主軸部件設(shè)計

1、3.6 主軸部件設(shè)計主軸部件設(shè)計 功用：功用：支承并帶動工件或刀具支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成形運動。力等載荷，完成表面成形運動。 組成：支承軸承、傳動件、密組成：支承軸承、傳動件、密封件、定位元件、主軸。封件、定位元件、主軸。 一、主軸部件應(yīng)滿足的基本要求一、主軸部件應(yīng)滿足的基本要求 1、旋轉(zhuǎn)精度、旋轉(zhuǎn)精度 a. 概念：概念：主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，在安裝工件或刀具的主軸部件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的位的徑向和軸向跳動徑向和軸向跳動。 b

2、影響因素：影響因素：旋轉(zhuǎn)精度取決于旋轉(zhuǎn)精度取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。配和調(diào)整精度。 徑向跳動影響因素：徑向跳動影響因素：主軸軸頸主軸軸頸的園度、軸承滾道及滾子園度、主的園度、軸承滾道及滾子園度、主軸及回轉(zhuǎn)件的動平衡。軸及回轉(zhuǎn)件的動平衡。 軸向跳動影響因素：軸向跳動影響因素：軸承支承軸承支承端面，軸肩的垂直度，止推軸承的端面，軸肩的垂直度，止推軸承的滾道及滾子誤差。滾道及滾子誤差。 軸、徑向跳動影響因素：軸、徑向跳動影響因素：主軸主軸主要定心面的軸、徑向跳動（錐孔主要定心面的軸、徑向跳動（錐孔誤差，誤差，mol精度。）精度。） 2、剛度、剛度

3、 a. 概念：概念：主軸部件的剛度指其主軸部件的剛度指其在外載荷作用下抵抗變形的能力。在外載荷作用下抵抗變形的能力。（以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性（以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時，在位移方向上施加的作用變形時，在位移方向上施加的作用力來定義）。力來定義）。 靜剛度靜剛度 作用力是靜力引起的作用力是靜力引起的 彈性變形彈性變形 圖圖354b. 動剛度動剛度 作用力是交變力引起的作用力是交變力引起的 彈性變形彈性變形jjjyFk/dddYFk/ c. 影響因素：影響因素：主軸的尺寸和形主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊狀，滾動軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件的布置方式、和配置

4、形式、傳動件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量。主軸部件的制造和裝配質(zhì)量。 3、抗振性、抗振性 a.概念：概念：抗振性指抵抗受迫振動抗振性指抵抗受迫振動和自激振動的能力和自激振動的能力 沖擊力和交變力是由材料硬度不沖擊力和交變力是由材料硬度不均勻，加工余量的變化，主軸部件不均勻，加工余量的變化，主軸部件不平衡，軸承或齒輪存在缺陷以及切削平衡，軸承或齒輪存在缺陷以及切削過程中的顫振引起。過程中的顫振引起。 b.影響因素：影響因素：主軸部件的靜剛度，主軸部件的靜剛度，質(zhì)量分布及阻尼質(zhì)量分布及阻尼 4、升溫和熱變形、升溫和熱變形 主軸部件運轉(zhuǎn)時，因各相對運主軸部件運轉(zhuǎn)時，因各相對運動處摩擦生熱，切

5、削區(qū)的切削熱等動處摩擦生熱，切削區(qū)的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的熱變形熱變形引起軸承間隙變化，潤滑引起軸承間隙變化，潤滑油粘度降低，影響主軸工作性能，油粘度降低，影響主軸工作性能，降低加工精度。降低加工精度。高精度機床高精度機床 810精密機床精密機床 1520 連續(xù)運轉(zhuǎn)允連續(xù)運轉(zhuǎn)允 許溫升許溫升普通機床普通機床 3040 5、精度保持性、精度保持性 a.概念概念 精度保持性指長期地保精度保持性指長期地保持其原始制造精度的能力持其原始制造精度的能力 b.影響因素影響因素 磨損，主軸軸承、磨損，主

