第三章 典型部件設計

第三章金屬切削機床設計3.6主軸部件設計一、主軸部件應滿足的基本要求二、主軸部件的傳動方式三、主軸部件結構設計上一頁下一頁退出返回主頁四、主軸滾動軸承返回本章五、主軸滑動軸承第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù)……3.6.1主軸部件應滿足的基本要求主軸部件是機床的執(zhí)行件，由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。基本要求：（1）旋轉精度：是指裝配后，在無載荷、低速轉動條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和軸向跳動。旋轉精度取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調整精度。（2）剛度：是指主軸部件在外加載荷作用下抵抗變性的能力。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.1主軸部件應滿足的基本要求基本要求：（3）抗振性：是指抵抗受迫振動和自激振動的能力。（4）溫升和熱變性：主軸部件運轉時，因各相對處的摩擦生熱，切削區(qū)的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的所謂熱變性。（5）精度保持性：是指長期地保持其原始制造精度的能力。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù)……3.6.2主軸部件的傳動方式主軸部件的傳動方式主要有齒輪傳動、帶傳動、電機直接驅動等。（1）齒輪傳動：特點是結構簡單、緊湊，能夠傳遞較大的扭矩，能適應變轉速、變載荷工作，應用最廣。缺點是線速度不能過高，通常小于12~15m/s，不如帶傳動平穩(wěn)。（2）帶傳動：特點是靠摩擦力傳動（除同步齒形帶外）、結構簡單、制造容易、成本低，特別適用于中心距較大的兩軸間傳動。皮帶有彈性可吸振，傳動平穩(wěn)，噪聲小，適宜高速傳動。帶傳動在過載中會打滑，能起到過載保護作用。缺點是有滑動，不能用在速比要求準確的場合。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.2主軸部件的傳動方式（2）帶傳動：

同步齒形帶/52是通過帶上的齒形與帶輪上的輪齒相嚙合傳遞運動和動力。同步齒形帶的齒形有兩種:梯形齒和圓弧齒。（3）電動機直接驅動方式：特點是主軸單元大大簡化了結構，有效地提高了主軸部件的剛度，降低了噪聲和振動；有較寬的調速范圍；有較大的驅動功率和扭矩；便于組織專業(yè)化生產(chǎn)。廣泛應用于精密機床、高速加工中心和數(shù)控車床中。

高速內圓磨床電主軸/53第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.3主軸部件結構設計（一）主軸部件的支承數(shù)目多數(shù)機床的主軸采用前、后兩個支承。為提高剛度和抗振性，有的機床采用三個支承。三個支承中可以前、后支承為主要支承，中間支承為輔助支承，圖24；也可以前、中支承為主要支承，后支承為輔助支承，圖30。且后者應用較多。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù)……3.6.3主軸部件結構設計（二）推力軸承的位置配置型式

（1）前端配置：兩個方向的推力軸承都布置在前支承外。這類配置方案在前支承處軸承較多，發(fā)熱大，溫升高；但主軸受熱后向后伸長，不影響軸向精度，精度高，對提高主軸部件剛度有利。用于軸向精度和剛度要求較高的高精度機床或數(shù)控機床。

（2）后端配置：兩個方向的推力軸承都布置在后支承處。這類配置方案前支承處軸承較少，發(fā)熱小，溫升低；但主軸受熱后向前伸長，影響軸向精度。用于軸向精度要求不高的普通精度機床，如立銑、多刀車床等。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.3主軸部件結構設計（二）推力軸承的位置配置型式（3）兩端配置：兩個方向的推力軸承分別布置在前后兩個支承處。這類配置方案當主軸受熱伸長后，影響主軸軸承的軸向間隙。為避免松動，可用彈簧消除間隙和補償熱膨脹。常用于短主軸，如組合機床主軸。（4）中間配置：兩個方向的推力軸承在前支承的后側。這類配置方案可減少主軸的懸伸量，并使主軸的熱膨脹向后；但前支承結構較復雜，溫升也可能較高。

以上四種推力軸承配置型式/54第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.3主軸部件結構設計（三）主軸傳動件位置的合理布置（1）傳動件在主軸上軸向位置的合理布置

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，減少主軸變形，提高主軸的抗振性。主軸上傳動件軸向布置時，應盡量靠近前支承，有多個傳動件時，其中最大傳動件應靠近前支承。

傳動件軸向布置的幾種情況/55

（2）驅動主軸的傳動軸位置的合理布置

主軸受到的驅動力相對于切削力的方向取決于驅動主軸的傳動軸位置。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.3主軸部件結構設計（四）主軸主要結構參數(shù)的確定

