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第三章 主轴组件设计

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第三章 机床典型部件设计

第三章 机床典型部件设计

利用磁力使支承运动的部件与其固定 部件脱离接触来实现轴承的功能。 其特点是无机械磨损，理论上无速度 限制；无噪声，温升低，能耗小，不需 润滑；可在超低温和高温下工作等。装 有磁浮轴承的主轴可实现适应控制，通 过检测定子线圈电流控制切削力，通过 检测切削力的变化来调整控制机械运动， 以提高加工质量。
（二）几种典型的主轴轴承配置形式
d 0.55 ~ 0.60D
对于六角、自动和半自动车床、卧式镗床（镗杆主
轴）
d 0.6 ~ 0.65D
对铣床 d 可比刀具拉杆直径大5~10mm即可。
3. 主轴前端悬伸量的确定
主轴前端悬伸量a 是指主轴前端面到前轴承径向反 力作用中点（或前径向支承中点）的距离。它主要取决 于主轴端部的结构（其形状与尺寸均以标准化），以及 前支承轴承配置和密封装置的形式和尺寸。在满足结构 要求的前提下，设计时应使a 值越小越好。
2.刚度 主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变 形的能力，通常以主轴前端部产生一个单位位移的弹 性变形时，在位移方向上所施加的作用力的大小来表 示。主轴部件的刚度是综合刚度，是主轴、轴承和轴 承座等刚度的综合反映，其静刚度不足则对加工精度 和机床性能有直接影响。
主轴部件应满足的基本要求
3.抗振性 主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动而 保持平稳运转的能力。主轴部件的振动会直接影响工件 的表面质量和刀具的使用寿命，并产生噪声。 4.温升及热变形 主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热，切 削区的切削热等使主轴部件的温度升高，其尺寸、形状 及位置发生变化，造成主轴部件的热变形。 5.精度保持性 主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造 精度的能力。主轴部件丧失其原始精度的主要原因是磨 损。
3. 圆锥滚子轴承——需成对使用
机械装备设计第3章机床主要部件设计

机械装备设计第3章机床主要部件设计


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3.1.1 对主轴组件的基本要求
1.旋转精度：主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空载时，主轴 前端定位面的径向跳动、端面跳动和轴向窜动值。 主轴组件的旋转精度主要取决于主轴、轴承等的制造精度和装配质量。 工作转速下的旋转精度还与主轴转速、轴承的设计和性能以及主轴组件的
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电动机直接驱动方式
电动机转子轴就是主轴，电动机座就是机床主轴单元的壳体。主 轴单元大大简化了结构，有较宽的调速范围；有较大的驱动功率 和转矩；便于组织专业化生产。
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3.1.2主轴组件结构设计
（2）传动件位置的合理布置
3.1.2主轴组件结构设计
1、主轴组件的支承数目
多数机床的主轴采用前、后两个支承。 特点：结构简单，制造装配方便，容易保证精度。为提高主轴组 件的刚度，前后支承应消除间隙或预紧。
数控车床主轴组件
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1、主轴组件的支承数目 机床主轴采用三个支承，为提高刚度和抗振性。三支承方式对三支 承孔的同心度要求较高，制造装配较复杂。
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3.1.2主轴组件结构设计
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3.1.3主轴
1、主轴的构造 主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺
寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。主轴的前端型式取决
于机床类型和安装夹具或刀具的型式。主轴头部的形状 和尺寸已经标准化，应遵照标准进行设计。
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3.1.3主轴
3、主轴的技术要求，应根据机床精度标准有关项目制定。
三 机床主轴组件设计

三 机床主轴组件设计

第三章 主轴组件设计
3 主轴部件设计
3.1 主轴部件应满足的基本要求 3.2 主轴部件的传动方式 3.3 主轴部件结构设计 3.4 主轴用滚动轴承 3.5 主轴用滑动轴承
3.1主轴部件应满足的基本要求 3.1主轴部件应满足的基本要求
1.旋转精度 1.旋转精度：主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、 旋转精度：主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、 空载时，主轴前端定位面的径向跳动、端面跳动和轴向 窜动值。 2．刚度：主轴部件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗 刚度：主轴部件的刚度K 变形的能力，即K=F／y(单位为N Pm)，刚度的倒数言 变形的能力，即K=F／y(单位为N／Pm)，刚度的倒数言 称为柔度。 3．抗振性：主轴部件的抗振性是指其抵抗受迫振动和 抗振性：主轴部件的抗振性是指其抵抗受迫振动和 自激振动而保持平稳运转的能力。 4．温升和热变形：主轴部件工作时由于摩擦和搅油等 温升和热变形：主轴部件工作时由于摩擦和搅油等 耗损而产生热量，出现温升。温升使主轴部件的形状和 位置发生畸变，称之为热变形。 5．耐磨性：主轴部件的耐磨性是指长期保持其原始精 耐磨性：主轴部件的耐磨性是指长期保持其原始精 度的能力，即精度的保持性。
3.2主轴部件的传动方式 3.2主轴部件的传动方式
同步齿形带的齿形有两种：梯形齿和圆弧齿。圆弧齿形受力合理， 较梯形齿同步带能够传递更大的扭矩。 同步齿形带无相对滑动，传动比准确，传动精度高； 厚度小、重量轻、传动平稳、噪声小,适于高速传动，传动效率高； 厚度小、重量轻、传动平稳、噪声小, 不需要润滑， 耐水耐腐蚀， 能在高温下工 作，维护保养 方便；传动比 大，可达1：10 以上。 缺点是制造工 艺复杂，安装 条件要求高。
优点：承载能力高；旋转精度高； 油膜有均化误差的作用，可提高加工 精度；抗振性好；运转平稳；既能在 极低转速下工作，也能在极高转速下 工作；摩擦小，轴承寿命长。 缺点：需要一套专用供油设备，轴 承制造工艺复杂、成本较高。
数控装备设计第3章 主轴组件

