第十章 主軸部件

第十章主軸部件

第一節(jié)對(duì)主軸部件的基本要求

第二節(jié)主軸軸承的選擇和主軸的滾動(dòng)軸承

第三節(jié)主軸

第四節(jié)主軸組件

第五節(jié)提高主軸組件性能的一些措施

第六節(jié)主軸的滑動(dòng)軸承

第七節(jié)主軸組件的計(jì)算

第八節(jié)潤(rùn)滑和密封第一節(jié)對(duì)軸組件的基本要求一、旋轉(zhuǎn)精度

機(jī)床在空載低速時(shí)，主軸前端安裝刀具，夾具部位的徑向跳動(dòng)、端面跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)。主軸的旋轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生的跳動(dòng)如圖Δα端面跳動(dòng)ΔαΔo軸向竄動(dòng)ΔoΔr徑向跳動(dòng)Δr二、剛度剛度：是指其在外界載荷的作用下抵抗變形的能力。通常以主軸前端產(chǎn)生單位彈性變形時(shí)，在變形方向上所加的作用力的大小來表示，比值越大，說明剛度越好。如圖所示

K=F／δ（牛/微米）

三、抗振性

抗振性：是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)而保持平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)的能力。用主軸端部測(cè)得的最大振幅來衡量的。振幅越小，抗振性越好。受迫振動(dòng)：是由機(jī)床外部的振源或機(jī)床其他部件振動(dòng)及主軸部件本身所引起的。自激振動(dòng)：是由切削過程引起的。四、溫升和熱變形機(jī)床在工作時(shí)，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦，攪油等耗損而發(fā)熱造成的溫差，使主軸部件在形狀和位置上產(chǎn)生畸變，稱為熱變形。熱變形是用主軸運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間和因發(fā)熱而造成的各部分的位置上的變化來度量，也可用溫升近似的表達(dá)。一般滑動(dòng)軸承的溫升<３０℃，工作溫度<６０℃一般滾動(dòng)軸承的溫升<４０℃，工作溫度<７０℃五、耐磨性

耐磨性又叫精度保持性：是主軸組件長(zhǎng)期的保持其原始制造精度的能力，所以相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間都必須有一定的硬度，對(duì)摩擦表面要進(jìn)行熱處理和化學(xué)處理。綜合上述：機(jī)床的工作精度----旋轉(zhuǎn)精度靜態(tài)工作精度----剛度動(dòng)態(tài)工作精度----抗振性精度保持性----耐磨性此外還有結(jié)構(gòu)上的要求：（1）主軸的定位可靠，軸向、徑向（在切削力和傳動(dòng)力作用下）。

（2）主軸端部的結(jié)構(gòu)要保證工件或刀具的裝夾定位可靠及足夠的定位精度。（3）保持長(zhǎng)期可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑與密封。（4）結(jié)構(gòu)工藝性好，好造、好裝、好拆、好修。并降低成本。第二節(jié)主軸軸承的選擇和主軸的滾動(dòng)軸承一、主軸軸承的選擇

軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、配置、精度、安裝、調(diào)整和潤(rùn)滑等都直接影響主軸組件的工作性能，主軸的旋轉(zhuǎn)精度在很大程度上由其軸承決定，軸承的變形量約占主軸組件總變形量的30-50%，軸承的發(fā)熱量占的比重也較大，故主軸軸承應(yīng)具有：旋轉(zhuǎn)精度高、剛度大、承載能力強(qiáng)、抗振性高、速度性能好、磨擦功耗小、噪音低和壽命長(zhǎng)。

主軸軸承可分滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承兩大類。使用中，應(yīng)根據(jù)主軸組件工作性能要求、制造條件和經(jīng)濟(jì)效果綜合考慮，合理使用。

二、主軸滾動(dòng)軸承的選擇主軸滾動(dòng)軸承的型號(hào)，應(yīng)根據(jù)承載能力和轉(zhuǎn)速選擇。同樣尺寸的軸承，線接觸的滾動(dòng)軸承比之點(diǎn)接觸的球軸承，承載能力和剛度都較高，但極限轉(zhuǎn)速低。

