第三章 典型部件设计

第三章金属切削机床设计3.6主轴部件设计一、主轴部件应满足的基本要求二、主轴部件的传动方式三、主轴部件结构设计上一页下一页退出返回主页四、主轴滚动轴承返回本章五、主轴滑动轴承第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页未完待续……3.6.1主轴部件应满足的基本要求主轴部件是机床的执行件，由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。基本要求：（1）旋转精度：是指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。（2）刚度：是指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变性的能力。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.1主轴部件应满足的基本要求基本要求：（3）抗振性：是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。（4）温升和热变性：主轴部件运转时，因各相对处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变性。（5）精度保持性：是指长期地保持其原始制造精度的能力。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页未完待续……3.6.2主轴部件的传动方式主轴部件的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电机直接驱动等。（1）齿轮传动：特点是结构简单、紧凑，能够传递较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。缺点是线速度不能过高，通常小于12~15m/s，不如带传动平稳。（2）带传动：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。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.2主轴部件的传动方式（2）带传动：

同步齿形带/52是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。同步齿形带的齿形有两种:梯形齿和圆弧齿。（3）电动机直接驱动方式：特点是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扭矩；便于组织专业化生产。广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。

高速内圆磨床电主轴/53第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.3主轴部件结构设计（一）主轴部件的支承数目多数机床的主轴采用前、后两个支承。为提高刚度和抗振性，有的机床采用三个支承。三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承，图24；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承，图30。且后者应用较多。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页未完待续……3.6.3主轴部件结构设计（二）推力轴承的位置配置型式

（1）前端配置：两个方向的推力轴承都布置在前支承外。这类配置方案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。用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。

（2）后端配置：两个方向的推力轴承都布置在后支承处。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。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。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.3主轴部件结构设计（二）推力轴承的位置配置型式（3）两端配置：两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。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。常用于短主轴，如组合机床主轴。（4）中间配置：两个方向的推力轴承在前支承的后侧。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。

以上四种推力轴承配置型式/54第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.3主轴部件结构设计（三）主轴传动件位置的合理布置（1）传动件在主轴上轴向位置的合理布置

合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受力情况，减少主轴变形，提高主轴的抗振性。主轴上传动件轴向布置时，应尽量靠近前支承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。

传动件轴向布置的几种情况/55

（2）驱动主轴的传动轴位置的合理布置

主轴受到的驱动力相对于切削力的方向取决于驱动主轴的传动轴位置。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.3主轴部件结构设计（四）主轴主要结构参数的确定

主轴的主要结构参数有主轴前、后轴径直径D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬伸量a和主轴主要支承间的跨距L，这些参数将直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。（1）主轴前轴径直径D1的选取（2）主轴内孔直径d的确定（3）主轴前端悬伸量a的确定（4）主轴主要支承间跨距L的确定

第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.3主轴部件结构设计（五）主轴（1）主轴的构造

主轴的构造和形状主要取决于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。（2）主轴的材料和热处理

普通机床主轴可选用中碳钢（如45钢），调质处理后，在主轴端部、椎孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬，以提高其耐磨性。（3）主轴的技术要求

第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.4主轴滚动轴承主轴部件中最重要的组件是轴承。机床上常用的主轴轴承有滚动轴承、液体动压轴承、液体静压轴承、空气静压轴承等。此外还有自调磁浮轴承等适应高速加工的新型轴承。对主轴轴承的要求是旋转精度高、刚度高、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等。（一）主轴部件主支承常用的滚动轴承角接触球轴承/图58，59、双列短圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承、双向推力角接触球轴承、/60陶瓷滚动轴承、磁浮轴承（也称磁力轴承，有转子和定子组成）——原理图/61、控制框图/62、主轴结构图

/63第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页未完待续……3.6.4主轴滚动轴承（二）几种典型的主轴轴承配置型式主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见的几种典型配置型式：

速度型、刚度型、速度刚度型。

速度型：主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。轴向切削力越大，角度应越大，且大角度的刚度也大。具有良好的高速性能，承载能力小，如高速CNC车床/65。