数控装备设计第3章 主轴组件

第3章 主轴组件
３．１ 主轴组件的基本要求 凡是成型运动有回转运动的机床，都具有主 轴组件。有的机床只有一个主轴组件，而有的机 床则有多个主轴组件。主轴组件是数控机床重要 的组成部件，包括主轴、主轴的支承、安装在主 轴上的传动件和密封件等。
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（ １ ） 精度 主轴组件的精度包括旋转精度和运动精度 。 旋转精度是指装配后 ， 在无载 、 低速转动条件 下 ， 主轴前端工作部位的径向 跳动 、 端面跳动 和轴向窜动 。 （ ２ ） 静刚度 主轴组件的静刚度是指受外力作用时 ， 主轴 组件抵抗变形的能力 ， 又分为抗弯和扭转两种刚 度。
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图３Hale Waihona Puke ５数控机床主轴轴承的配置形式
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３．３．３ 主轴滚动轴承的精度 滚动轴承的精度分为 Ｐ２ 、 Ｐ４ 、 Ｐ５ 、 Ｐ６ 和 Ｐ０ 级 （ 旧 标准为 Ｂ ， Ｃ ， Ｄ ， Ｅ ， Ｇ 级 ）。 其中 Ｐ２ 级最高 ， Ｐ０ 级为普通 精度级 。 主轴轴承以 Ｐ４ 级为主 。 高精度主轴 可用 Ｐ２ 级 。 要求较低的主轴或三支承主轴的辅 助轴承可用 Ｐ５ 级 。 Ｐ６ 和 Ｐ０ 一般不用 。
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图３．２
主轴主要精度指标计算图
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３．３
主轴轴承
机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动 ， 应能传递切削 扭矩 ， 承受切削 抗力 ， 并保证 必要的旋转精度 。 数控机床主轴支承根据主轴部 件的转速 、 承载能力 及回转精度等要求的不同而 采用不同种类的轴承 。
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３．３．１ 主轴常用 的几种滚动轴承类型 图 ３ ． ３ （ ａ ） 所示为角 接触球轴承 。 这种轴承既能承受径向载荷 ， 又能承受轴向载荷 。
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④ 短锥 Ｃ 对轴承轴颈 Ａ ， Ｂ 的径向 圆跳 动
轴的定义与解释

轴的定义与解释

机械制造装备设计
第3章 主轴组件设计
第 3 章 主 轴 组 件 设 计 3.1主轴组件的基本要求 主轴组件的基本要求 3.2主轴轴承的选择与配置 主轴轴承的选择与配置 3.3主轴 主轴 3.4主轴组件的计算 主轴组件的计算 3.5提高主轴组件性能的措施 提高主轴组件性能的措施
第 3 章 主 轴 组 件 设 计
中等精度,转速 —40Cr等合金结构钢,调质,淬火 高精度轴 —轴承钢GCr15,弹簧钢65Mn,调质,淬火 高转速,重载
—20CrMnTi,20Cr,38CrMoAlA 渗碳淬火或氮化
第 3 章 主 轴 组 件 设 计
3.3.3主轴的技术要求 3.3.3主轴的技术要求
主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转 精度.主轴和轴承,齿轮等零件相连接 处的表面几何形状误差和表面粗糙度关 系到接触精度.因此,主轴的技术要求, 应根据专机精度标准有关的项目制定. 具体的技术要求可参阅有关的主轴组件 而确定.
第 3 章 主 轴 组 件 设 计
3.4主轴组件的计算 3.4主轴组件的计算
3.4.1主轴组件计算时支承的简化 主轴组件计算时支承的简化 3.4.2主轴结构参数的确定 主轴结构参数的确定 3.4.3传动件的布置 3.4.3传动件的布置 3.4.4主轴组件的两支承的最佳跨距的计 主轴组件的两支承的最佳跨距的计 算 3.4.5主轴组件采用三支承的跨距的确定 主轴组件采用三支承的跨距的确定 3.4.6主轴组件的刚度校核 主轴组件的刚度校核
第 3 章 主 轴 组 件 设 计 3.4.1主轴组件计算时支承的简化 3.4.1主轴组件计算时支承的简化
如一支承上安装两个轴 承时,对于角接触轴承 采用反装法可以提高其 支承刚度,而支承点应 在前端轴承的接触线与 轴线交点处,如图3.9d所 示. 对于接触角为0的向心轴 承,则支承点在前端一 个轴承中部,如图3.9e所 示.其理由为预紧发生 在前面一列滚子(或滚 珠)与后轴承之间.
机械制造装备设计-机床典型部件设计

