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主轴组件设计资料(全)

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主轴组件的计算资料重点

主轴组件的计算资料重点

主轴组件的计算资料重点关键信息项：1、主轴类型2、主轴材料3、主轴尺寸参数4、载荷分析方法5、强度计算方式6、刚度计算方式7、精度要求8、转速范围9、发热与冷却措施10、装配与安装要求1、引言本协议旨在明确主轴组件计算资料的重点内容，为相关设计和分析工作提供准确、全面的指导。

11 协议的目的确保主轴组件的设计和计算符合特定的性能要求和工程标准。

111 适用范围适用于各类机械设备中的主轴组件计算。

2、主轴类型详细阐述不同类型的主轴，如圆柱形主轴、圆锥形主轴等，并说明其特点和适用场景。

21 按结构分类介绍不同结构形式的主轴，如实心主轴、空心主轴等。

211 按用途分类区分用于车床、铣床、磨床等不同机床的主轴特点。

3、主轴材料列举常用的主轴材料，包括其性能特点、优缺点。

31 钢材如 45 钢、40Cr 等的特性和适用情况。

311 合金材料如高速钢、硬质合金等在主轴中的应用。

4、主轴尺寸参数明确主轴直径、长度、轴肩尺寸等关键参数的确定方法。

41 直径计算基于承载能力和转速要求的计算方法。

411 长度确定考虑安装空间、传动部件布局等因素。

5、载荷分析方法介绍如何准确分析作用在主轴上的各种载荷，包括径向载荷、轴向载荷等。

51 静载荷分析计算静态工作条件下的载荷大小。

511 动载荷分析考虑运动过程中的冲击、振动等动态因素。

6、强度计算方式阐述主轴强度计算的理论和方法。

61 弯曲强度计算给出具体的计算公式和参数选取原则。

611 扭转强度计算说明相关计算要点。

7、刚度计算方式解释主轴刚度的计算思路和重要性。

71 径向刚度计算分析影响径向刚度的因素。

711 轴向刚度计算介绍轴向刚度的计算方法。

8、精度要求规定主轴的几何精度、位置精度等要求。

81 跳动公差明确径向跳动、轴向跳动的允许值。

811 配合公差说明主轴与相关部件配合的精度要求。

9、转速范围确定主轴的工作转速范围及其对设计的影响。

91 最高转速限制考虑材料强度、动平衡等因素。

第5章 主轴组件设计

第5章 主轴组件设计
主轴常用的材料及热处理要求
第5章 主轴组件设计
5.2.4 主轴主要精度指标 主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴设计的技 术要求主要包括主轴各配合表面的尺寸公差、形位公差、表面粗 糙度、表面硬度等内容，并应在主轴零件图上标注准确、合理。 ① 前支承轴承轴颈的同轴度约5μm左右。
② 轴承轴颈需按轴承内孔―实际尺寸‖配磨，过盈量为1~5μm。
③ 锥孔与轴承轴颈的同轴度为3~5μm，与锥面的接触面积不小于 80%，且大端接触较好。 ④ 装NN3000K 型调心圆柱滚子轴承的1:12锥面，与轴承内圈接 触面积不小于85%。
第5章 主轴组件设计
5.3 主轴内部刀具自动夹紧机构
加工中心主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具功能。刀具自动夹紧
机构安装在主轴内部，刀柄l由卡爪2夹持，碟形弹簧5通过拉杆4、卡爪2， 在内套3的作用下将刀柄拉钉拉紧。换刀时，要求松开刀柄，此时将主 轴上端汽缸的上腔通压缩空气，活塞7带动压杆8及拉杆4向下移动，同 时压缩碟形弹簧5，当拉杆4下移到使抓刀爪2的下端移出内套3时，卡爪
作性能。常用的主轴轴承有滚动轴承和滑动轴承。
第5章 主轴组件设计
相对于滑动轴承，滚动轴承有以下优点：
在转速和载荷变化很大的情况下滚动轴承仍能稳定工作，而动压滑动
轴承在低速时难以形成具有足够压力的油膜； 滚动轴承能在零间隙，甚至负间隙（预紧到有一定过盈量）的条件下 工作，对提高旋转精度和刚度有利，而滑动轴承则必须有一定间隙才能 正常工作； 滚动摩擦系数小，发热少； 滚动轴承容易润滑，可以用脂润滑，装填一次用到修理时才更换，若 用油时所需油量也远比滑动轴承小；
用于刀具的周向定位。
第5章 主轴组件设计
a)车床；b)铣床和加工中心；c)外圆磨床；d)内圆磨床； e)钻、镗床；f)组合机床 主轴端部结构

