机床概论与设计课件：主轴组件 -

主轴组件

第一节概述主轴部件：是由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。作用：支承并带动工件或刀具完成工件表面成形运动，传递运动和动力以及承受切削力，并保证其具有准确、稳定的运动轨迹。

1、旋转精度

机床在空载低速时，主轴前端安装刀具，夹具部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动。

主轴的旋转轴线产生的跳动如图。Δα端面跳动ΔαΔo轴向窜动ΔoΔr径向跳动Δr

主轴组件的旋转精度取决于主轴、轴承及其调整螺母、支承座孔等制造精度及装配质量。

2、刚度刚度：是指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示，比值越大，说明刚度越好。

K=F／y（牛/微米）

刚度与主轴的结构形状及尺寸、轴承的类型及配置、轴承的的间隙量、传动件的布置、主轴组件的制造和装配质量等有关。

3、抗振能力

抗振性：是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运动的能力。用主轴端部测得的最大振幅来衡量的。振幅越小，抗振性越好。受迫振动：是由机床外部的振源或机床其他部件振动及主轴部件本身所引起的。自激振动：是由切削过程引起的。抗振能力主要取决于主轴的刚度、阻尼和固有频率、选取的轴承、结构尺寸、传动方式等。4、热稳定性

热稳定性是指机床运转中抵抗热位移而保持准确、稳定旋转的能力。机床在工作时，各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而发热造成的温差，使主轴部件在形状和位置上产生畸变，称为热变形。热变形是用主轴运转一定时间和因发热而造成的各部分的位置上的变化来度量，也可用温升近似的表达。普通机床30°C～40°C

精密机床15°C～20°C

高精度机床8°C～10°C

热稳定性取决于轴承及有关元件的结构。5、耐磨性

耐磨性又叫精度保持性：是主轴组件抵抗磨损长期的保持其原始制造精度的能力，所以相对运动部件间都必须有一定的硬度，对摩擦表面要进行热处理和化学处理。综合上述：机床的工作精度----旋转精度静态工作精度----刚度动态工作精度----抗振能力精度保持性----耐磨性6、其他此外还有结构上的要求：（1）主轴的定位可靠，轴向、径向（在切削力和传动力作用下）。（2）主轴端部的结构要保证工件或刀具的装夹定位可靠及足够的定位精度。（3）保持长期可靠的运转，润滑与密封。（4）结构工艺性好，好造、好装、好拆、好修。并降低成本。第二节主轴传动件一、主轴传动件类型的选择依据：传递动力的大小和转速的高低。齿轮：变速、变载的工作下。适用于转速≤2100r/min,线速度≤12-15m/s及载荷较大但表面加工质量不高的场合。蜗轮：低速、小功率且表面质量要求较高的场合。带轮：转速较高且表面质量要求较高的场合。原动机：主轴转速很高时。二、主轴传动件的布置

1、主轴不承受传动力（卸荷主轴）只传递转矩而卸掉径向力的主轴。

2、主轴尾端承受传动力用于传动力较小的场合。

3、主轴前端承受传动力在大型机床上应用。

4、主轴两支承间承受传动力常用的一种。如果两个大小不同的齿轮传动时，大齿轮应靠近前支承。

第三节主轴一、主轴的结构形状主要取决于主轴上所安装的传动件,轴承和密封件等零件的类型,数目位置和安装定位方式,同时还要考虑到主轴的加工工艺性和装配工艺性。为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端面的距离称为悬伸。悬伸量应尽可能地小些。为了便于装配，主轴常制成阶梯形的。主轴的端部是指主轴前端，主轴的头部已经标准化了，用以安装标准刀具和夹具。具体可参考机床制造标准。通用机床主轴端部的形状二、主轴的材料和热处理（1）材料的选择：刚性好，承载能力大，耐磨性好，加工性能好，热处理变形小，价格便宜。材料的刚性是通过弹性模量E反映的，钢的E值较大—2.1X106kg/cm2,一般都用钢材。常用：结构钢，15#，20#，45#。合金钢，20Cr,40Cr,50Mn,65Mn.