机械制造装备设计-机床典型部件设计

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3.1 主轴部件设计
角接触球轴承： 图3.11所示为角接触球轴
承，这种轴承既可承受径向 载荷，又可承受轴向载荷。 接触角常见的有α=15°和 α=25°两种。15°接触角 多用于轴向载荷较小，转速 较高的地方，如磨床主轴； 25°的多用于轴向载荷较大 的地方，如车床和加工中心 主轴。
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3.1 主轴部件设计
机械制造装备设计
第3章 机床典型部件设计
本章分三个小节： 3.1 主轴部件设计 3.2 支承件设计 3.3 导轨设计
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3.1 主轴部件设计 主轴组件式机床的执行件，它由主轴、轴承、传
动件和密封件等组成。它的功用是支承并带动工件刀 具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和转矩， 承受切削力和驱动力的作用。
❖ 铝合金 铝合金的密度只有铁的1/3，有些铝合金还可以
通过热处理进行强化，提高铝合金的力学性能。
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3.1 主轴部件设计
双向推力角接触球轴承： 图3.10所示为双向推力角接触球轴承。型号为
234400，接触角60°，它由外圈、左右内圈、左右两 列滚珠及保持架、隔套所组成。修磨隔套的厚度就能 消除间隙和预紧。
滚动体直径小，极限转速高； 外圆和箱体孔为间隙配合，安 装方便，且不承受径向载荷； 常与双列圆柱滚子轴承配套使 用，能承受双向轴向载荷，用 于主轴部件的前支承。
❖ 主轴部件结构参数的确定 主轴的结构参数主要包括主轴的平均直径D(或前
轴颈)、内孔直径d（对于空心主轴而言）、前端的悬 伸量a及主轴的支承跨距L等。
一般步骤： （1）首先确定前轴颈D （2）然后确定内径d和主轴前端的悬伸量a （3）最后再根据D、a和主轴前支承的刚度确定支 承跨距L
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3.1 主轴部件设计 （1） 主轴直径的确定 主轴平均直径D的增大能大大提高主轴的刚度，而 且还能增大孔径，但也会使主轴上的传动件（特别是 起升速作用的小齿轮）和轴承的径向尺寸加大。主轴 直径D应在合理的范围内尽量选大些，达到既满足刚 度要求，又使结构紧凑。 主轴前轴颈直径D1可根据机床主电动机功率或机 床主参数来确定。
08_主轴组件

08_主轴组件

承受径向载荷、刚度（大→小） 滚柱轴承、多个球轴承、单个球轴承 承受轴向载荷、刚度（大→小） 推力球轴承、滚锥轴承、向心推力球轴承。
2.适应转速的要求
极限转速（高→低）
径向：球轴承、滚柱轴承、滚锥轴承。 轴向：向心推力球轴承、推力球轴承、滚锥轴承。
同一类型的轴承 规格↓精度↑极限转速↑
综上，选择轴承，应综合考虑承载能力和极限转速。
4.旋转精度高，油膜的刚度，可以是动压轴承油膜
的8倍。
缺点：
1.需要一套专门的供油系统，油液的清洁度要求高。
2.油液需要冷却，以免温升过高。 3.对启动、停车及断电需要有专门的保护装置。
静压轴承的工作原理
pr=ps-ΔpG
p入 →
→ p出
容积式节流器 ΔpG= p入- p出
ΔpG ∝Q
Q~流量
一、常用的主轴滚动轴承的类型
除一般的滚柱、滚锥、滚针轴承、向心推力球、推力 球轴承外，还有几种主轴滚动轴承。
二、滚动轴承的间隙调整和预紧
作用：提高主轴组件工作性能，提高轴承的使用寿命
预紧力：20～30%工作载荷
间隙调整的原理
使轴承内、外圈产生相对位移，并保持在调整好的位 置上。
调整的具体结构举例。
y具有最小值，对应有L合理 当L>L合理，主要必须提高主轴刚 性。 当L<L合理，主要必须提高支承的 刚性。
影响旋转精度的因素
（1）轴承精度和间隙的影响。 （2）主轴、支承座等零件中精度的影响。
2.刚度
主轴组件的刚度～在外载荷作用下抵抗变形的能力。
K=F/y (N/μm)
主轴组件的刚度直接影响加工精度。
设计中应尽可能提高刚度，从布局、结构尺寸等 方面综合考虑。
第3章机床典型部件设计

