第4章 主轴部件设计

1金属切削机床设计主轴部件设计2第六节主轴部件设计基本要求旋转精度和运动精度刚度抗振性温升和热变形(热稳定性)精度保持性3旋转精度和运动精度旋转精度:指装配后的部件在无载或低速转动条件下，主轴前端工作部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。主轴组件的旋转精度直接影响机床的加工精度。运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低速状态的旋转精度有较大差别，它表现在工作时主轴回转中心位置的不断变化，即“主轴轴心漂移”现象。旋转精度主要取决于主轴及其轴承的制造、装配、调整的精度；运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平衡等因素。4静态刚度

主轴组件的静态刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力，又分为抗弯和扭转两种刚度。数控机床多采用抗弯刚度作为衡量主轴组件刚度的指标。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴刚度K=F/Y(N/Km)5抗振性抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。有时也把抵抗受迫振动的能力称为动刚度，此时，抗振性仅指抵抗自激振动的能力。若主轴组件抗振性差，工作时容易产生振动，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。主要影响因素:部件的静态刚度、质量分布和阻尼，特别是主轴前轴承的阻尼。设计时，要使主轴的固有频率远大于工作时的激振频率，使之不易发生共振。6温升和热变形(热稳定性)温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生“抱轴”。提高主轴组件热稳定性的主要措施是减少发热、加快散热、隔离热源以及采用尽可能合理的结构设计，以使热变形能得到补偿和对加工的影响最小。7主轴系统必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高其硬度增加耐磨性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐磨性。精度保持性

8主轴部件的传动方式齿轮传动特点是结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。它的缺点是线速度不能过高，通常小于12～15m/s，不如带传动平稳。

带传动常用的有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等。带传动的特点是靠摩擦力传动（除同步齿形带外）、结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动。皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，适宜高速传动。带传动在过载中会打滑，能起到过载保护作用。缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。电动机直接驱动方式9电动机直接驱动方式高速内圆磨床电主轴1011主轴部件结构设计a)前端配置b)中间配置c）后端配置d),e)两端配置推力轴承位置配置型式12推力轴承位置配置型式前端配置前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，对提高主轴部件刚度有利。用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。后端配置前支承处轴承较少，发热小，温升低；但是主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。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。两端配置当主轴受热伸长后，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。常用于短主轴，如组合机床主轴。中间配置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。13传动件在主轴上轴向位置的合理布置

a:的传动件放在两个支承中间靠近前支承处，受力情况较好，用得最为普遍；b:的传动件放在主轴前悬伸端，主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床等，传动齿轮直接安装在转盘上；c:的传动件放在主轴的后悬伸端，较多地用于带传动，为了更换传动带方便，如磨床。14主轴

主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构形状和尺寸、制造精度、材料及其热处理，对主轴组件的工作性能都有很大影响。主轴的结构形状:主轴通常是一个前粗后细的阶梯轴，即轴径尺寸从前轴颈起，向后逐渐缩小。这样的结构，是为了适应主轴各段承受的不同载荷，以满足刚度要求，同时也为其上的多个零件提供足够的安装、定位及止推面，同时也有利于加工和装配。15主轴的材料和热处理一般机床主轴常用45钢，调质到200～250HB左右，主轴端部锥孔、定心轴颈或定心圆锥面等部位局部淬硬到50～55HRC。若支承采用滚动轴承，则轴颈可不淬硬，但是为了防止敲碰损伤轴颈的配合表面，常对主轴轴颈处进行淬硬。如果机床主轴有更高要求时，宜选用合金钢，如对耐磨性要求很高的主轴，常选用38CrMoAlA，并经氮化处理。16主轴主要精度指标前支承轴颈的同轴度约5μm左右；轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且须保证配合过盈1～5μm；锥孔与轴承轴颈的同轴度为3～5μm，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好；装NN3000K型调心圆柱滚子轴承的1∶12锥面，与轴承内圈接触面积不小于85%。17主轴部件中的轴承滚动轴承液体动压轴承液体静压轴承空气静压轴承磁浮轴承18主轴的滚动轴承角接触球轴承：既可以承受径向载荷，又可承受轴向载荷。常用的接触角有两种：α=25°和α=15°。角接触球轴承19角接触球轴承角接触球轴承多用于高速主轴。随接触角的不同有所区别，α=25°的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速略低，应用较多；α=15°的转速可更高些，但轴向刚度较低，常用于不承受轴向载荷的主轴的后轴承。角接触球轴承为点接触，刚度较低，为了提高刚度和承载能力，一般采用多联组配的方式。20角接触球轴承(a)背靠背,(b)面对面,（c）同向组配(d)三联组配角接触球轴承的组配21角接触球轴承两个轴承都能共同承受径向载荷。背靠背和面对面组配都能承受双向轴向载荷；同向组配则只能承受单向轴向载荷。背靠背与面对面组配相比，支承点（接触线与轴线的交点）间的距离AB，前者比后者大，因而能产生一个较大的抗弯力矩，即支承刚度较大。运转时，轴承外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减小，可以补偿一部分径向膨胀，而对于面对面组配，将使过盈进一步增加。基于以上分析，主轴受有弯矩，又属高速运转，则主轴轴承必须采用背靠背组配。22双列短圆柱滚子轴承双列圆柱滚子轴承