掌握一點(diǎn)：凡是能調(diào)整間隙的，都可以使精度和剛度有所提高.主軸的滾動(dòng)支承

主軸支承是指主軸軸承、支承座及其他相關(guān)零件的組合體，其中核心元件是軸承。因此把采用滾動(dòng)軸承的主軸支承稱為主軸滾動(dòng)支承；把采用滑動(dòng)軸承的稱為主軸滑動(dòng)支承。主軸滾動(dòng)支承的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是：滾動(dòng)軸承類型的選擇，軸承的配置，軸承的精度及其選配，軸承的間隙調(diào)整，支承座的結(jié)構(gòu)，軸承的配合及其配合零件的精度，軸承的潤(rùn)滑與密封等。主軸滾動(dòng)軸承類型選擇

主軸較粗，主軸軸承的直徑較大。相對(duì)地說，軸承的負(fù)載較輕。因此，一般情況下，承載能力和疲勞壽命不是選擇主軸軸承的主要指標(biāo)。主軸軸承，應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速選擇。

1.圓錐孔雙列圓柱滾子軸承這種軸承具有徑向尺寸較小、制造精度較高、承載能力較大、靜剛度好以及允許的轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，并能夠調(diào)整軸承的徑向間隙，因此在機(jī)床主軸組件上得到廣泛應(yīng)用。

2.60°接觸角雙向推力向心球軸承

這種軸承的優(yōu)點(diǎn)是制造精度高，允許轉(zhuǎn)速高，溫升較低，抗振性高于推力球軸承8000型，裝配調(diào)整簡(jiǎn)單，精度穩(wěn)定可靠。與雙列圓柱滾子軸承相配套，用于承受軸向載荷。

3.單列圓錐滾子軸承

普通單列圓錐滾子軸承（7000型），能同時(shí)承受徑向和軸向載荷，承載能力和剛度較高，價(jià)格便宜，支承簡(jiǎn)單，間隙調(diào)整方便?？捎糜谥兴佟⒅休d、一般精度的主軸組件。

4.雙列圓錐滾子軸承通雙列圓錐滾子軸承（2697100型）能夠同時(shí)承受徑向載荷和雙向軸向載荷，承載能力、剛度及抗振能力較高，適用于中速、徑向載荷大，軸向載荷中等、一般精度的機(jī)床主軸組件。此外，角接觸球軸承、單向推力球軸承、滾針軸承及滾錐軸承等，可根據(jù)結(jié)構(gòu)選取。

主軸滾動(dòng)軸承可按下列原則選擇：●中等轉(zhuǎn)速，較大載荷，要求剛度較高時(shí)，可用線接觸的軸承；●雙列向心短圓柱滾子軸承允許的轉(zhuǎn)速更高一些，使用時(shí)最好配以60度角接觸雙向推動(dòng)向心球軸承；●高速時(shí)可用向心推力球軸承，載荷加大時(shí)，可用兩個(gè)以上的軸承以軸向力為主。要求精度不太高的主軸，可用單列向心球軸承，配推力軸承?！?/p>

徑向尺寸受到限制時(shí)，可用滾針軸承；●主軸軸承常用輕系列、特輕系列和超輕系列，以特輕系列為主，軸承越“輕”滾動(dòng)體的直徑越小，但滾動(dòng)體的數(shù)量越多，雖然基本額定動(dòng)靜載荷遞減，但剛度變化卻不大，主軸軸承的實(shí)際載荷，相對(duì)于其基本額定載荷，是較低的。承載能力通常都有富余。(P183)

三、主軸滾動(dòng)軸承的精度主軸軸承精度應(yīng)采用P2、P4、P5級(jí)，前后軸承的精度對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響是不同的。由于軸承的工作精度主要決定于旋轉(zhuǎn)精度，殼體孔和主軸徑是根據(jù)一定的間隙和過盈要求配作的，因此，內(nèi)外圈的尺寸精度即使較低，也不影響工作，但可以降低成本

