哈工大工程材料第6章

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第6章主轴组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等载荷完成表面成形运动*26.1主轴组件的组成及要求6.1.1主轴组件的组成组成主轴支承轴承传动件密封件定位元件*3

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*66.1主轴组件的组成及要求6.1.2主轴组件的基本要求1.旋转精度径向跳动轴向窜动角度摆动ΔrΔSΔα影响因素：制造、装配和调整精度安装基面相对于理想回转中心线的空间瞬时旋转误差（无载荷、低速运转情况下）*76.1主轴组件的组成及要求6.1.2主轴组件的基本要求2.静刚度Fδ主轴抵抗静态外载荷引起的变形的能力。弯曲刚度K（N/μm）扭转刚度KT

（N·m2）/rad*86.1主轴组件的组成及要求6.1.2主轴组件的基本要求3.主轴组件的振动

抵抗受迫振动和自激振动的能力（冲击力和交变力）产生原因：材料硬度不均匀；加工余量不均匀；主轴部件不平衡；轴承或齿轮存在缺陷；切削振颤。影响因素：静刚度；质量分布；阻尼。*96.1主轴组件的组成及要求6.1.2主轴组件的基本要求4.温升和热变形产生原因：摩擦、搅油等热变形：温升而引起的主轴部件的变形影响因素：轴承类型及布置方式、预紧力、润滑方式、散热条件等。机床精度等级普通机床精密机床高精度机床特高精度机床轴承外圈允许温度°C<50~55<40~45<35~40<28~30轴承允许温升°C30~4015~208~10滚动轴承的允许温度*106.1主轴组件的组成及要求6.1.2主轴组件的基本要求5.耐磨性（精度保持性）长期保持原始精度的能力---耐磨性影响因素：轴承、定位或基准表面等的磨损耐磨性材料热处理方式轴承类型润滑防护方式*116.2主轴组件的布局6.2.1两支承轴轴承的布置形式1.适应刚度和承载能力要求承载能力：主轴在保证正常工作并在额定寿命时间内，所能承受的最大负荷。2.适应转速要求3.适应精度要求*12*136.2主轴组件的布局6.2.1两支承轴轴承的布置形式*146.2主轴组件的布局6.2.1两支承轴轴承的布置形式*156.2主轴组件的布局6.2.2三支承主轴组件1）主轴长度较长2）两个支承为主支承，一个为辅助支承3）辅助支承轴承外圈与箱体孔配合留有间隙、不预紧4）采用前支承、中支承为主支承的较多*166.2主轴组件的布局6.2.3主轴组件的典型结构1.双列短圆柱滚子轴承主轴组件*176.2主轴组件的布局6.2.3主轴组件的典型结构1.双列短圆柱滚子轴承主轴组件*186.2主轴组件的布局6.2.3主轴组件的典型结构2.圆锥滚子轴承主轴组件*196.2主轴组件的布局6.2.3主轴组件的典型结构3.角接触球轴承主轴组件*206.2主轴组件的布局6.2.3主轴组件的典型结构4.推力轴承主轴组件*21

QQ’QQ’QQ’FFF卧式车床主轴立式车床、镗床主轴磨床主轴6.2主轴组件的布局6.2.4传动件的合理布置*22

6.2主轴组件的布局6.2.4传动件的合理布置*23

6.2主轴组件的布局6.2.4传动件的合理布置*24

6.2主轴组件的布局6.2.4传动件的合理布置*25驱动主轴的传动轴位置的合理布置F方案II：精度较高、前支承刚度较大的机床方案I：用于加工精度不高、主轴刚度较大且为了提高轴承寿命的普通机床。FQⅠFQⅡⅠⅡⅠⅡRBFQⅠFQⅡRARBRAFF*266.3主轴6.3.1主轴的结构

主轴的构造和形状主要决定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。设计时还应考虑主轴加工工艺性和装配工艺性。

主轴头部的形状和尺寸已经标准化，应遵照标准进行设计。*276.3主轴6.3.1主轴的结构*28*29*306.3主轴6.3.2主轴的材料与热处理

载荷特点材料选择耐磨性要求热处理方法热处理后变形情况普通机床主轴选用中碳钢（如45钢）；大载荷、冲击载荷或精密机床需要减小热处理变形时，虑选用合金钢。

*31钢材热处理用途45钢

调质22~28HRC，局部高频淬硬50~55HRC一般机床主轴、传动轴40Cr

淬硬48~55HRC载荷较大或表面要求较硬的主轴40Cr

高频淬硬55~62HRC滑动轴承的主轴轴颈20Cr

渗碳、淬硬56~62HRC中等载荷、转速很高、冲击较大的主轴9Mn2V

淬硬59~62HRC高精度机床主轴，热处理变形小38CrMoAlA

氮化处理850~1000HV高精密机床主轴，热处理变形小50Mn2

调质28~35HRC载荷较大的重型机床主轴65Mn

淬硬52~58HRC高精度机床主轴表6-5主轴常用材料及热处理要求*326.3主轴6.3.3主轴的技术要求主要的技术要求：尺寸精度形状精度位置精度粗糙度硬度主要部位：定位表面重要的螺纹基准表面*336.3主轴6.3.3主轴的技术要求*346.4主轴滚动轴承轴承决定了轴的精度，轴承的变形量约占主轴组件总变形量的30%~50%；