第五章主轴组件设计

第五章主轴组件设计
主轴的结构型式及尺寸 轴承的类型、配置及预紧 传动件的布置方式 主轴组件的制造与装配质量

3．抗振性
主轴组件的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。 主轴组件的振动会影响工件的表面质 量、刀具的耐用度和主轴轴承的寿命， 还会产生噪声而影响工作环境。

主轴组件的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。 热变形可在主轴组件运转一段时间后因 发热而造成的各部分位置变化来度量， 也可以用温升近似地表示。 主轴组件的热变形会使主轴伸长，使轴 承的间隙发生变化，轴心位置偏移等； 润滑油温度升高后，使黏度下降，从而 降低轴承的承载能力。
3.双列圆锥滚子轴承
有一个公用外圈和两个内圈，外圈的凸 肩靠住箱体或主轴套筒的端面，实现轴 向定位，用法兰压紧另一端面。凸肩上 还有缺口，插入螺钉防止外圈转动。修 磨中间隔套可以调整间隙或预紧。 既可承受径向载荷，又可承受双向轴向 载荷，承载能力和刚度都较大，并且结 构简单，适用于中低速、中等以上载荷 的主轴组件前支承
1．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测得的 径向圆跳动、端面圆跳动和轴向窜动值 的大小。 主轴组件的旋转精度是在静态无载条件 下测出的。如果在工作条件下，则旋转 精度就会有所不同，这种精度称为运动 精度，是动态的旋转精度。

主轴组件的旋转精度
轴承精度和间隙 与轴承相配合零件（箱体、主轴本身） 的精度 轴承安装、调整 主轴转速 轴承组合设计 轴承的性能
机械制造装备设计
第3节 主轴组件设 计
3.1主轴组件的基本要求 3.2主轴轴承的选择与配置

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。

第9章 主轴组件设计

第9章 主轴组件设计
这种轴承具有径向尺寸较小、 这种轴承具有径向尺寸较小、 制造精度较高、承载能力较大、 制造精度较高、承载能力较大、 静刚度好以及允许的转速高等优 点，并能够调整轴承的径向间隙， 并能够调整轴承的径向间隙， 因此在机床主轴组件上得到广泛应用。 因此在机床主轴组件上得到广泛应用。
2 .60°接触角双向推力向心球轴承 这种轴承的优点是制造精度高， 这种轴承的优点是制造精度高， 允许转速高，温升较低， 允许转速高，温升较低，抗振性高 于推力球轴承8000型，装配调整简 型 于推力球轴承 单，精度稳定可靠。与双列圆柱滚 精度稳定可靠。 子轴承相配套，用于承受轴向载荷。 子轴承相配套，用于承受轴向载荷。 3.单列圆锥滚子轴承 普通单列圆锥滚子轴承（7000型），能同时承受径向和轴向载荷， 普通单列圆锥滚子轴承（7000型），能同时承受径向和轴向载荷，承载 能同时承受径向和轴向载荷 能力和刚度较高，价格便宜，支承简单，间隙调整方便。可用于中速、中载、 能力和刚度较高，价格便宜，支承简单，间隙调整方便。可用于中速、中载、 一般精度的主轴组件。 一般精度的主轴组件。 4.双列圆锥滚子轴承 通双列圆锥滚子轴承（2697100型 通双列圆锥滚子轴承（2697100型）能够同时承受径向载荷和双向轴向载 承载能力、刚度及抗振能力较高，适用于中速、径向载荷大， 荷，承载能力、刚度及抗振能力较高，适用于中速、径向载荷大，轴向载荷 中等、一般精度的机床主轴组件。 中等、一般精度的机床主轴组件。 此外，角接触球轴承、单向推力球轴承、滚针轴承及滚锥轴承等， 此外，角接触球轴承、单向推力球轴承、滚针轴承及滚锥轴承等，可根 据结构选取。 据结构选取。
∆α 端面跳动∆α 轴向窜动∆o ∆r 径向跳动∆r ∆o
2.刚度 刚度：是指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力。 刚度：是指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产 生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示， 生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示， 比值越大，说明刚度越好。 比值越大，说明刚度越好。如图所示 F／ 微米） K= F／δ（牛/微米）