刚度型：前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60度角接触双列向心推力轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，

如数控车床主轴/66。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.4主轴滚动轴承（二）几种典型的主轴轴承配置型式刚度速度型：前轴承采用三联角接触球轴承，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。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，使三联加坡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。

如卧式铣床主轴/67、

主轴组件课外资料第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.4主轴滚动轴承（三）滚动轴承精度的选择（四）主轴滚动轴承的预紧

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。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。（五）滚动轴承的润滑和密封

滚动轴承所用的润滑剂主要有润滑脂和润滑油。密封的方式主要有非接触式和接触式

第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.5主轴滑动轴承滑动轴承应有良好的抗振性，旋转精度高，运动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数控机床中。主轴滑动轴承按产生油膜的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。（一）动压轴承动压轴承按油楔数分为单油楔和多油楔。多油楔轴承的轴心位置稳定性好，抗振动和冲击性能好。故多采用多油楔轴承。多油楔轴承有固定多油楔/74和活动多油楔/75两类。

第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.6.5主轴滑动轴承（二）液体静压轴承液体静压轴承系统：一套专用供油系统、节流器和轴承。静压轴承与动压轴承相比具有的优点：承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在低速下工作，也能在高速下工作；摩擦小，轴承寿命长。缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。

定压式静压轴承/76节流器有两类：固定节流器和可变节流器。

第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页进入下一节3.6.5主轴滑动轴承（三）气体静压轴承用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴承相同。具有气体静压轴承的主轴结构形式主要有三种：（1）具有径向圆柱与平面止推型轴承的主轴部件（2）采用双半球形气体静压轴承（3）前端为球形，后端为圆柱形或半球形第三章金属切削机床设计3.7支承件设计一、支承件的功能和应满足的基本要求二、支承件的结构设计三、支承件的材料上一页下一页退出返回主页四、提高支承件结构性能的措施返回本章第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.7.1支承件的功能和应满足的基本要求机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件。支承件应满足的基本要求：（1）应具有足够的刚度和较高的刚度——质量比（2）应具有良好的动态特性，各阶频率不致引起结构共振（3）热稳定好（4）排屑畅通、调运安全，并具有良好的结构工艺性第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.7.2支承件的结构设计（一）机床的类型、布局和支承件的形状机床的类型可分为三类：中小型机床、精密和高精密机床、大型和重型机床机床的布局形式直接影响支承件的结构设计。中型卧式车床采用前倾车身、前倾托板布局形式较多，优点是排屑困难，不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置；创深设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和抗扭强度。支承件的基本形状：箱形类、板块类、梁类支承件结构参考图课外资料第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.7.2支承件的结构设计（二）支承件的截面形状和选择支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面面积，其抗弯和扭转惯性矩也不同。比较后可知：（1）空心截面的刚度都比实心的大（2）圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低（3）封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度

机床床身截面图/82第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.7.2支承件的结构设计（三）支承件筋板和筋条的布置筋板是指连接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。布置方式：水平、垂直、斜向。一般将筋条配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。筋条的布置：纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列。肋条布置/85、局部增设肋条/86（四）合理选择支承件的壁厚为减轻机床重量，比后应尽可能选的薄些。焊接支承件一般采用钢板与型钢焊接而成。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.7.3支承件的材料支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等。（一）铸铁：铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低，适于成批生产。要进行时效处理，以消除内应力。（二）钢板焊接结构：制造周期短，刚性好，便于产品更新和结构改进，重量轻。（三）预应力钢筋混凝土：抗振性好，成本低。（四）天然花岗岩：性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工方便。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.7.3支承件的材料（五）树脂混凝土：刚度高，具有良好的阻尼性能，抗振性好，热稳定性高，质量轻，可有良好的几何形状精度，极好的耐腐蚀性，成本低，无污染，生产周期短，床身静刚度高。且可以预埋金属或添加加强纤维来提高某些力学性能。