第3章机床典型部件设计

铝合金 铝合金的密度只有铁的1/3，有些铝合金还可以
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3.1 主轴部件设计
传动件轴向位置的合理布置 合理布置传动件的轴向位置，可以改善主轴和轴承
的受力情况及传动件、轴承的工作条件，提高主轴部 件刚度、抗振性和承载能力。传动件位于两支承之间 是最常见的布置。
为了减小主轴的弯曲 变形和扭转变形，传动 齿轮应尽量靠近前支承 处；当主轴上有两个齿 轮时，由于大齿轮用于 低传动，作用力较大， 应将大齿轮布置在靠前 支承处。
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3.1 主轴部件设计
角接触球轴承： 图3.11所示为角接触球轴
承，这种轴承既可承受径向 载荷，又可承受轴向载荷。 接触角常见的有α =15°和 α =25°两种。15°接触角 多用于轴向载荷较小，转速 较高的地方，如磨床主轴； 25°的多用于轴向载荷较大 的地方，如车床和加工中心 主轴。
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3.1 主轴部件设计
液体静压轴承： 静压轴承旋转精度高，抗振性好，其原因是轴颈
与轴承之间有一层具有良好的吸振性能的高压油膜， 其缺点是需要配备一套专用的供油系统，而且制造 工艺较复杂。
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3.1 主轴部件设计
气体轴承： 气体轴承包括气体动压轴承、气体静压轴承和气
体压膜轴承三大类。由于采用气体作为润滑剂，因 此，轴与轴瓦被气体隔开，使轴在轴承中无接触地 旋转或呈悬浮状态。
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3.1 主轴部件设计
推力支承位置配置形式 三种配置形式：前端配置、后端配置、两端配置
•多用于轴向精度和刚度要求较高的 高精度机床或数控机床
•这种方式常用于 较短主轴
•多用于轴向精度 要求不高的普通 精度机床
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3.1 主轴部件设计
主轴传动件的合理布置 大多数机床主轴采用齿轮或带传动，有的用电动机
第三章 主轴组件设计解析

第三章 主轴组件设计解析


■ δa1、 δa2 可根据δa 计算得到 ■ 同 理 δb1、 δb2 也可根据δb计算得到
■ 一般情况下δ1等于δa1、δb1、δc1的均方根值 ■ δ2等于δa2、δb2、 δc2的均方根值
■ 据此，可算出δc1和δc2
■ 主轴的第⑶项公差就是根据2倍的δc1、 δc2 值
确定的
■ 4、短锥C对轴径A、B的径向圆跳动 ■ 短锥C是卡盘的定心轴颈。精度检验标准规
■ 二、轴承精度
■ 主轴轴承的精度主要采用P2、P4、P5 级
■ （B、C、D）相当于ISO 2、4、5 级
■ 此外，又规定了SP级和UP级作为补充
■ 结构对精度的影响：
■ a、向心轴承用于切削力方向固定的主轴， 对径向旋转精度影响最大的是“成套轴承的 内圈径向跳动” Kia
■ b、如用于切削力方向随主轴旋转而变化的 主轴，对轴承径向旋转精度影响最大的是 “成套轴承的外圈径向跳动” Kea
■ 轴瓦除了径向摆动外，也可轴向摆动
■ 轴瓦与球头螺钉接触面积要大于 80% 以保 证接触刚度
■ 轴承间隙靠螺钉调整 ■ 缺点是综合刚度低于固定多油楔轴承
■ 二、液体静压轴承
■ 静压轴承的油膜压 强由外界液压泵供 给
■ 油膜厚度对轴径和 轴承孔的圆度误差 起均化作用
■ 1、工作原理
■ 如图
■ 2、节流器
■ 型号：NN3000K(3182100) ■ NNU4900K（4382900）
■ 特点：内孔为 1:12 的锥 孔与主轴的锥形轴颈相配 合，只承受径向力
■ 间隙的调整： ■ 轴向移动内圈 ■ 适用场合： ■ 载荷较大、刚度要求较高，
中等转速
■ 2、双向推力角接触球轴承 ■ 型号：234400（2268100） ■ 特点：可承受双向的轴向载荷 ■ 它与双列圆柱滚子轴承配套使用
典型部件设计