6、軸軸承、軸頸表面、裝夾工件刀具的定位表軸頸表面、裝夾工件刀具的定位表面的磨損面的磨損（磨損的速度與磨擦的種類有關(guān)，與（磨損的速度與磨擦的種類有關(guān)，與結(jié)構(gòu)特點、粗糙度、熱處理方式、結(jié)構(gòu)特點、粗糙度、熱處理方式、潤滑、防護(hù)、使用條件有關(guān)。）潤滑、防護(hù)、使用條件有關(guān)。） 二、主軸部件的傳動方式二、主軸部件的傳動方式分類分類 齒輪傳動齒輪傳動 按主軸的轉(zhuǎn)速、傳遞的按主軸的轉(zhuǎn)速、傳遞的 扭矩，運動平穩(wěn)性扭矩，運動平穩(wěn)性帶傳動帶傳動 要求、結(jié)構(gòu)、裝卸、維要求、結(jié)構(gòu)、裝卸、維 修要求選取修要求選取電機直接驅(qū)動電機直接驅(qū)動 1、齒輪傳動、齒輪傳動 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能傳遞較大結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能傳遞較大的扭矩，能

7、適應(yīng)變轉(zhuǎn)速、變載荷工的扭矩，能適應(yīng)變轉(zhuǎn)速、變載荷工作，線速度不能過高，常小于作，線速度不能過高，常小于1215m/s，不如帶傳動平穩(wěn)。，不如帶傳動平穩(wěn)。 2、帶傳動、帶傳動 類型：平帶、三角帶、多楔帶，類型：平帶、三角帶、多楔帶， 同步齒形帶同步齒形帶（P122圖圖352） 特點：特點：靠摩擦力傳動（除同步靠摩擦力傳動（除同步齒形帶外），結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，齒形帶外），結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本低，適用于大中心距傳動，皮成本低，適用于大中心距傳動，皮帶吸振，傳動平穩(wěn)，噪聲小，適宜帶吸振，傳動平穩(wěn)，噪聲小，適宜變速傳動，打滑起過載保護(hù)。變速傳動，打滑起過載保護(hù)。 缺點：缺點：有滑動，不能用于速比有

8、滑動，不能用于速比要求準(zhǔn)確的場合。要求準(zhǔn)確的場合。 同步齒形帶：帶上的齒形與帶同步齒形帶：帶上的齒形與帶輪上的輪齒相嚙合傳遞運動和力，輪上的輪齒相嚙合傳遞運動和力，無滑動，傳動比準(zhǔn)確，傳動精度高，無滑動，傳動比準(zhǔn)確，傳動精度高，強度高。強度高。 3、電機直接驅(qū)動、電機直接驅(qū)動 電機轉(zhuǎn)子軸與主軸制成一體電機轉(zhuǎn)子軸與主軸制成一體（圖圖353）。）。 結(jié)構(gòu)簡化，提高了剛度，降低結(jié)構(gòu)簡化，提高了剛度，降低了噪聲和振動，有寬的調(diào)速范圍，了噪聲和振動，有寬的調(diào)速范圍，大的輸出功率和扭矩。大的輸出功率和扭矩。 用于精密機床，高速加工中心，用于精密機床，高速加工中心，數(shù)控車床。數(shù)控車床。 三、主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

9、三、主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 （一）主軸部件的支承數(shù)目（一）主軸部件的支承數(shù)目 1、前、后兩支承（、前、后兩支承（P100 圖圖3-25） 前支承為雙列短圓柱滾子軸承前支承為雙列短圓柱滾子軸承,后為圓錐滾子軸承。后為圓錐滾子軸承。 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，易保證精結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，易保證精度，需消除間隙和預(yù)緊。度，需消除間隙和預(yù)緊。 2、三支承、三支承 見圖見圖3-24 前后支承為主，中間支承為輔。前后支承為主，中間支承為輔。 前、中支承為主，后支承為輔。前、中支承為主，后支承為輔。（多采用）（多采用） 三支承方式對三支承孔的同心三支承方式對三支承孔的同心度要求較高，制造裝配復(fù)雜，乃需度要求較高，制造裝

10、配復(fù)雜，乃需消除間隙和預(yù)緊，但不能三個軸承消除間隙和預(yù)緊，但不能三個軸承都預(yù)緊，以免干涉。都預(yù)緊，以免干涉。 （二）推力軸承位置配置形式（二）推力軸承位置配置形式 推力軸承的配置形式影響主推力軸承的配置形式影響主軸軸向剛度和熱變形的方向和大軸軸向剛度和熱變形的方向和大小。小。 1、前端配置、前端配置 兩個方向的推力軸承都布置在兩個方向的推力軸承都布置在前支承處，前支承處軸承發(fā)熱大，前支承處，前支承處軸承發(fā)熱大，溫度高；但主軸受熱后向后伸長，溫度高；但主軸受熱后向后伸長，不影響軸向精度，精度高，用于高不影響軸向精度，精度高，用于高精度機床，數(shù)控機床。精度機床，數(shù)控機床。 2、后端配置、后端配置