主軸的主要結構參數(shù)有主軸前、后軸徑直徑D1和D2，主軸內孔直徑d，主軸前端懸伸量a和主軸主要支承間的跨距L，這些參數(shù)將直接影響主軸旋轉精度和主軸剛度。（1）主軸前軸徑直徑D1的選取（2）主軸內孔直徑d的確定（3）主軸前端懸伸量a的確定（4）主軸主要支承間跨距L的確定

第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.3主軸部件結構設計（五）主軸（1）主軸的構造

主軸的構造和形狀主要取決于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝定位方法等。（2）主軸的材料和熱處理

普通機床主軸可選用中碳鋼（如45鋼），調質處理后，在主軸端部、椎孔、定心軸頸或定心錐面等部位進行局部高頻淬硬，以提高其耐磨性。（3）主軸的技術要求

第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.4主軸滾動軸承主軸部件中最重要的組件是軸承。機床上常用的主軸軸承有滾動軸承、液體動壓軸承、液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承等。此外還有自調磁浮軸承等適應高速加工的新型軸承。對主軸軸承的要求是旋轉精度高、剛度高、承載能力強、極限轉速高、適應變速范圍大、摩擦小、噪聲低、抗振性好、使用壽命長、制造簡單、使用維護方便等。（一）主軸部件主支承常用的滾動軸承角接觸球軸承/圖58，59、雙列短圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、推力軸承、雙向推力角接觸球軸承、/60陶瓷滾動軸承、磁浮軸承（也稱磁力軸承，有轉子和定子組成）——原理圖/61、控制框圖/62、主軸結構圖

/63第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù)……3.6.4主軸滾動軸承（二）幾種典型的主軸軸承配置型式主軸軸承的配置型式應根據(jù)剛度、轉速、承載能力、抗振性和噪聲等要求來選擇。常見的幾種典型配置型式：

速度型、剛度型、速度剛度型。

速度型：主軸前后軸承都采用角接觸球軸承（兩聯(lián)或三聯(lián)）。軸向切削力越大，角度應越大，且大角度的剛度也大。具有良好的高速性能，承載能力小，如高速CNC車床/65。

剛度型：前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和60度角接觸雙列向心推力軸承承受軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，

如數(shù)控車床主軸/66。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.4主軸滾動軸承（二）幾種典型的主軸軸承配置型式剛度速度型：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。前軸承的配置特點是外側的兩個角接觸球軸承大口朝向主軸工作端，承受主要方向的軸向力；第三個角接觸球軸承則通過軸套與外側的兩個軸承背靠背配置，使三聯(lián)加坡接觸球軸承有一個較大支承跨，以提高承受顛覆力矩的剛度。

如臥式銑床主軸/67、

主軸組件課外資料第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.4主軸滾動軸承（三）滾動軸承精度的選擇（四）主軸滾動軸承的預緊

預緊就是采用預加載荷的方法消除軸承間隙，而且有一定的過盈量，使?jié)L動體和內外圈接觸部分產(chǎn)生預變形，增加接觸面積，提高支承剛度和抗振性。預緊力通常分為三級：輕預緊、中預緊和重預緊，代號為A、B、C。（五）滾動軸承的潤滑和密封

滾動軸承所用的潤滑劑主要有潤滑脂和潤滑油。密封的方式主要有非接觸式和接觸式

第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.5主軸滑動軸承滑動軸承應有良好的抗振性，旋轉精度高，運動平穩(wěn)等特點，應用于高速或低速的精密、高精密機床和數(shù)控機床中。主軸滑動軸承按產(chǎn)生油膜的方式，可分為動壓軸承和靜壓軸承兩類。按照流體介質不同可分為液體滑動軸承和氣體滑動軸承。（一）動壓軸承動壓軸承按油楔數(shù)分為單油楔和多油楔。多油楔軸承的軸心位置穩(wěn)定性好，抗振動和沖擊性能好。故多采用多油楔軸承。多油楔軸承有固定多油楔/74和活動多油楔/75兩類。

第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.6.5主軸滑動軸承（二）液體靜壓軸承液體靜壓軸承系統(tǒng)：一套專用供油系統(tǒng)、節(jié)流器和軸承。靜壓軸承與動壓軸承相比具有的優(yōu)點：承載能力高；旋轉精度高；油膜有均化誤差的作用，可提高加工精度；抗振性好；運轉平穩(wěn)；既能在低速下工作，也能在高速下工作；摩擦小，軸承壽命長。缺點是需要一套專用供油設備，軸承制造工藝復雜、成本高。