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 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

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；

第10章 主轴组件

第10章 主轴组件

机械制造装备设计 7
• 工艺上：便于制造、装配、调整和维修。
• 在使用上：有与机床相匹配的旋转精度、 刚度、动态和热态特性、耐磨性等要求。
机械制造装备设计 8
第一节 主轴组件的基本要求
机械制造装备设计 9
一、总 要 求
各类机床的主轴组件都要保证主轴在一 定的载荷与转速下能带动工件或刀具精确 而可靠地绕其旋转中心线旋转并能在其额 定寿命期内稳定地保持这种性能。
• 影响被加工零件的几何精度和表面粗糙 度 • 取决于部件中各主要件如主轴、轴承等 的制造精度和装配、调整精度。 • 运动精度：当主轴以工作速度旋转时， 主轴回转轴线的漂移 • 运动精度还取决于主轴的转速、轴承的 设计和性能以及主轴组件的动态特性。
机械制造装备设计 13
三、静刚度
• 主轴组件静刚度——主轴刚度。 • 指主轴抵抗外力引起变形的能力。 • 在主轴工作前端施加一个作用力下时，F 与主轴在F作用方向上所产生的变形Y之 比，即： K= F/Y(单位为 N/μm)。
机械制造装备设计 24
六、耐磨性
• 指其长期保持原始精度的能力，即精度 的保持性
• 磨损后对精度有影响的部位首先是轴承。
• 其次是安装夹具、刀具或工件的定位面 和锥孔, 还有如钻、镗床的移动式主轴的 内、外导向表面等。
机械制造装备设计 25
• 为了提高耐磨性，要正确地选择主轴和 滑动轴承的材料及其热处理方法。 • 一般机床上的上述部位都必须经过热处 理，使之具有一定的硬度。 • 要合理调整轴承间隙，保证良好的润滑 和可靠的密封。
机械制造装备设计 32
• 转动调整螺母4，推动内隔套3和内圈(修 磨量出厂时已配好)，可以预紧前轴承， 用锁紧螺母5及柱销防止调整螺母4回松， 不影响主轴的精度。 • V形带轮在主轴尾部悬伸端，后支承的径 向载荷较大，故采用双列圆柱滚子轴承 (SP级精度)。

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

机床主轴组件设计介绍

机床主轴组件设计介绍

主轴组件基本要求
■ 旋转精度 ■ 刚度 ■ 抗振性 ■ 热稳定性 ■ 耐磨性
主轴组件基本要求
■ 旋转精度 ■ 刚度 ■ 抗振性 ■ 热稳定性 ■ 耐磨性
径向跳动 轴向跳动
冲击力，交变力 硬度不均匀 加工余量变化 静刚度、质量分布 、阻尼 评价指标 低阶固有频率与振型
主轴组件基本要求
■ 旋转精度 ■ 刚度 ■ 抗振性 ■ 热稳定性 ■ 耐磨性
· 外径—D0 ·孔径— d ·悬伸量— a ·支撑跨距— L
重点掌握
■ 主轴组件的组成及功能 ■ 主轴滚动轴承配置 ■ 主轴滚动轴承精度及选配 ■ 主轴滚动轴承间隙调整 ■ 主轴结构尺寸计算
需要主轴具有分度运动功能
C轴功能示意
C轴传动系统
机床主轴组件设计
主要内容
■ 主轴组件的组成及功能 ■ 主轴组件基本要求 ■ 主轴传动件 ■ 主轴滚动支撑 ■ 主轴组件结构尺寸
主轴组件的组成及功能
■ 主轴组件由主轴、主轴轴承、传动件和定 位件等部分组成。
■ 主轴组件的功用是：缩小主运动的传动误 差并将运动传递给工件或刀具进行切削； 同时承受切削力和传动力等载荷。
构要求
■ 传动件布置
数控铣床主轴箱
主轴滚动支撑
■ 主轴常用滚动轴承的结构特点
· 角接触球轴承 · 双列短圆柱滚子轴承 · 圆锥滚子轴承 · 推力轴承 · 双向推力角接触轴承 · 陶瓷滚动轴承 · 磁浮轴承
角接触球轴承
双列圆柱滚子轴承
双向推力角接触球轴承
■ 主轴滚动轴承选择 ■ 主轴滚动轴承配置
· 径向轴承配置 · 推力轴承配置
■ 前端定位 ■ 后端定位 ■ 两端定位
· 三支撑配置
前端定位
■ 主轴滚动轴承精度及选配