球墨铸铁也开始应用。（2）热处理方法：滑动轴承支承，前端定位表面，淬硬HRC50~55；低碳钢，渗碳淬火；合金可以化学处理。三、主轴的技术条件主轴的精度是根据机床的精度来提出技术要求，主轴的精度是：尺寸精度，形状精度，以及支承轴颈与壳心表面之间的位置精度和粗糙度。支承轴颈为主轴基准，是工艺基准和测量基准，技术条件可以根据机床手册和同等精度机床主轴图纸上的条件确定。第四节主轴的滚动支承

机床采用的主轴轴承有两大类：滚动轴承和滑动轴承，两种轴承各有优缺点。滚动轴承比滑动轴承的优点是：

(1).滚动轴承能在转速和载荷变化幅度大的条件下稳定地工作。

(2).滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧(有一定的过盈量)的条件下工作。

(3).滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。

(4).滚动轴承润滑容易，可以用脂，一次装填一直用到修理时才换脂。如果用油润滑，单位时间所需的油量也远比滑动轴承小。

(5).滚动轴承是由轴承厂生产的，可以外购。滚动轴承的缺点是：

(1).滚动体的数量有，所以滚动轴承在旋转中的径向刚度是变化的，这是起振动的原因之一。

(2).滚动轴承的阻尼较低。

(3).滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。

一、主轴滚动轴承类型的选择一般选择轴承应根据：精度、刚度和转速选择，线接触的滚子轴承比点接触的球轴承刚度高，但一定温度下允许的转速较低。

1、承载能力和刚度。线接触的圆柱和圆锥滚子轴承比点接触的球轴承好。承受径向力（1）重载——圆柱滚子轴承（2）轻载——深沟球轴承承受轴向力（1）重载——双列推力球轴承（2）轻载——推力球轴承既受轴向力又受径向力（1）重载——圆锥滚子轴承（2）轻载——角接触球轴承2、速度性能：

承受径向载荷（1）高速——深沟球轴承角接触球轴承（2）中速——圆柱滚子轴承（3）低速——圆锥滚子轴承承受轴向载荷（1）高速——双列推力球轴承角接触球轴承（2）中速——圆锥滚子轴承（3）低速——推力球轴承

3、适应结构上的要求（1）普通机床主轴轴承大多选择轻型和特轻型，D/d较小，可以使结构紧凑。（2）若要求刚度高，承载能力大，结构又紧凑，可将一支承上装有两个轴承。（3）多主轴机床，主轴中心距很小时，可采用滚针轴承。（4）为装卸方便，径向力也可用圆锥滚子轴承承受。二、主轴滚动轴承的配置

1、径向轴承的配置承受径向载荷的轴承，称为支承，有二支承和三支承。前支承的径向轴承对主轴组件的性能影响重大，应首先选定前支承的径向轴承，后支承的轴承可选用比前轴承略低一级的轴承。三支承的结构要有一个浮动支承。2、推力轴承配置

推力轴承的位置直接影响主轴的轴向精度、刚度和抗振性，以及主轴组件的复杂程度。常采用的三种类型：前端定位、两端定位、后端定位。

1）、前端定位式：推力轴承在前支承处，轴向力由前支承承受。简化图优点：前支承精度高、刚度高、主轴受热变形向后伸长。缺点：前支承结构复杂、悬伸量大、温升大、调整不方便。应用：轴向精度要求高的机床。

2）、两端定位式推力轴承装在前后支承处，轴向力分别由前后轴承承受。

优点：结构简单，调整方便。缺点：主轴受热变形时，改变轴承的间隙，影响精度。应用：支承跨距小的机床或轴向精度要求不高的机床。

3）、后端定位式推力轴承放在后支承处。轴向力由后支承承受。优点：前支承结构简单，可以缩短主轴悬伸量，前支承发热小，温升小，轴承的轴向间隙调整方便。缺点：主轴受热后向前伸长，影响主轴轴向精度，主轴受压长度大，载荷大时易引起纵向弯曲。应用：普通精度的机床上。

3、同一支承中的多轴承布置主轴要求较高的刚度和一定的承载能力，结构有要求紧凑，可在一个支承中装两个或两个以上的轴承。

背向布置，可提高主轴组件的刚度，常用。面向布置，一般装于中间支承。串联布置，可承受较大的单向轴向载荷。4、三支承中的紧支承布置如果支承跨距较大又无法满足刚度和抗震性要求时，可才用三支承结构。为保证主轴组件的刚度和旋转精度，一般三支承中只有两个支承预紧，另一个为浮动支承。一般精度机床，后支承为浮动支承，起平稳定心作用。精密机床，中间支承为浮动支承，增加阻尼作用。三、主轴滚动轴承的精度及其选配