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要求

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*35

轴承的类型、精度、结构、配置方式、安装调整、润滑和冷却等状况，都直接影响主轴部件的工作性能。主轴轴承液体静压轴承滚动轴承液体动压轴承空气静压轴承自调磁浮轴承6.4主轴滚动轴承*36*376.4主轴滚动轴承6.4.1常用的滚动轴承类型1．角接触球轴承*386.4主轴滚动轴承6.4.1常用的滚动轴承类型*392．双列短圆柱滚子轴承1:121:12特轻系列超轻系列6.4主轴滚动轴承6.4.1常用的滚动轴承类型*403．双列角接触球轴承6.4主轴滚动轴承6.4.1常用的滚动轴承类型*414．圆锥滚子轴承6.4主轴滚动轴承6.4.1常用的滚动轴承类型*425．加梅(Gamet)轴承6.4主轴滚动轴承6.4.1常用的滚动轴承类型*436．推力轴承6.4主轴滚动轴承6.4.1常用的滚动轴承类型*447.陶瓷轴承：常用的陶瓷滚动轴承有三种类型：1）滚动体用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用轴承钢制造；2）滚动体和内圈用陶瓷材料制成，外圈用轴承钢制造；3）全陶瓷轴承，即滚动体、内外圈全都用陶瓷材料制成。特点：摩擦系数小自润滑高速、超高速精密主轴6.4主轴滚动轴承6.4.1常用的滚动轴承类型*45*46轴承的预紧：使滚动体与滚道之间有一定的预变形。预紧的原因：轴承内部存在间隙；滚动体直径不一致；内外滚道存在圆度误差。预紧的目的：提高轴承精度、刚度和寿命及主轴的抗振性预紧有径向和轴向两种。

轻预紧（高速主轴）、中预紧（中低速主轴）和重预紧（分度主轴），代号为A、B、C6.4主轴滚动轴承6.4.2滚动轴承间隙的调整和预紧*47*481．双列短圆柱滚子轴承的预紧*49*50*51注意：对于双列圆柱滚子轴承，预紧量2~5微米，过大并不能有效提高刚度；

衡量标准为变形量D；从抗振动的角度讲，应该采用最大切削力作用下轴承的变形量为预紧量；预紧后的轴承应该进行温度校验。预紧量可以通过预紧量计算曲线图查得。*522．角接触球轴承的预紧（间隙调整）衡量标准为预紧力*536.4主轴滚动轴承6.4.3滚动轴承间隙的精度与配合轴承精度等级：新标准：P2、P4、P5、P6和P0五级SP、UP旧标准：B、C、D、E、GISO标准：2、4、5、6、02级最高，0级最低等级越高，滚动体受力越均匀，有利于提高刚度和抗振性，磨损小，寿命高。主轴轴承通常采用P4级，高精度主轴采用P2级，要求较低的主轴或三支承主轴的辅助轴承可用P5级。*54滚动轴承精度等级的选择（1）前端影响：（2）后端影响：*55表6-7主轴轴承精度机床精度等级前轴承后轴承推力轴承精度等级普通精度等级P5或P4（SP）P5或P4（SP）P6精密级P4（SP）或P2（UP）P4（SP）P5高精度机床P2（UP）P2（UP）P4高精密级P2（UP）P2（UP）P2（UP）*56

表6-8滚动轴承的配合配合部位配合主轴轴颈与轴承内圈m5k5j5或js5k6座孔与轴承外圈K6J6或Js6或规定一定过盈量*576.5主轴滑动轴承6.5.1液体动压、静压轴承1.动压轴承适用于高转速、转速变化范围不大的情况下（对主轴圆度误差有均化作用）PPPP(a)(b)(c)(d)*58结构特点：轴颈与轴瓦之间为可调的楔型间隙；轴承应为均布的多油楔形式。动压轴承形成压力油膜的条件：①楔形间隙，进油大于出油；②要保证轴颈与轴瓦有一定的相对运动速度；③润滑油要有一定的粘度。结构形式：活动多油楔：综合刚度较低固定多油楔：综合刚度较高6.5主轴滑动轴承6.5.1液体动压、静压轴承*591．固定多油楔滑动轴承*602．活动多油楔滑动轴承*612.液体静压轴承*62*636.5主轴滑动轴承6.5.2空气静压轴承*64*65*666.5主轴滑动轴承6.5.3磁悬浮轴承*67*68*696.6主轴组件的计算6.6.1主轴组件结构参数的确定步骤：根据统计资料或计算确定主轴的直径；通过计算确定主轴的跨距；参考上述数据进行结构设计并修正；验算；修改设计。*706.6主轴组件的计算6.6.1主轴组件结构参数的确定1.主轴平均直径D（或D1前轴径）主轴前轴径D1

、后轴径D2

，主轴内孔直径d，主轴前端悬伸量a和主轴跨距L

。*716.6主轴组件的计算6.6.1主轴组件结构参数的确定（1）根据机床主电机功率确定D1*72主轴前轴颈的直径D1功率机床2.6~3.63.7~5.55.6~7.27.4~1111~14.714.8~18.4车床70~9070~10595~130110~145140~165150~190升降台铣床60~9060~9575~10090~105100~115外圆磨床50~6055~7070~8075~9075~10090~100*736.6主轴组件的计算6.6.1主轴组件结构参数的确定（2）根据机床主参数确定D1*746.6主轴组件的计算6.6.1主轴组件结构参数的确定2.主轴内孔直径d的确定卧式车床：d=(0.55-0.6)D1铣床：孔径比刀具拉杆直径大5~10mm原则：在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。

3．主轴前端悬伸量a的确定定义：主轴前端面到前轴承径向反力作用中点的距离*756.6主轴组件的计算6.6.1主轴组件结构参数的确定3.主轴前端悬伸量a*76FFFFFFFFFFFFeeeel当l/d>1时：0.5d≥e≥(0.25~0.