第4章 主軸部件設(shè)計

1金屬切削機(jī)床設(shè)計主軸部件設(shè)計2第六節(jié)主軸部件設(shè)計基本要求旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動精度剛度抗振性溫升和熱變形(熱穩(wěn)定性)精度保持性3旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動精度旋轉(zhuǎn)精度:指裝配后的部件在無載或低速轉(zhuǎn)動條件下，主軸前端工作部位的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動的大小。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度直接影響機(jī)床的加工精度。運(yùn)動精度指主軸在工作狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度，這個精度通常和靜止或低速狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)精度有較大差別，它表現(xiàn)在工作時主軸回轉(zhuǎn)中心位置的不斷變化，即“主軸軸心漂移”現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)精度主要取決于主軸及其軸承的制造、裝配、調(diào)整的精度；運(yùn)動狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度取決于主軸的工作速度、軸承性能和主軸部件的平衡等因素。4靜態(tài)剛度

主軸組件的靜態(tài)剛度是指受外力作用時，主軸組件抵抗變形的能力，又分為抗彎和扭轉(zhuǎn)兩種剛度。數(shù)控機(jī)床多采用抗彎剛度作為衡量主軸組件剛度的指標(biāo)。通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移時，在位移方向上所施加的作用力大小來表示。主軸剛度K=F/Y(N/Km)5抗振性抗振性包括抵抗受迫振動的能力和抵抗自激振動的能力。有時也把抵抗受迫振動的能力稱為動剛度，此時，抗振性僅指抵抗自激振動的能力。若主軸組件抗振性差，工作時容易產(chǎn)生振動，不僅降低加工質(zhì)量，而且限制了機(jī)床生產(chǎn)率的提高，使刀具耐用度下降。主要影響因素:部件的靜態(tài)剛度、質(zhì)量分布和阻尼，特別是主軸前軸承的阻尼。設(shè)計時，要使主軸的固有頻率遠(yuǎn)大于工作時的激振頻率，使之不易發(fā)生共振。6溫升和熱變形(熱穩(wěn)定性)溫升過高會引起兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其他件的相對位置會發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會因溫度過高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)生“抱軸”。提高主軸組件熱穩(wěn)定性的主要措施是減少發(fā)熱、加快散熱、隔離熱源以及采用盡可能合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以使熱變形能得到補(bǔ)償和對加工的影響最小。7主軸系統(tǒng)必須有足夠的耐磨性，以便能長期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬，或者經(jīng)過氮化處理，以提高其硬度增加耐磨性。主軸軸承也需有良好的潤滑，提高其耐磨性。精度保持性

8主軸部件的傳動方式齒輪傳動特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能傳遞較大的扭矩，能適應(yīng)變轉(zhuǎn)速、變載荷工作，應(yīng)用最廣。它的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)。

帶傳動常用的有平帶、三角帶、多楔帶和同步齒形帶等。帶傳動的特點是靠摩擦力傳動（除同步齒形帶外）、結(jié)構(gòu)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(hù)作用。缺點是有滑動，不能用在速比要求準(zhǔn)確的場合。電動機(jī)直接驅(qū)動方式9電動機(jī)直接驅(qū)動方式高速內(nèi)圓磨床電主軸1011主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計a)前端配置b)中間配置c）后端配置d),e)兩端配置推力軸承位置配置型式12推力軸承位置配置型式前端配置前支承處軸承較多，發(fā)熱大，溫升高；但主軸受熱后向后伸長，不影響軸向精度，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(jī)床或數(shù)控機(jī)床。后端配置前支承處軸承較少，發(fā)熱小，溫升低；但是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(jī)床，如立銑、多刀車床等。兩端配置當(dāng)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(bǔ)償熱膨脹。常用于短主軸，如組合機(jī)床主軸。中間配置可減少主軸的懸伸量，并使主軸的熱膨脹向后；但前支承結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，溫升也可能較高。13傳動件在主軸上軸向位置的合理布置

a:的傳動件放在兩個支承中間靠近前支承處，受力情況較好，用得最為普遍；b:的傳動件放在主軸前懸伸端，主要用于具有大轉(zhuǎn)盤的機(jī)床，如立式車床、鏜床等，傳動齒輪直接安裝在轉(zhuǎn)盤上；c:的傳動件放在主軸的后懸伸端，較多地用于帶傳動，為了更換傳動帶方便，如磨床。14主軸