床身结构形式/88：整体结构形式分块结构形式框架结构形式第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.7.4提高支承件结构性能的材料措施（一）提高支承件的静刚度和固有频率：

提高支承件的静刚度和固有频率主要方法是根据支承件受力情况合理的选择支承件的材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理的布置肋板和肋条，以提高结构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。

第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.7.4提高支承件结构性能的材料措施（二）提高动态特性：（1）改善阻尼特性：对于铸件支承件，铸件内砂芯不清除，或在支承件中填充型砂或混凝土等阻尼材料，可以起到减振作用。对焊接支承件，除了可以在内腔中填充混凝土减振外，还可以充分利用结合面间的摩擦阻尼来减小振动。（即分段焊缝可增大阻尼）。或者采用阻尼涂层。

封砂结构床身/93、悬梁的阻尼

（2）采用新材料制造支承件：刚性高、抗振性好，热变形小、耐化学腐蚀

第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页进入下一节3.7.4提高支承件结构性能的材料措施（三）提高热稳定性：主要方法有：（1）控制温升：采用分离或隔绝热源方法

（2）采用热对称结构：所谓热对称结构是指在发生热变形时，其工件或刀具回转中心线的位置基本保持不变，因而减小了对加工精度的影响。

（3）采用热补偿装置：采用热补偿装置的基本方法是在热变形的相反方向上采取措施，产生相应的反方向热变形，使两者之间影响互相抵消，减少综合热变形。

第三章金属切削机床设计3.8导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求二、导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整三、导轨的结构类型及特点上一页下一页退出返回主页四、提高道轨精度、刚度和耐磨性的措施返回本章第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.8.1导轨的功用和应满足的基本要求（一）导轨的功用和分类

导轨的功用是承受载荷和导向。导轨按结构形式可以分为开式导轨和闭式导轨。（二）导轨应满足的要求：导轨应满足精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、成本低等要求。

下面的五个要求尤为突出：导向精度；承载能力大，刚度好；精度保持性好；低速运动平稳；结构简单、工艺性好导轨要求结构简单，易于加工。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页未完待续……3.8.2导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（一）直线导轨的截面形状

直线导轨的截面形状/99主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，它们可互相组合，每种导轨副中还有凹、凸之分。（1）矩形导轨：承载能力大、刚度高、制造简单、检验和维修方便等优点。适于载荷较大而导向要求略低的机床。（2）三角形导轨：磨损时自动补偿磨损量，不产生间隙。导轨顶角越小，导向性越好，但摩擦力也越大。小顶角用于轻载荷精密机械，大顶角用于大型或重型机床。三角形导轨结构有对称式和不对称式两种。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.8.2导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（一）直线导轨的截面形状

（3）燕尾形导轨：承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。但刚度性较差，加工检验维修都不大方便。适于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。（4）圆柱形导轨：制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于受轴向负荷的导轨，应用较少。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.8.2导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（二）回转运动导轨的截面形状

回转运动导轨的截面形状/100有三种：平面环形、锥面环形和双锥面导轨。（1）平面环形导轨：结构简单、制造方便、能承受较大的轴向力，但不能承受径向力，因而必须与主轴联合使用，由主轴来承受经向载荷。（2）锥面环形导轨：除能承受轴向载荷外，还能承受一定的径向载荷，但不能承受较大的颠覆力矩。导向性比平面环形好，但制造较困难。

（3）双锥面导轨：能承受较大的径向力，轴向力和一定的颠覆力矩，制造研磨均较困难。第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.8.2导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（三）导轨的组合形式

机床导轨主要有如下的组合：/101（1）双三角形导轨：不需要鑲条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好，但工艺性差，加工、检验和维修都不方便。（2）双矩形导轨：承载能力大、制造简单。导向方式有两种——宽式组合和窄式组合。（3）矩形和三角形导轨的组合：导向性好，刚性高，制造方便，应用最广。（4）矩形和燕尾形导轨的组合：能承受较大力矩,调整方便，多用在