11、兩個方向的推力軸承都布置在兩個方向的推力軸承都布置在后支承處。較少用，發(fā)熱小、溫度后支承處。較少用，發(fā)熱小、溫度低，主軸受熱后向前伸長，影響軸低，主軸受熱后向前伸長，影響軸向精度，用于普通精度機床，立銑，向精度，用于普通精度機床，立銑，多刀車床。多刀車床。 3、兩端配置、兩端配置 兩個方向的推力軸承分別布置在前兩個方向的推力軸承分別布置在前后兩個支承處，這類配置方案當(dāng)主軸受后兩個支承處，這類配置方案當(dāng)主軸受熱伸長后，影響軸承的軸向間隙，為避熱伸長后，影響軸承的軸向間隙，為避免松動，可用彈簧消除間隙和補償熱膨免松動，可用彈簧消除間隙和補償熱膨脹，用于短主軸，如組合機床。脹，用于短主軸，如組合機床

12、。 4、中間配置、中間配置 兩個方向的推力軸承配置在前兩個方向的推力軸承配置在前支承的后側(cè)，此方案可減少主軸的支承的后側(cè)，此方案可減少主軸的懸伸量，使主軸熱膨脹后向后伸長，懸伸量，使主軸熱膨脹后向后伸長，但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫升可能較高。但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫升可能較高。 （三）主軸傳動件位置的合理布（三）主軸傳動件位置的合理布置置 1、傳動件在主軸上軸向位置的、傳動件在主軸上軸向位置的合理布置合理布置 合理布置傳動件在主軸上的軸合理布置傳動件在主軸上的軸向位置，可以改善主軸的受力情況向位置，可以改善主軸的受力情況減小其變形，提高主軸的抗振性。減小其變形，提高主軸的抗振性。 布置原則：傳動力引起的

13、主軸布置原則：傳動力引起的主軸彎曲變形要小，引起主軸前軸端在彎曲變形要小，引起主軸前軸端在影響加工精度敏感方向上的位移要影響加工精度敏感方向上的位移要小。（不疊加）小。（不疊加） i 傳動件放在兩個支承中間靠近前支承傳動件放在兩個支承中間靠近前支承處，受力較好，用得最為普遍處，受力較好，用得最為普遍 ii 傳動件放在軸前懸伸端，主要用于大傳動件放在軸前懸伸端，主要用于大轉(zhuǎn)盤的機床，如立車、鏜床等，傳動齒轉(zhuǎn)盤的機床，如立車、鏜床等，傳動齒輪直接安裝在轉(zhuǎn)盤上。輪直接安裝在轉(zhuǎn)盤上。 iii 傳動件放在后懸伸端，較多地用于帶傳動件放在后懸伸端，較多地用于帶傳動，為了更換傳動帶方便，如磨床。傳動，為了更

14、換傳動帶方便，如磨床。Q Q1 FQ Q1FQ F Q1 2、驅(qū)動主軸的傳動軸位置的合、驅(qū)動主軸的傳動軸位置的合理布置理布置 主軸受到的驅(qū)動力相對于切削主軸受到的驅(qū)動力相對于切削力的方向取決于驅(qū)動主軸的傳動軸力的方向取決于驅(qū)動主軸的傳動軸位置。應(yīng)盡可能將該驅(qū)動軸布置在位置。應(yīng)盡可能將該驅(qū)動軸布置在合理位置，使驅(qū)動力引起的主軸變合理位置，使驅(qū)動力引起的主軸變形可抵消一部分因切削力引起的主形可抵消一部分因切削力引起的主軸軸端精度敏感方向上的位移。軸軸端精度敏感方向上的位移。 （四）主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定（四）主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：主軸主軸前、后軸頸的直