典型部件设计

主轴部件旳刚度受主轴旳尺寸和形状，滚动轴承旳类型、 数量、预紧和配置方式、传动件旳布置方式、主轴部件旳制造 精度和装配质量等影响。
主轴部件旳刚度不足，直接影响加工精度和机床性能。
3.1.1 主轴部件应满足旳基本要求 3．抗振性：主轴部件旳抗振性是指其抵抗受迫振动
和自激振动而保持平稳运转旳能力。
理论分析和试验成果表白，影响主轴部件抗振性旳主要原因 是主轴部件旳静刚度、阻尼特征和固有频率等。刚度和阻尼比 越大越不轻易产生振动。
(四) 主轴滚动轴承旳预紧
1、双列短圆柱滚子轴承旳预紧用螺母轴向移动轴承内圈，使其径向涨紧，实现预紧； 采用过盈套进行轴向定位。
四.主轴滚动轴预紧量拟定旳厚•是在两轴承内外圈之间
度，当压紧内圈时即可得分别装入厚度差为•是2δ用旳弹两簧自动预紧图示旳
到设定旳预紧量。
式、轴端构造、作温度、轴承工作时旳外界环境等。
3.1 主轴部件设计
3.1.1 主轴部件应满足旳基本要求 3.1.2 主轴部件旳传动方式 3.1.3 主轴用滚动轴承 3.1.4 主轴用滑动轴承 3.1.5 主轴部件构造设计
3.1.4 主轴滑动轴承
（一）液体动压滑动轴承
动压轴承依托主轴以较高旳转速旋转时，带着润滑油从间 隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔而将主轴浮起，产 生压力油膜以承受载荷。
个短套来到达预紧一目对旳轴承。
3.1.3 主轴滚动轴承
五.滚动轴承旳润滑和密封 (1)润滑脂：是由基油、稠化剂和添加剂(有旳不含添加剂)在高温
下混合而成旳一种半固体状润滑剂。如锂基脂、钙基脂，高速轴承 润滑脂等。 特点是粘附力强、油膜强度高、密封简朴，不易渗漏，长时间不需 更换，维护以便。但摩擦阻力比润滑油略大。 常用于转速不太高、又不需冷却旳场合。尤其是立式主轴或装在套 筒内能够伸缩旳主轴，如钻床、坐标镗床、数控机床和加工中心等。 润滑脂不应过多填充，以免因搅拌发烧而融化、变质失去润滑作用， 润滑脂填满轴承空隙旳1／3～1／2效果最佳。在一定时期内补充和 更换。
第3章 主轴组件设计[4页]

第3章 主轴组件设计[4页]

第3章主轴组件设计3.1 主轴组件的基本要求是什么？它们对加工精度有何影响？答：1) 旋转精度: 瞬时旋转中心线相对于理想旋转中心线在空间位置上的偏差，，其范围就为主轴的旋转精度，主轴组件的旋转精度是指专机在空载低速转动时，在主轴前端定位面上的测得的径向圆跳动、端面圆跳动和轴向窜动值的大小。

2) 静刚度: 是指在外加载荷作用下抵抗变形的能力。

3) 抗振性: 是指机器工作时主轴组件抵抗振动、保持主轴平稳运转的能力。

4) 热变形: 是指机器工作时，因各相对运动处的摩擦和搅油等耗损而发热造成的温差，使主轴组件在形状和位置上产生的畸变。

5) 耐磨性: 是指长期地保持其原始制造精度的能力，即精度的保持性。

由于各类机械装备的工艺特点的不同，主轴组件所传递的转速、承受的工作载荷等工作条件各异，故对主轴组件的要求也各有侧重，决不能强求一律。

3.2 主轴的轴向定位有几种？各有什么特点，适用何种场合？答：主轴的轴向定位，主要由推力轴承来实现。

推力轴承的配置型式有三种：1) 前端定位推力轴承安排在前支承处。

主轴发热后向后伸长，轴前端的轴向精度较高，但前支承结构复杂（表3.3序号1、2和5）。

2) 后端定位推力轴承安排在后支承处。

主轴受热后向前伸长，影响轴前端的轴向位置精度和刚度，但这种结构便于轴承间隙调整（表3.3序号3）.3) 两端定位推力轴承分别安排在前后支承处。

支承结构简单，发热量小，但主轴受热，产生变形，会改变轴承间隙，影响主轴的旋转精度（表3.3序号4、7和8）。

3.3 选择主轴材料的依据是什么？答：主轴材料的选择应根据耐磨性和热处理后变形的大小等来考虑。

因此，无需从强度、刚度角度来考虑主轴材料的选择。

3.4 为什么数控车床的前轴承常采用三联轴承组合，如何布置？为什么？答：如图3.9f所示。

数控车床主轴的前支承常采用三联轴承组合安装，即前两轴承为同向组合，接触线朝前（大口朝外），后轴承与之背靠背（反装），则支承点应在前面第一个轴承的接触线与轴线交点处，这样可以增加主轴的前支承支承宽度，缩短主轴前端悬伸量a。