主軸是主軸組件的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、制造精度、材料及其熱處理，對主軸組件的工作性能都有很大影響。主軸的結(jié)構(gòu)形狀:主軸通常是一個前粗后細(xì)的階梯軸，即軸徑尺寸從前軸頸起，向后逐漸縮小。這樣的結(jié)構(gòu)，是為了適應(yīng)主軸各段承受的不同載荷，以滿足剛度要求，同時也為其上的多個零件提供足夠的安裝、定位及止推面，同時也有利于加工和裝配。15主軸的材料和熱處理一般機(jī)床主軸常用45鋼，調(diào)質(zhì)到200～250HB左右，主軸端部錐孔、定心軸頸或定心圓錐面等部位局部淬硬到50～55HRC。若支承采用滾動軸承，則軸頸可不淬硬，但是為了防止敲碰損傷軸頸的配合表面，常對主軸軸頸處進(jìn)行淬硬。如果機(jī)床主軸有更高要求時，宜選用合金鋼，如對耐磨性要求很高的主軸，常選用38CrMoAlA，并經(jīng)氮化處理。16主軸主要精度指標(biāo)前支承軸頸的同軸度約5μm左右；軸承軸頸需按軸承內(nèi)孔“實際尺寸”配磨，且須保證配合過盈1～5μm；錐孔與軸承軸頸的同軸度為3～5μm，與錐面的接觸面積不小于80%，且大端接觸較好；裝NN3000K型調(diào)心圓柱滾子軸承的1∶12錐面，與軸承內(nèi)圈接觸面積不小于85%。17主軸部件中的軸承滾動軸承液體動壓軸承液體靜壓軸承空氣靜壓軸承磁浮軸承18主軸的滾動軸承角接觸球軸承：既可以承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。常用的接觸角有兩種：α=25°和α=15°。角接觸球軸承19角接觸球軸承角接觸球軸承多用于高速主軸。隨接觸角的不同有所區(qū)別，α=25°的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速略低，應(yīng)用較多；α=15°的轉(zhuǎn)速可更高些，但軸向剛度較低，常用于不承受軸向載荷的主軸的后軸承。角接觸球軸承為點接觸，剛度較低，為了提高剛度和承載能力，一般采用多聯(lián)組配的方式。20角接觸球軸承(a)背靠背,(b)面對面,（c）同向組配(d)三聯(lián)組配角接觸球軸承的組配21角接觸球軸承兩個軸承都能共同承受徑向載荷。背靠背和面對面組配都能承受雙向軸向載荷；同向組配則只能承受單向軸向載荷。背靠背與面對面組配相比，支承點（接觸線與軸線的交點）間的距離AB，前者比后者大，因而能產(chǎn)生一個較大的抗彎力矩，即支承剛度較大。運(yùn)轉(zhuǎn)時，軸承外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過盈加大。軸向膨脹對背靠背組配將使過盈減小，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹，而對于面對面組配，將使過盈進(jìn)一步增加。基于以上分析，主軸受有彎矩，又屬高速運(yùn)轉(zhuǎn)，則主軸軸承必須采用背靠背組配。22雙列短圓柱滾子軸承雙列圓柱滾子軸承