定壓式靜壓軸承/76節(jié)流器有兩類：固定節(jié)流器和可變節(jié)流器。

第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁進入下一節(jié)3.6.5主軸滑動軸承（三）氣體靜壓軸承用空氣作為介質的靜壓軸承稱為氣體靜壓軸承，也稱為氣浮軸承或空氣軸承，其工作原理與液體靜壓軸承相同。具有氣體靜壓軸承的主軸結構形式主要有三種：（1）具有徑向圓柱與平面止推型軸承的主軸部件（2）采用雙半球形氣體靜壓軸承（3）前端為球形，后端為圓柱形或半球形第三章金屬切削機床設計3.7支承件設計一、支承件的功能和應滿足的基本要求二、支承件的結構設計三、支承件的材料上一頁下一頁退出返回主頁四、提高支承件結構性能的措施返回本章第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.7.1支承件的功能和應滿足的基本要求機床的支承件是指床身、立柱、橫梁、底座等大件。支承件應滿足的基本要求：（1）應具有足夠的剛度和較高的剛度——質量比（2）應具有良好的動態(tài)特性，各階頻率不致引起結構共振（3）熱穩(wěn)定好（4）排屑暢通、調運安全，并具有良好的結構工藝性第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.7.2支承件的結構設計（一）機床的類型、布局和支承件的形狀機床的類型可分為三類：中小型機床、精密和高精密機床、大型和重型機床機床的布局形式直接影響支承件的結構設計。中型臥式車床采用前傾車身、前傾托板布局形式較多，優(yōu)點是排屑困難，不使切屑堆積在導軌上將熱量傳給床身而產(chǎn)生熱變形；容易安裝自動排屑裝置；創(chuàng)深設計成封閉的箱形，能保證有足夠的抗彎和抗扭強度。支承件的基本形狀：箱形類、板塊類、梁類支承件結構參考圖課外資料第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.7.2支承件的結構設計（二）支承件的截面形狀和選擇支承件結構的合理設計是應在最小重量條件下，具有最大靜剛度。靜剛度包括彎曲剛度和扭轉剛度，均與截面慣性矩成正比。支承件截面形狀不同，即使同一材料、相等的截面面積，其抗彎和扭轉慣性矩也不同。比較后可知：（1）空心截面的剛度都比實心的大（2）圓（環(huán)）形截面的抗扭剛度比方形好，而抗彎剛度比方形低（3）封閉截面的剛度遠遠大于開口截面的剛度，特別是抗扭剛度

機床床身截面圖/82第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.7.2支承件的結構設計（三）支承件筋板和筋條的布置筋板是指連接支承件四周外壁的內板，它能使支承件外壁的局部載荷傳遞給其它壁板，從而使整個支承件承受載荷，加強支承件的自身和整體剛度。布置方式：水平、垂直、斜向。一般將筋條配置在支承件的某一內壁上，主要為了減小局部變形和薄壁振動，用來提高支承件的局部剛度。筋條的布置：縱向、橫向和斜向，常常布置成交叉排列。肋條布置/85、局部增設肋條/86（四）合理選擇支承件的壁厚為減輕機床重量，比后應盡可能選的薄些。焊接支承件一般采用鋼板與型鋼焊接而成。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.7.3支承件的材料支承件常用的材料有鑄鐵、鋼板和型鋼、天然花崗巖、預應力鋼筋混凝土、樹脂混凝土等。（一）鑄鐵：鑄造性能好，阻尼系數(shù)大，振動衰減性能好，成本低，適于成批生產(chǎn)。要進行時效處理，以消除內應力。（二）鋼板焊接結構：制造周期短，剛性好，便于產(chǎn)品更新和結構改進，重量輕。（三）預應力鋼筋混凝土：抗振性好，成本低。（四）天然花崗巖：性能穩(wěn)定，精度保持性好，抗振性好，熱穩(wěn)定性好，抗氧化性強，不導電，抗磁，與金屬不粘結，加工方便。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.7.3支承件的材料（五）樹脂混凝土：剛度高，具有良好的阻尼性能，抗振性好，熱穩(wěn)定性高，質量輕，可有良好的幾何形狀精度，極好的耐腐蝕性，成本低，無污染，生產(chǎn)周期短，床身靜剛度高。且可以預埋金屬或添加加強纖維來提高某些力學性能。

床身結構形式/88：整體結構形式分塊結構形式框架結構形式第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.7.4提高支承件結構性能的材料措施（一）提高支承件的靜剛度和固有頻率：

提高支承件的靜剛度和固有頻率主要方法是根據(jù)支承件受力情況合理的選擇支承件的材料、截面形狀和尺寸、壁厚，合理的布置肋板和肋條，以提高結構整體和局部的彎曲剛度和扭轉剛度。