前軸承的精度對(duì)主軸精度影響大一些，因此前軸承的精度應(yīng)選高一些。

軸承的精度不僅影響主軸組件的回轉(zhuǎn)精度，而且精度越高，各滾動(dòng)體受力越均勻，有利于提高剛度，提高抗振性、減少磨損和提高壽命。四、主軸滾動(dòng)軸承的壽命（1）表層疲勞發(fā)生點(diǎn)蝕：重載和高速主軸（2）因磨損降低精度當(dāng)軸承精度因磨損而降低時(shí)，我們認(rèn)為它失效。決定主軸滾動(dòng)軸承壽命的是精度，失效原因是磨損。什么是極限轉(zhuǎn)速？廣義上講，普通精度級(jí)軸承，在輕負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到規(guī)定穩(wěn)定溫度時(shí)的轉(zhuǎn)速。五、滾動(dòng)軸承的剛度孔徑增大會(huì)削弱主軸剛度，主軸端部的剛度與截面慣性矩成正比。當(dāng)d/D0≤0.5時(shí)，Kd/K≥0.94，空心主軸的剛度降低較小。當(dāng)d/D0=0.7時(shí)，Kd/K=0.76，空心主軸的剛度降低了24％。

一般應(yīng)取d/D0≤0.7。

第三節(jié)主軸一、主軸構(gòu)造

主軸的結(jié)構(gòu)主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位方法。為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設(shè)計(jì)成階梯軸，即軸徑從前軸徑起向后遞減，主軸是實(shí)心還是空心的，主要取決于機(jī)床類型。

主軸端部系指主軸前端，它的形狀決定于機(jī)床的類型、安裝夾具或刀具的形式。

保證：夾具或刀具安裝可靠，定位準(zhǔn)確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。

由于夾具和刀具都已標(biāo)準(zhǔn)化，因此通用機(jī)床主軸端的形狀和尺寸也已標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計(jì)時(shí)具體尺寸可參考機(jī)床制造標(biāo)準(zhǔn)，中孔對(duì)主軸剛度是有影響的。J空=1/64π×(D4平-d4)J實(shí)=1/64π×D4平J空/J實(shí)=1-(d/D平)4當(dāng)d/D≤0.5時(shí)J空/J實(shí)＞0.9對(duì)剛度影響不大;當(dāng)d/D＞0.7時(shí)，則影響大.

為了不致使主軸的剛度受太大的影響，孔徑不應(yīng)超過外徑70%。如超，慣性矩將下降24%。這里的剛度包括抗彎和抗扭剛度，要說明的是加大孔徑的車床主軸不受此限，因這時(shí)D也加大了。

二、材料和熱處理主軸材料主要根據(jù)載荷特點(diǎn)、耐磨性和熱處理、變形大小等因素決定。

因?yàn)椋褐鬏S的載荷相對(duì)來說不大，引起的應(yīng)力通常小于鋼的強(qiáng)度極限，因此強(qiáng)度不是選材的依據(jù)。

主軸的剛度與材料的彈性模量E值有關(guān)，鋼的E值較大，所以主軸材料首選鋼。值的注意的是：鋼的彈性模量E的數(shù)值與鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，即無論是普通鋼還是合金鋼，其彈性模量E基本相同，因此在選擇鋼材時(shí)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼（45#），只有在載荷特別重和有較大沖擊時(shí)，或者精密機(jī)床主軸需要減少熱處理變形時(shí)，或者軸向移動(dòng)的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮用合金鋼。

目前，由于球墨鑄鐵具有高強(qiáng)度、耐磨、吸振、工藝性好，成本低以及簡(jiǎn)化主軸深孔加工等優(yōu)點(diǎn)，開始應(yīng)用于主軸上，如有些國(guó)產(chǎn)銑床的主軸材料已改用球墨鑄鐵。當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸徑可不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸徑的配合表面，不少45#（C6150，X62W，C6140）等軸徑仍用高頻淬火（HRC48-54）。

當(dāng)采用滑動(dòng)軸承時(shí)，為了減少磨損，軸徑必須有很高的硬度。45#的主軸通常在滑動(dòng)軸徑處進(jìn)行高頻淬火。對(duì)大直徑（ф350-ф400）可用火焰淬火來提高其表面硬度。對(duì)受較大沖擊的主軸可用15#鋼或30#鋼，并在滑動(dòng)軸頸表面滲碳，淬火及回火。