1、主轴滚动轴承的精度机床主轴常用的为P2、P4、P5(旧标B、C、D)级精度的轴承。主轴的前后轴承的精度选择对主轴精度影响很大，一般前轴承精度比后轴承精度高一级，影响主轴精度主要是前轴承的精度。P232页。

2、主轴滚动轴承的选配根据主轴轴颈和轴承内圈的最大跳动点异向的安装方法，可以提高主轴组件的旋转精度。四、主轴滚动轴承的间隙及其调整主轴滚动轴承的间隙量大小对主轴组件的工作性能及轴承的寿命有重要影响。

轴承预紧为负间隙时，滚动体产生弹性变形，与滚道的接触面积加大，使承载区加大，主轴组件的刚度和抗振性都得到明显的提高。滚动轴承的间隙调整主轴组件在装配时要调整轴承间隙，磨损后还需要重新调整。双列圆柱滚子轴承的调整：（1）用螺母调轴承间隙，结构简单，调整精度低，用细牙螺纹，便于微调。（2）螺母调整和加调整螺母，调整量可控制，结构复杂（3）螺母加调整垫圈修磨垫圈。角接触球轴承调整：（1）修磨内圈，使两个内圈靠近，工艺复杂，不能调整间隙，应用较少。（2）加内外隔套，加工精度容易保证，效果好，不能在使用中调整间隙。（3）外圈加隔套，难于准确调整，可在使用中调整，操作方便。（4）弹簧调整，磨损后能自动补偿间隙，效果好。调整螺母防松方法

对调整螺母端面跳动有要求时，采用前两种锁紧装置。没有要求时，可采用后两种锁紧装置。5、主轴滚动轴承的润滑润滑脂：适用于速度、温度较低轴承，变速、变载，不需要冷却和泄露问题不易解决的场合。润滑油：适用于速度、温度较高轴承，润滑及冷却效果较好，油的粘度根据轴承的速度参数选择。进油位置：

轴承应该单独供油，如有两个轴承靠近时，应从中间进油，分别润滑。对于角接触轴承，应该从小口进油。六、主轴滚动轴承的密封作用：防止润滑油外流，防止外界灰尘、杂质侵入，减少腐蚀和磨损。密封方式有接触式密封和非接触式密封。

接触式密封：旋转件和密封件间有摩擦，发热大，不适用于高速主轴。非接触式密封：发热小，密封件寿命长，适应各种转速，应用较广。

脂润滑：采用间隙式和迷宫式密封装置。油润滑：以防漏为主，靠疏导，采用油沟式和挡油圈式密封装置。第五节主轴组件的设计计算一、主轴组件的结构尺寸

1、主轴的外径主轴前轴径直径D1，可根据传递功率，并参考同类机床的主轴轴径尺寸确定。P242页表9—5。主轴后轴径直径D2和前轴径直径D1的关系为

D2=（0.7—0.9)D1

2、主轴内孔直径刚度与截面惯性矩有关

I空/I实=1-（d/D）4=1-ε4

可知：1）.当ε＜0.3时,空心与实心截面主轴的刚度很接近。

2）.当ε=0.5时,空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%。

3）.当ε≥0.7时,主轴的刚度急剧下降,一般应使ε＜0.7。

3、主轴悬伸量在满足结构要求的前提下，应最大限度地缩短主轴的悬伸量。

4、支承跨距

主轴前后支承的跨距L，是决定主轴部件刚度的重要因素之一，因为主轴本身的刚度和支承刚度都与L有关。

主轴部件刚度是以主轴前端受力后的变形表示，主轴受力后，主轴和支承都会变形，而使主轴前端产生位移，根据叠加原理，主轴端部位移由两部分组成。

y=y1+y2

式中y1——刚性支承上的弹性主轴的挠度

y2——弹性支承上的刚性主轴的挠度主轴最佳跨距计算简图y=y1+y2y和L的关系图

分析：在作用力和悬伸量一定的条件下：