第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.7.4提高支承件結構性能的材料措施（二）提高動態(tài)特性：（1）改善阻尼特性：對于鑄件支承件，鑄件內砂芯不清除，或在支承件中填充型砂或混凝土等阻尼材料，可以起到減振作用。對焊接支承件，除了可以在內腔中填充混凝土減振外，還可以充分利用結合面間的摩擦阻尼來減小振動。（即分段焊縫可增大阻尼）。或者采用阻尼涂層。

封砂結構床身/93、懸梁的阻尼

（2）采用新材料制造支承件：剛性高、抗振性好，熱變形小、耐化學腐蝕

第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁進入下一節(jié)3.7.4提高支承件結構性能的材料措施（三）提高熱穩(wěn)定性：主要方法有：（1）控制溫升：采用分離或隔絕熱源方法

（2）采用熱對稱結構：所謂熱對稱結構是指在發(fā)生熱變形時，其工件或刀具回轉中心線的位置基本保持不變，因而減小了對加工精度的影響。

（3）采用熱補償裝置：采用熱補償裝置的基本方法是在熱變形的相反方向上采取措施，產(chǎn)生相應的反方向熱變形，使兩者之間影響互相抵消，減少綜合熱變形。

第三章金屬切削機床設計3.8導軌設計一、導軌的功用和應滿足的基本要求二、導軌的截面形狀選擇和導軌間隙的調整三、導軌的結構類型及特點上一頁下一頁退出返回主頁四、提高道軌精度、剛度和耐磨性的措施返回本章第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.8.1導軌的功用和應滿足的基本要求（一）導軌的功用和分類

導軌的功用是承受載荷和導向。導軌按結構形式可以分為開式導軌和閉式導軌。（二）導軌應滿足的要求：導軌應滿足精度高、承載能力大、剛度好、摩擦阻力小、運動平穩(wěn)、精度保持性好、壽命長、結構簡單、工藝性好、便于加工、裝配、調整和維修、成本低等要求。

下面的五個要求尤為突出：導向精度；承載能力大，剛度好；精度保持性好；低速運動平穩(wěn)；結構簡單、工藝性好導軌要求結構簡單，易于加工。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù)……3.8.2導軌的截面形狀選擇和導軌間隙的調整（一）直線導軌的截面形狀

直線導軌的截面形狀/99主要有四種：矩形、三角形、燕尾形和圓柱形，它們可互相組合，每種導軌副中還有凹、凸之分。（1）矩形導軌：承載能力大、剛度高、制造簡單、檢驗和維修方便等優(yōu)點。適于載荷較大而導向要求略低的機床。（2）三角形導軌：磨損時自動補償磨損量，不產(chǎn)生間隙。導軌頂角越小，導向性越好，但摩擦力也越大。小頂角用于輕載荷精密機械，大頂角用于大型或重型機床。三角形導軌結構有對稱式和不對稱式兩種。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.8.2導軌的截面形狀選擇和導軌間隙的調整（一）直線導軌的截面形狀

（3）燕尾形導軌：承載較大的顛覆力矩，導軌的高度較小，結構緊湊，間隙調整方便。但剛度性較差，加工檢驗維修都不大方便。適于受力小、層次多、要求間隙調整方便的部件。（4）圓柱形導軌：制造方便，工藝性好，但磨損后較難調整和補償間隙。主要用于受軸向負荷的導軌，應用較少。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.8.2導軌的截面形狀選擇和導軌間隙的調整（二）回轉運動導軌的截面形狀

回轉運動導軌的截面形狀/100有三種：平面環(huán)形、錐面環(huán)形和雙錐面導軌。（1）平面環(huán)形導軌：結構簡單、制造方便、能承受較大的軸向力，但不能承受徑向力，因而必須與主軸聯(lián)合使用，由主軸來承受經(jīng)向載荷。（2）錐面環(huán)形導軌：除能承受軸向載荷外，還能承受一定的徑向載荷，但不能承受較大的顛覆力矩。導向性比平面環(huán)形好，但制造較困難。

（3）雙錐面導軌：能承受較大的徑向力，軸向力和一定的顛覆力矩，制造研磨均較困難。第三章金屬切削機床設計退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.8.2導軌的截面形狀選擇和導軌間隙的調整（三）導軌的組合形式

機床導軌主要有如下的組合：/101（1）雙三角形導軌：不需要鑲條調整間隙，接觸剛度好，導向性和精度保持性好，但工藝性差，加工、檢驗和維修都不方便。（2）雙矩形導軌：承載能力大、制造簡單。導向方式有兩種——寬式組合和窄式組合。（3）矩形和三角形導軌的組合：導向性好，剛性高，制造方便，應用最廣。（4）矩形和燕尾形導軌的組合：能承受較大力矩,調整方便，多用在