机械制造装备设计介绍第三章主轴组件设计介绍

承受轴向载荷轴承的极限转速由高到低为：角接 触球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推 力球轴承。
主轴组件设计 滚动轴承
3．轴承的精度选择 轴承的精度，应采用P2、P4、P5级和SP、UP级。
SP、UP级轴承的旋转精度相当于P4、P2，内外圈的 尺寸精度比旋转精度低一级，相当于P5、P4级。这 是因为轴承的工作精度主要取决于旋转精度，主轴 支承轴颈和箱体轴承孔可按一定配合要求配作，适 当降低轴承内外圈的尺寸精度可降低成本。
主轴组件设计
4．温升与热变形
主轴组件工作时，轴承的摩擦形成热源，切削
热和齿轮啮合热的传递，导致主轴部件温度升高，
产生热变形。主轴热变形可引起轴承间隙变化，轴
心位置偏移，定位基面的形状尺寸和位置产生变化；
润滑油温度升高后，粘度下降，阻尼降低；因此主
轴组件的热变形，将严重影响加工精度。
室温不是20οC时，温升Tt的许可值按下式计
主轴组件设计 主轴精度
轴承精度 公差名称 直径φ公差
圆度t、圆柱度t1
倾斜度t2 跳动t3 同轴度t4 Ra D、d≤80
D、d≤250
P5
P4 (SP)
Js5 或 k5
Js4
P2 (UP)
Js3
P5
Js5① H5②
P4 (SP) Js5① H5②
P2 (UP) Js4① H4②
IT3/2 IT2/2 IT1/2 IT3/2 IT2/2 IT1/2
主轴组件设计 滚动轴承
切削力方向随主轴的旋转同步变化的主轴，主 轴支承轴颈的某一条线或点间接地跟半径方向上的 外圈滚道表面对应的线或点接触，影响主轴旋转精 度的因素为轴承内圈的径向圆跳动、滚动体的圆度 误差、外圈的径向圆跳动。由于轴承内圈滚道直径 小，且滚道外表面磨削精度高，因而误差较小，主 轴旋转精度主要取决于外圈的径向圆跳动，即外圈 滚道表面相对于轴承外径轴线的同轴度；

主轴组件设计资料(全)

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滚动轴承配置
主轴支承的配置—高刚度型 (a):前支承是双列圆柱滚子轴承加双向角接触球轴承，能承受较大的径 向和轴向负载，后支承也采用了双列圆柱滚子轴承。主轴部件具有很高的 刚性，且温升对刚度、精度和寿命的影响较小，适用于要求中速偏高及有 强力切削要求的高刚度、较高精度的数控机床。 (b):前支承采用双列圆锥 滚子轴承，可承受高的轴向和径向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承， 但主轴转速和精度的提高受到限制。适用于中、低速要求和中等精度、重 载要求的数控机床。
• 角接触球轴承为点接触，刚度较低，为了提高 刚度和承载能力，一般采用多联组配的方式。
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角接触球轴承
角 接 触 球 轴 承 的 组 配
(a)背靠背, (b)面对面,（c）同向组配(d)三联组配
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角接触球轴承
• 两个轴承都能共同承受径向载荷。背靠背和面对面组配都能承 受双向轴向载荷；同向组配则只能承受单向轴向载荷。背靠背 与面对面组配相比，支承点（接触线与轴线的交点）间的距离 AB，前者比后者大，因而能产生一个较大的抗弯力矩，即支承 刚度较大。运转时，轴承外圈的散热条件比内圈好，因此，内 圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。 轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减小，可以补偿一部分径向膨 胀，而对于面对面组配，将使过盈进一步增加。基于以上分析， 主轴受有弯矩，又属高速运转，则主轴轴承必须采用背靠背组 配。
– 特点是结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩，能适应变转速、变 载荷工作，应用最广。它的缺点是线速度不能过高，通常小于 12～15m/s，不如带传动平稳。
• 带传动
– 常用的有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等。带传动的特点 是靠摩擦力传动（除同步齿形带外）、结构简单、制造容易、成 本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动。皮带有弹性可吸振， 传动平稳，噪声小，适宜高速传动。带传动在过载中会打滑，能 起到过载保护作用。缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场 合。

第三章主轴支承件

壁板,从而使整个支承件承受载荷,提高支承件的自身刚度
“T”形隔板连接，主 要提高水平面抗弯刚 度，对提高垂直面抗 弯刚度和抗扭刚度不 显著，多用在刚度要 求不高的床身上
“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚
度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显 著
“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较 高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多
温升
热变形表示 5、耐磨性
位置变化量
即长期保持原始制造精度的能力
回转精度好，标志着静态工作精度好
抗振性、热变形小，标志着动态工作精度好 耐磨性好，标志着精度保持性好
二、主轴组件结构设计
1、结构要求 • 主轴的可靠定位，工件装夹定位可靠 • 保证长期可靠运转 • 结构工艺性好，拆装方便
2、结构布局
图3-71 美国超精密车床球轴承主轴组件 转速为200r/min时，主轴径向摆振0.03um，轴向串动0.01um， 径向刚度25N/um，轴向刚度80N/um，用金刚石刀具加工铝和紫铜零 件时可以获得表面最大不平度高度为0.01—0.02um的镜面。
五、提高主轴组件性能的措施
提高精度。 控制温升、提高转速、减小热变形 改善动态特性 • 使主轴组建的固有频率避开激振频率 • 调整前轴承的阻尼 • 采用三支承 • 采用消振装置
减少热变形的措施：
措施2 采用低摩擦系数的导轨和轴承 ——采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承 ② 控制温升
通过散热的方法
③ 改善机床结构 措施1 采用对称设计
措施2 使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上
措施3 采用排屑系统 ④ 进行热变形补偿
冷却风管
主轴
对机床热源进行强制冷却
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第三节 主轴的滑动轴承