NN3000K（舊標(biāo)準(zhǔn)3182100)型軸承NNU4900K（舊標(biāo)準(zhǔn)4482900)型軸承。兩排直徑和長度相等的短圓柱滾子交錯排列，滾子數(shù)量為50～60個，載荷均布。區(qū)別：滾道環(huán)槽的位置不同。滾道環(huán)槽開在內(nèi)圈上，工藝性好，但調(diào)整間隙時易使內(nèi)圈滾道畸變。滾道環(huán)槽開在外圈上，調(diào)整間隙時內(nèi)圈滾道不會發(fā)生畸變，但工藝性復(fù)雜，不適于小規(guī)格的軸承。軸承的間隙調(diào)整：軸向移動內(nèi)圈，改變其在主軸上的位置。特點：徑向剛度和承載能力較大，旋轉(zhuǎn)精度高，徑向結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長，在主軸組件中應(yīng)用廣泛。但是它不能承受軸向載荷，而需配用推力軸承。23圓錐滾子軸承

雙列圓錐滾子軸承1,4一內(nèi)圈；2一外圈；3一隔套

修磨隔套3的厚度來調(diào)整間隙或預(yù)緊。外圈有軸肩，一端抵住箱體或主軸套筒的端面，另一端用法蘭壓緊，以實現(xiàn)軸向定位。因此，箱體孔可做成通孔，便于加工。既可以承受徑向載荷，又可以承受雙向軸向載荷。由于滾子數(shù)量多，承載能力和剛度都高，軸承制造精度較高，適用于中低速、中等以上載荷的機(jī)床主軸的前支承。但設(shè)計選用時，應(yīng)考慮給予充分的潤滑和冷卻條件．24滾動軸承配置配置形式：速度型、高剛度型和剛度速度型主軸支承的配置—速度型(a)前、后支承均采用雙聯(lián)角接觸球軸承，該配置適用于高速、高精度、中等負(fù)載的數(shù)控車床。(b)采用三聯(lián)或四聯(lián)角接觸球軸承，后支承用雙聯(lián)角接觸球軸承，適用于高速、高精度和較高負(fù)載要求的數(shù)控機(jī)床。25滾動軸承配置主軸支承的配置—高剛度型(a):前支承是雙列圓柱滾子軸承加雙向角接觸球軸承，能承受較大的徑向和軸向負(fù)載，后支承也采用了雙列圓柱滾子軸承。主軸部件具有很高的剛性，且溫升對剛度、精度和壽命的影響較小，適用于要求中速偏高及有強(qiáng)力切削要求的高剛度、較高精度的數(shù)控機(jī)床。(b):前支承采用雙列圓錐滾子軸承，可承受高的軸向和徑向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承，但主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高受到限制。適用于中、低速要求和中等精度、重載要求的數(shù)控機(jī)床。26滾動軸承配置主軸支承的配置一速度剛度型

前支承采用三聯(lián)角接觸球軸承，承受徑向和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，具有較高的剛度，適用于要求高速、高精度和較大負(fù)載的數(shù)控機(jī)床。27幾種典型的主軸軸承配置型式速度型

角接觸球軸承具有良好的高速性能，但它的承載能力較小，因而適用于高速輕載或精密機(jī)床，如高速鏜削單元、高速CNC機(jī)床等。28速度型高速CNC車床主軸部件29剛度型

前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷，60°角接觸雙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。這種軸承配置的主軸部件，適用于中等轉(zhuǎn)速和切削負(fù)載較大，要求剛度高的機(jī)床。如數(shù)控車床主軸、鏜削主軸單元等。30剛度型CNC型車床主軸31剛度速度型

前軸承的配置特點是：外側(cè)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(cè)的兩個軸承背靠背配置，使三聯(lián)角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。32剛度速度型33配置圓錐滾子軸承的機(jī)床主軸

結(jié)構(gòu)比采用雙列短圓柱滾子軸承簡化，承載能力和剛度比角接觸球軸承高。但是，因為圓錐滾子軸承發(fā)熱大、溫升高，允許的極限轉(zhuǎn)速要低些。適用于載荷較大、轉(zhuǎn)速不太高的普通精度的機(jī)床主軸。34臥式鏜銑床主軸部件

1一齒輪2-鏜主軸3-銑主軸4一雙鍵5,6-鏜主軸套7-前軸承

銑主軸3的前