15、徑前、后軸頸的直徑D1、D2，主軸內(nèi)，主軸內(nèi)孔直徑孔直徑d，主軸前端懸伸量，主軸前端懸伸量a，主軸，主軸主要支承間的跨距主要支承間的跨距L。圖圖3-56 （主軸的頭部已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，用以安裝標(biāo)準(zhǔn)（主軸的頭部已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，用以安裝標(biāo)準(zhǔn)刀具和夾具，其形狀和尺寸，參考機床刀具和夾具，其形狀和尺寸，參考機床設(shè)計手冊，同類型機床。）設(shè)計手冊，同類型機床。） （五）主軸（五）主軸 1、主軸的構(gòu)造、主軸的構(gòu)造 主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于主主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具，傳動件、軸上所安裝的刀具、夾具，傳動件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置、安軸承等零件的類型、數(shù)量、位置、安裝定位方法等。裝定位方

16、法等。 設(shè)計時應(yīng)考慮主軸加工工藝性，設(shè)計時應(yīng)考慮主軸加工工藝性，裝配工藝性。裝配工藝性。 主軸一般為空心階梯軸，前端徑主軸一般為空心階梯軸，前端徑向尺寸大，中間徑向尺寸逐漸減小，向尺寸大，中間徑向尺寸逐漸減小，尾部徑向尺寸最?。ìF(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化）。尾部徑向尺寸最小（現(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化）。 2、主軸材料和熱處理、主軸材料和熱處理（P125 表表3-11） 主軸的材料應(yīng)根據(jù)載荷特點，耐磨性主軸的材料應(yīng)根據(jù)載荷特點，耐磨性要求、熱處理方法及熱處理變形情況選擇。要求、熱處理方法及熱處理變形情況選擇。 普通機床用中碳鋼（普通機床用中碳鋼（45鋼），調(diào)質(zhì)鋼），調(diào)質(zhì)處理后，在主軸端部、錐孔、定心軸頸或處理后，在主軸端部、

17、錐孔、定心軸頸或定心錐面部位局部高頻淬火，提高耐磨性。定心錐面部位局部高頻淬火，提高耐磨性。 精密機床、大載荷機床用合金鋼，精密機床、大載荷機床用合金鋼，軸承的軸肩淬火，提高耐磨性。軸承的軸肩淬火，提高耐磨性。 3、主軸的技術(shù)要求、主軸的技術(shù)要求 設(shè)計要求、工藝要求、檢驗要設(shè)計要求、工藝要求、檢驗要求求 尺寸公差、形位公差、表面粗尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、表面硬度。糙度、表面硬度。圖圖3-57 （莫氏錐度是一個錐度的國際標(biāo)準(zhǔn)，用于靜配合以精確定位。由于錐度很小，可以傳遞一定的扭距，又因為有錐度，又便于拆卸 ） 四、主軸滾動軸承四、主軸滾動軸承 （一）主軸部件主支承常用滾（一）主軸部件主支

18、承常用滾動軸承動軸承 角接觸軸承角接觸軸承 雙列短圓柱滾子軸承雙列短圓柱滾子軸承 圓錐滾子軸承圓錐滾子軸承 推力軸承推力軸承 雙向推力角接觸軸承雙向推力角接觸軸承 （二）幾種典型的主軸軸承配置（二）幾種典型的主軸軸承配置形式形式 1、速度型、速度型 圖圖3-64a 主軸前后軸承都采用主軸前后軸承都采用角接觸球角接觸球軸承軸承（兩聯(lián)或三聯(lián)），當(dāng)軸向切削（兩聯(lián)或三聯(lián)），當(dāng)軸向切削分力較大時，選分力較大時，選25的球軸承，軸的球軸承，軸向切削分力較小時，選向切削分力較小時，選15球軸承球軸承在相同的工作條件下，前者的軸向在相同的工作條件下，前者的軸向剛度比后者大一倍。剛度比后者大一倍。 角接觸球軸承

19、具有良好的高速角接觸球軸承具有良好的高速性能，但承載力較小，適用于高速性能，但承載力較小，適用于高速輕載或精密機床，如高速鏜削單元，輕載或精密機床，如高速鏜削單元，高速高速CNC車床。車床。 2、剛度型、剛度型 圖圖3-64b 前支承采用雙列短圓柱滾子前支承采用雙列短圓柱滾子軸承受徑向載荷和軸承受徑向載荷和60角接觸雙角接觸雙列向心推力球軸承承受軸向載荷，列向心推力球軸承承受軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，用于中等轉(zhuǎn)速和切削負(fù)載較大，用于中等轉(zhuǎn)速和切削負(fù)載較大，要求剛度高的機床，如數(shù)控車床，要求剛度高的機床，如數(shù)控車床，鏜削單元。鏜削單元。 3、剛度速度型