主轴的滑动轴承 特点：阻尼性能好，刚度高，抗振性好， 运动平稳，径向尺寸小 按流体介质不同分为液体滑动轴承和气体 滑动轴承 按其产生油膜压强的方式，可分为动压轴 承和静压轴承





一、液体动压滑动轴承
动压轴承是靠轴的转动形成油膜而具有承载 能力的 速度的高低决定承载能力的大小 主轴组件的滑动轴承应是多油楔的，且间隙 可调 多油楔轴承有固定多油楔和活动多油楔两类 间隙调整方式： 锥形轴径轴向调整 柱形轴径径向调整


五、耐磨性

主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期 保持精度 易磨损部位采用热处理方法淬硬
六、主轴的结构



主轴前端部已经标准化了，直径尽量大些， 悬伸尽量小些，做成阶梯轴 中空：主轴孔径不超外径的70%





七、材料和热处理 主轴的材料一般不根据强度或刚度来选择 主要根据耐磨性、热处理方法和热处理后的 变形选择： 普通机床的主轴，可用45号或60号优质中碳钢， 调质到220～250HBS左右。 锥孔、定心轴颈、定心锥面，高频淬硬至 50～55HRC 精密机床的主轴，可用40Cr或低碳合金钢20Cr、 16MnCr5、12CrNi2A等渗碳HRC≥60 更高的耐磨性可用渗氮钢38CrMoAlA,进行渗 氮处理，表面硬度可达1100～1200HV（维氏）

八、主轴的技术要求


主轴和壳体孔的直径公 差和形状公差可参考 表10-5制定 主轴的其余的技术条件， 应根据机床精度标准制 定 例：车床主轴的技术要 求 前轴径A 105 后轴径B 75 带有 1:12 的锥度







主要的技术要求： ⑴ 轴径A和B的圆度 A=0.003 B=0.0025 ⑵ 莫氏锥孔和A、B面用涂色法检查接触率 ≥70% ⑶ 莫氏锥孔对轴径A、B的径向跳动 近轴端 0.005 300mm处 0.010 ⑷ 短锥C对轴径A、B的径向圆跳动 0.005 ⑸ 端面D对轴径A、B的端面圆跳动 0.010





4、短锥C对轴径A、B的径向圆跳动 短锥C是卡盘的定心轴颈。精度检验标准规 定公差是0.01mm 技术要求定径向圆跳动为：0.005mm 5、端面D对轴径A、B的端面圆跳动 精度检验标准规定了主轴轴肩支承面的跳 动为0.02mm 它包括主轴的轴向窜动和端面D对A、B的 端面圆跳动 技术要求定为0.01。考虑到装配误差和精度 储备
第十章

主轴组件
主轴组件是机床的一个重要组成部分 组成：主轴、轴承以及安装在主轴上的传 动件和固定件 特点：夹卡工件或刀具直接参加零件表面 的成形
Hale Waihona Puke 第一节 对主轴组件的基本要求

一、旋转精度
主轴的旋转精度：指的是装配后，在无载 荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或 刀具部位的径向和轴向跳动 旋转精度取决于：主轴、轴承、壳体孔等 的制造、装配和调整精度；




三、抗振性

主轴组件的振动会影响工件表面质量，刀 具的耐用度和主轴轴承的寿命，产生噪音
影响因素：主轴组件的静刚度、质量分布、 和阻尼（特别是前轴承的阻尼）



四、温升和热变形
温升产生热变形，使主轴伸长，轴承间隙 发生变化，主轴箱的热变形使主轴偏离正 确位置，前后轴承温度不同，使主轴倾斜 温升还可使润滑油粘度下降



节流器分类： ⑴固定节流器 固定节流器是一个固定的液阻，在一定流 量下产生一定的压降，相当于一个固定的 节流阀。常用的有小孔节流器和毛细管节 流器两种 ⑵可变节流器
可变节流器的液阻可以随油腔的压强变化 而变化，常见的有薄膜节流器和滑阀节流 器


间隙的调整：
静压轴承的间隙只影响润滑油的流量，对 承载能力影响很小，因此静压轴承可以不 必调整间隙 液体静压轴承已经系列化了，且已经有了 推力、球面、锥面、双锥面的静压轴承。
三、轴承的刚度


四、滚动轴承的预紧
预紧：使轴承滚动体与滚道之间产生一定 的过盈量（负间隙） 适当预紧可以提高轴承的精度和寿命，同 时也可提高轴承的刚度



主轴轴承预紧有径向预紧和轴向预紧两种 径向预紧用于双列圆柱滚子轴承
轴向预紧用于圆锥滚子轴承、角接触球轴 承、推力轴承等




c、推力轴承影响旋转精度（轴向跳动）的 是“轴承滚道对底面厚度的变化量” Si d、角接触球轴承和圆锥滚子轴承，既有 K ia和Kea外，还有影响轴向精度的“成套 轴承内圈端面对滚道的跳动” Sia 上述指标是选择轴承精度的依据 见表10-1、10-2