10.4.3主軸的技術(shù)要求（P189）

第四節(jié)主軸組件一、車、鏜、銑、加工中心類機(jī)床主軸組件角接觸球軸承主軸組件雙列圓柱滾子軸承主軸組件主軸單元圓錐滾子軸承主軸組件自動(dòng)換刀自動(dòng)鏜銑床主軸組件主軸組件的典型結(jié)構(gòu)角接觸球軸承主軸組件主軸最高轉(zhuǎn)速為5000r／min，前支承類型及預(yù)緊，后軸承類型及預(yù)緊等。主軸組件的典型結(jié)構(gòu)雙列圓柱滾子軸承主軸組件-1CA6140型車床主軸組件改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，注意前后支承類型及結(jié)構(gòu)。主軸組件的典型結(jié)構(gòu)雙列圓柱滾子軸承主軸組件-2書10-8，注意前后支承類型及結(jié)構(gòu)。圓錐滾子軸承主軸組件書10-9，注意前后支承類型及結(jié)構(gòu)。主軸單元書10-10，注意前后支承類型及結(jié)構(gòu)。主軸組件的典型結(jié)構(gòu)GAMET型圓錐滾子主軸組件主軸組件的典型結(jié)構(gòu)自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床主軸組件主軸組件的典型結(jié)構(gòu)總結(jié)——一般采用滾動(dòng)軸承1、要求剛度較高速度不是很高時(shí)，常選用三支承結(jié)構(gòu)或者是采用線接觸滾動(dòng)軸承。2、要求速度較高剛度不是很高時(shí)，常選用兩支承結(jié)構(gòu)或者是采用點(diǎn)接觸滾動(dòng)軸承。3、應(yīng)用三支承結(jié)構(gòu)時(shí)要尤其注意殼體孔的加工工藝和軸承的預(yù)緊問題。（三個(gè)可行）主軸組件的典型結(jié)構(gòu)二、磨床類主軸組件見圖10-111、這種主軸組件是一個(gè)獨(dú)立的單元，由專門工廠制造2、主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)(P＝1．3kW)經(jīng)平帶輸入主軸左端平帶輪，主軸的右端裝砂輪桿。主軸兩端載荷都較大，故前后支承都配置兩個(gè)同向角接觸球軸承。若載荷較小時(shí)，兩端支承各裝一個(gè)軸承，由于磨削時(shí)軸向載荷為左右對(duì)稱而且又不大，故軸承采用背靠背組配也是對(duì)稱方式，其接觸角

=15°主軸組件的典型結(jié)構(gòu)三、鉆床類主軸組件特點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)的同時(shí)有軸向進(jìn)給1、主軸1的旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)由其尾部的花鍵傳入，主軸由軸承3和8支承在套筒5內(nèi)旋轉(zhuǎn)；2、轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪6，使套筒(右側(cè)面為齒條)連同主軸作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；3、力的承擔(dān)和軸承的選擇。第五節(jié)提高主軸組件性能的一些措施一.提高精度:采用選配法二.控制溫升、提高轉(zhuǎn)速、減少熱變形三.改善動(dòng)態(tài)特性使主軸組件的固有頻率避開激振頻率加大前支承的的阻尼采用三支承采用消振裝置

第六節(jié)主軸的滑動(dòng)軸承

機(jī)床主軸組件采用的滑動(dòng)軸承，根據(jù)其流體介質(zhì)的不同，可分為液體滑動(dòng)軸承和氣體滑動(dòng)軸承。液體滑動(dòng)軸承按其油膜壓力的形成方式，又可分為液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承和液體靜壓滑動(dòng)軸承。一、主軸液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承機(jī)床主軸動(dòng)壓軸承與一般動(dòng)壓軸承不盡相同，對(duì)主軸的旋轉(zhuǎn)精度和油膜剛度有著更高的要求。

1.幾種常用的主軸多油楔滑動(dòng)軸承

1）成形多油楔軸承這種成形多油楔軸承的油囊加工比較困難，但軸承工作時(shí)的尺寸精度、接觸狀況及油楔參數(shù)等較為穩(wěn)定；拆裝后的變化小，維修較方便，因此可用于高精度磨床。

對(duì)于動(dòng)壓滑動(dòng)軸承，入口間隙h1與出口間隙h2所形成的油楔角大小，對(duì)其承載能力有很大影響。根據(jù)最佳間隙比可得入口間隙為h1=2.2h2=0.033mm。油囊最有利深度h=h1－Δ/2=0.018mm。

2）活動(dòng)多油楔軸承這種軸承是由三個(gè)或五個(gè)瓦塊所組成。如圖示三瓦式活動(dòng)多油楔軸承，三個(gè)短瓦4各由一個(gè)球頭螺釘所支承。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造和維修方便，軸瓦與箱體孔不接觸，故對(duì)箱