NN3000K（旧标准3182100)型轴承NNU4900K（旧标准4482900)型轴承。两排直径和长度相等的短圆柱滚子交错排列，滚子数量为50～60个，载荷均布。区别：滚道环槽的位置不同。滚道环槽开在内圈上，工艺性好，但调整间隙时易使内圈滚道畸变。滚道环槽开在外圈上，调整间隙时内圈滚道不会发生畸变，但工艺性复杂，不适于小规格的轴承。轴承的间隙调整：轴向移动内圈，改变其在主轴上的位置。特点：径向刚度和承载能力较大，旋转精度高，径向结构紧凑，寿命长，在主轴组件中应用广泛。但是它不能承受轴向载荷，而需配用推力轴承。23圆锥滚子轴承

双列圆锥滚子轴承1,4一内圈；2一外圈；3一隔套

修磨隔套3的厚度来调整间隙或预紧。外圈有轴肩，一端抵住箱体或主轴套筒的端面，另一端用法兰压紧，以实现轴向定位。因此，箱体孔可做成通孔，便于加工。既可以承受径向载荷，又可以承受双向轴向载荷。由于滚子数量多，承载能力和刚度都高，轴承制造精度较高，适用于中低速、中等以上载荷的机床主轴的前支承。但设计选用时，应考虑给予充分的润滑和冷却条件．24滚动轴承配置配置形式：速度型、高刚度型和刚度速度型主轴支承的配置—速度型(a)前、后支承均采用双联角接触球轴承，该配置适用于高速、高精度、中等负载的数控车床。(b)采用三联或四联角接触球轴承，后支承用双联角接触球轴承，适用于高速、高精度和较高负载要求的数控机床。25滚动轴承配置主轴支承的配置—高刚度型(a):前支承是双列圆柱滚子轴承加双向角接触球轴承，能承受较大的径向和轴向负载，后支承也采用了双列圆柱滚子轴承。主轴部件具有很高的刚性，且温升对刚度、精度和寿命的影响较小，适用于要求中速偏高及有强力切削要求的高刚度、较高精度的数控机床。(b):前支承采用双列圆锥滚子轴承，可承受高的轴向和径向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，但主轴转速和精度的提高受到限制。适用于中、低速要求和中等精度、重载要求的数控机床。26滚动轴承配置主轴支承的配置一速度刚度型

前支承采用三联角接触球轴承，承受径向和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，具有较高的刚度，适用于要求高速、高精度和较大负载的数控机床。27几种典型的主轴轴承配置型式速度型

角接触球轴承具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，因而适用于高速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速CNC机床等。28速度型高速CNC车床主轴部件29刚度型

前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷，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。这种轴承配置的主轴部件，适用于中等转速和切削负载较大，要求刚度高的机床。如数控车床主轴、镗削主轴单元等。30刚度型CNC型车床主轴31刚度速度型

前轴承的配置特点是：外侧的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的轴向力；第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承跨，以提高承受颠覆力矩的刚度。32刚度速度型33配置圆锥滚子轴承的机床主轴

结构比采用双列短圆柱滚子轴承简化，承载能力和刚度比角接触球轴承高。但是，因为圆锥滚子轴承发热大、温升高，允许的极限转速要低些。适用于载荷较大、转速不太高的普通精度的机床主轴。34卧式镗铣床主轴部件

1一齿轮2-镗主轴3-铣主轴4一双键5,6-镗主轴套7-前轴承

铣主轴3的前