主轴前、后轴承的精度（误差）对主轴旋转精度 的影响是不同的 如下图所示：

2、活动多油楔轴承





这种轴承由三块或五块瓦组成，轴瓦包角 为60°，长径比 L/D=0.75 轴瓦由球头螺钉支承，可以稍稍摆动 瓦块的压力中心 O 距出口的距离 b0 约等于 瓦块宽度 B 的0.4倍 轴瓦除了径向摆动外，也可轴向摆动 轴瓦与球头螺钉接触面积要大于 80% 以保 证接触刚度 轴承间隙靠螺钉调整 缺点是综合刚度低于固定多油楔轴承


一般机床的主轴轴承以磨损降低精度为失 效的依据


七、两支承组件的轴承配置
主轴支承的选型、组合、布置，主要根据所 设计主轴组件对承载能力、转速、刚度以及 精度等方面的要求确定 起止推作用的轴承的布置有三种方式 a、前端定位： 主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度， 但前支承结构复杂，发热量大，轴承间隙调 整不便 b、后端定位： 与前端定位的特点相反








c、两端定位： 支承处的结构都不是很复杂，但主轴受热 伸长后，轴承轴向间隙的改变较大，若止 推轴承布置在径向轴承内侧，主轴可能因 热膨胀而弯曲


八、三支承主轴组件 采用三支承的主轴，其中一个支承起辅助 支承作用 辅助支承的轴承具有较大的游隙（0.03-0.07） 通常采用向心球轴承或圆柱滚子轴承



1、轴颈A、B的圆度 轴颈A、B的圆心连线是主轴的中心线，是 测量基准 查公差表：A为0.003 B为0.0025
2、莫氏锥孔和A、B面的锥度 用标准锥度规靠涂色法检查接触率≥70% 3、莫氏锥孔对A、B面的径向跳动 主轴组件装配后，在锥孔内插入标准验棒



测量主轴端部，△1=0.01 △1/2=δ1=0.005 在300mm处， △2=0.02 故△2/2=δ2=0.01






安装齿轮等传动件部位，与前、后端轴颈 的同轴度公差，可取为略小于直径公差的 一半 超过600r/min的主轴，无配合的自由表面的 粗糙度不超过Ra=1.6μm 空心的高速主轴必须规定中空孔对前、后 轴颈的同轴度 当线速度超过 3m/s时，主轴组件应在装配 完毕状态下进行动平衡，平衡等级通常为 G1级



4、圆锥滚子轴承 特点： 既能承受径向载荷，又能承受轴向载荷 （双列的可承受双向的轴向载荷）






滚子数量大，刚度和承载能力均较大，但滚子大 端与内圈挡边之间是滑动摩擦，发热较多，故允 许的极限转速较低 法国Gamet公司研制的圆锥滚子轴承，滚动体是中 空的，易于冷却 间隙的调整： 单列的使内、外圈产生相对轴向位移 双列的修磨中间的隔套
位置可排在中间，也有设置在后端 三支承主轴的结构、工艺难度很大，三个 轴颈和三个支承座孔的同轴度要求很严







九、主轴的传动 1、主轴的传动方式 a、齿轮传动 b、皮带传动 c、内联原动机 2、传动件的布置 多数主轴组件的传动件直接装在主轴上的 布置方式： 轴向：尽量靠近支承处 径向：尽可能布置在第Ⅲ、Ⅳ象限



一、主轴滚动轴承的类型 主轴轴承应根据精度、刚度和转速选择 承载能力和疲劳寿命不是选择的主要指标



主轴常用的滚动轴承： 1、双列圆柱滚子轴承


型号：NN3000K(3182100) NNU4900K（4382900） 特点：内孔为 1:12 的锥 孔与主轴的锥形轴颈相配 合，只承受径向力 间隙的调整： 轴向移动内圈 适用场合： 载荷较大、刚度要求较高， 中等转速

5、深沟球轴承 特点：只能承受径向载荷，轴向载荷则由 配套的推力轴承承受 间隙的调整：一般不能调整间隙 主轴轴承常用轻系列、特轻系列和超轻系 列，以特轻系列为主。






二、轴承精度 主轴轴承的精度主要采用 P2、P4、P5 级 （B、C、D）相当于ISO 2、4、5 级 此外，又规定了SP级和UP级作为补充 结构对精度的影响： a、向心轴承用于切削力方向固定的主轴， 对径向旋转精度影响最大的是“成套轴承 的内圈径向跳动” Kia b、如用于切削力方向随主轴旋转而变化的 主轴，对轴承径向旋转精度影响最大的是 “成套轴承的外圈径向跳动” Kea







2、双向推力角接触球轴承 型号：234400（2268100） 特点：可承受双向的轴向载荷 它与双列圆柱滚子轴承配套使用
间隙的调整： 修磨隔套 3 公称外径与同孔径的双列圆柱滚子轴承 相同，但外径公差带在零线的下方 接触角α =60° 瑞典SKF α =40° BTAB系列 日本NSK 单向推力角接触球轴承 α =30° 的BA10X系列； α =40° 的 BT10X系列