20、、剛度速度型 圖圖3-64c 前軸承采用三聯(lián)角接觸球軸承，前軸承采用三聯(lián)角接觸球軸承，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，動力從后端傳入，后軸承要承受較動力從后端傳入，后軸承要承受較大的傳動力，所以采用雙列短圓柱大的傳動力，所以采用雙列短圓柱滾子軸承。滾子軸承。 前軸承的配置特點是：外側(cè)的前軸承的配置特點是：外側(cè)的兩個角接觸軸承大口朝向主軸工作兩個角接觸軸承大口朝向主軸工作端，承受主要方向的軸向力；第三端，承受主要方向的軸向力；第三個角接觸則通過軸套與外側(cè)的兩個個角接觸則通過軸套與外側(cè)的兩個軸承背靠背配置，使三聯(lián)角接觸軸軸承背靠背配置，使三聯(lián)角接觸軸承有一個較大支承跨，

21、以提高承受承有一個較大支承跨，以提高承受顛覆力矩的剛度。顛覆力矩的剛度。 用于要求徑向剛度好，有較用于要求徑向剛度好，有較高轉(zhuǎn)速的機床。高轉(zhuǎn)速的機床。 （三）滾動軸承精度等級的選擇（三）滾動軸承精度等級的選擇 主軸軸承中，前、后軸承的精度主軸軸承中，前、后軸承的精度對主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響是不同的。對主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響是不同的。 1、前軸承軸心有偏移、前軸承軸心有偏移 ，后軸，后軸承偏移量為承偏移量為0，由偏移量，由偏移量 引起的主引起的主軸端軸心偏移為：軸端軸心偏移為： （ ： =（L+a）：）：L）。）。 aa1LaLaa1aab 后軸承后軸承 前軸承前軸承 主軸端主軸端 加工處加工處 L a

22、 300 a a1 a2 a1LaLa1aa（ ： =（L+a）：）：L）1a 2、后軸承偏移、后軸承偏移 ，前軸承偏，前軸承偏移為移為0，主軸端部的偏移為：，主軸端部的偏移為： bbbLa1aLtgbb1后軸承后軸承 前軸承前軸承 主軸端主軸端 加工處加工處 b L a 300 b a b1 b2 顯然，前支承的精度比后支承顯然，前支承的精度比后支承對主軸部件的旋轉(zhuǎn)度影響大，故前對主軸部件的旋轉(zhuǎn)度影響大，故前軸承的精度比后軸承的精度高一級。軸承的精度比后軸承的精度高一級。 3、前、后軸承的偏移方向放在、前、后軸承的偏移方向放在同一側(cè)，且后軸承的偏移量適當(dāng)?shù)赝粋?cè)，且后軸承的偏移量適當(dāng)?shù)乇惹拜S

23、承的大，可使主軸的端部都比前軸承的大，可使主軸的端部都偏移量為偏移量為0。b a 1 2 b a L a 300 后軸承后軸承 前軸承前軸承 主軸端主軸端 加工處加工處 4、主軸軸承精度選擇、主軸軸承精度選擇 見見P134 表表3-15 （四）主軸滾動軸承的預(yù)緊（四）主軸滾動軸承的預(yù)緊 預(yù)緊目的：預(yù)緊目的： 提高主軸部件的旋提高主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性 預(yù)緊方法預(yù)緊方法： 采用加載荷的方法，采用加載荷的方法，消除軸承間隙，消除軸承間隙，且有一定的過盈量，且有一定的過盈量，使?jié)L動體和內(nèi)、外圈接觸部分產(chǎn)生使?jié)L動體和內(nèi)、外圈接觸部分產(chǎn)生預(yù)變形，增加接觸面積，提高支承預(yù)變形，增加接觸面積，提高支承剛度和抗振性。剛度和抗振性。分類：分類： 軸向預(yù)緊軸向預(yù)緊 徑向預(yù)緊徑向預(yù)緊預(yù)緊力預(yù)緊力 輕預(yù)緊輕預(yù)緊 代號代號A 用于高速主軸用于高速主軸（三級）（三級） 中預(yù)緊中預(yù)緊 代號代號B 用于中、低速用于中、低速 主軸主軸 重預(yù)緊重預(yù)緊 代號代號C 用于分度主軸用于分度主軸 1、雙列短圓柱滾子軸承預(yù)緊