量大：轴承刚度大，精度高。（4）陶瓷滚动轴承常用滚动轴承有三种类型：（1）滚动体用陶瓷材料制成，内外圈采用轴承钢；（2）滚动体和内圈用陶瓷材料制成，外圈用轴承钢；（3）全陶瓷轴承。第1、2类适用于高速、超高速、精密机床；第3类适用于耐高温、耐腐蚀、非磁性、电绝缘或要求减少质量和超高速场合。二、主轴滚动轴承第一节主轴组件设计1、主轴部件主支承常用的滚动轴承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。（5）磁浮轴承（磁力轴承）工作原理：特点：（1）无机械磨损，理论上无速度限制；（2）运转无噪声，能耗小；（3）无需润滑，利于环保；（4）能在超低温和高温下工作，也可用于真空、蒸汽腐蚀性环境中。应用：适用于高速、超高速加工。二、主轴滚动轴承第一节主轴组件设计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。有足够的刚度和旋转精度。2.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。滚动轴承摩擦力大。滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。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。3.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。

“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

4.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？主轴轴承中，前后轴承的精度对主轴旋转精度影响不同。

5、滚动轴承精度的选择可见，前支承精度比后支承对主轴部件旋转精度影响较大。

选轴承精度时，前轴承精度要高一些，比后轴承高一个等级。

轴承安装时将前后轴承偏移方向通向，可有效减少主轴端部偏移。

第一节主轴组件设计滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体上，使得轴承刚度下降，承载能力下降，旋转精度变差。预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，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，提高主轴旋转精度。预紧力通常分为三级：轻预紧、中预紧和重预紧，代号为A、B、C。

轻预紧适用于高速主轴；中预紧适用于中低速主轴；重预紧适用于分度主轴。举例：双列圆柱滚子轴承的预紧6、主轴滚动轴承的预紧第一节主轴组件设计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、电动机直接驱动传动方式选择，主要决定于主轴转速、传递的扭矩、运动平稳性要求以及结构要求等。

齿轮传动带传动电机直接驱动主轴传动方式第一节主轴组件设计1.传动方式

四、主轴组件的传动方式及结构设计特点：结构简单、紧凑，能够传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。齿轮传动缺点：线速度不能过高，通常小于12-15m/s，不如带传动平稳。第一节主轴组件设计1.传动方式

四、主轴组件的传动方式及结构设计带传动特点：靠摩擦力传动（除同步齿形带外）、结构简单、制造容易、成本低。皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，适宜高速传动，带传动在过载时会打滑，能起到过载保护作用。应用：特别适用于中心距较大的两轴间传动。举例：同步齿形带缺点：有滑动，不能用在速比要求准确的场合。同步齿形带分为梯形齿和圆弧齿两种，梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中，而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主运动传动系统中。梯形齿圆弧齿第一节主轴组件设计1.传动方式

四、主轴组件的传动方式及结构设计主轴转速低于3000r/min，采用异步电机直接驱动，如高速内圆磨床的磨头。主轴转速底于8000r/min，采用变频调速电动机直接驱动形式：（1）电机通过联轴器直接带动主轴；（2）主轴单元（电主轴）。特点：主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和转矩；便于组织专业化生产。应用：它广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。电动机直接驱动第一节主轴组件设计1.传动方式

四、主轴组件的传动方式及结构设计多数机床的主轴采用前、后两个支承。如果前后轴承间距太大，为提高刚度和抗振性，可以采用三支承结构。采用三支承结构的特点：

（1）前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承。（当传动力对主轴作用点靠近后支承）

（2）前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。（当传动力对主轴作用点靠近前支承）

（3）三支承方式对三个轴承孔的要求较高。主支承应当消除间隙或预紧，辅助支承应当有一定的径向游隙。主轴部件的支承第一节主轴组件设计

2.结构设计（1）主轴的支承数目

第一节主轴组件设计

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）主轴轴向定位前端配置：指两个方向的推力轴承都布置在前支承处。特点：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，对提高主轴部件刚度有利。应用：这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。推力轴承的配置前端配置：指两个方向的推力轴承都布置在前支承处。特点：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，对提高主轴部件刚度有利。应用：这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。推力轴承的配置第一节主轴组件设计（2）主轴轴向定位后端配置：指两个方向的推力轴承都布置在后支承处。特点：这类配置方案前支承处轴承较少，发热小，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。应用：这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车床等。推力轴承的配置第一节主轴组件设计（2）主轴轴向定位两端配置：指两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。特点：这类配置方案当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。应用：这种配置常用于短主轴，如组合机床主轴。推力轴承的配置第一节主轴组件设计（2）主轴轴向定位中间配置：中间配置指两个方向的推力轴承在前支承的后侧。特点：这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，温升也可能较高。应用：这种配置用于刚度要求较高的高精度数控机床。推力轴承的配置第一节主轴组件设计（2）主轴轴向定位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