数控车床主轴组件设计

数控车床主轴组件设计

数控车床主轴组件设计数控车床主轴组件是数控机床中最基本、最重要的部件之一。

其主要作用是将旋转电机的动力转化为刀具的相对运动。

主轴组件的设计质量直接影响到机床的加工精度、切削效率和使用寿命。

因此，在数控车床的设计中，主轴组件的设计显得尤为重要。

本文将从设计要求、主要结构、材料选用、加工工艺等方面详细阐述数控车床主轴组件的设计。

一、设计要求在数控车床主轴组件设计过程中，需要考虑以下一些因素：1. 总体尺寸：根据数控车床的使用场景，确定主轴组件的长度、直径等尺寸，并保证其能够安装到机床上并协调运动。

2. 刚性要求：数控车床需要进行高精度的加工，因此主轴组件的刚性需要足够高，能够承受切削力和切削热等负载，保证刀具的精度和寿命。

3. 精度要求：主轴组件的精度取决于各个部件的加工质量和装配精度。

不同的加工要求对主轴组件精度的要求不尽相同，因此在设计过程中需要根据实际需求设定相应的精度标准。

4. 特殊要求：根据数控车床的特殊加工要求，主轴组件可能还需要具备高温抗性、低噪音、低振动、耐腐蚀等特殊性能，因此需要针对实际需求进行定制化设计。

二、主要结构数控车床主轴组件主要由主轴箱、主轴、轴承、传动装置、调速装置和夹具等组成。

1. 主轴箱：主要承载整个主轴组件，并连接到车床上。

主轴箱需要具备足够的刚性和稳定性，防止在高速运转时产生振动和因热膨胀引起的变形。

2. 主轴：作为主轴组件的核心部件，需要具备高强度、高精度和高刚性。

通常采用高强度钢材或工程塑料材料制造，以确保其能承受高速运转和不同方向向心力的作用。

3. 轴承：轴承承受主轴的径向和轴向力，并保证主轴组件的转动平稳和精度稳定。

常用的轴承有滚动轴承和滑动轴承两种，选择时需要根据应用场景和对精度的要求进行综合考虑。

4. 传动装置：传动装置将电动机的旋转动力传递到主轴上，通常采用皮带传动、齿轮传动和磁力传动三种方式。

5. 调速装置：调速装置是保证数控车床能够满足不同加工需要的关键部分。

立式数控铣床主轴部件的设计PPT课件

立式数控铣床主轴部件的设计PPT课件

主电机传来的运 动由齿轮⑭经双键， 套筒（23）和双键 带动主轴转动。齿 轮⑭安装在套筒 （23）上，而且套 筒（23）由一对向 心球轴承支承在箱 体上，使主轴得到 卸荷（即主轴只传 递扭矩），这样减 少了主轴变形，提 高了主轴工作性能。
整个主轴部件装在长
套筒中，转动手轮经过 锥齿轮，使丝杠转动， 通过螺母⑪带动套筒 （23）作轴向调整，调 整后将套筒（23）夹紧。
接触角为 90°，因此承受轴向力能力高，但允许极限转速低，且容易发热。
XK5040立式铣床就是用的双列圆柱滚 子轴承、双向推力角接触球轴承及角接 触球轴承
二、轴承配置
轴承配置是根据机床用途、主轴的工作条件（载荷大小及方向、 转速等）以及所要求的工作性能来确定的。
对于铣床主轴轴承，主张采用两支点配置，两支点结构简单、制 造方便、经济效果好，但要求主轴单件应有足够的刚度。三支点主轴 工艺性差， 三孔同轴度很难保证，主轴温升也高，在刚度允许的情 况下尽可能不采用三支点结构。如果主轴刚度不足可采用两支点为主 要支承，第三点为辅助支承，辅助支承可放在中间或后边，采用这种 结构要求有较大的游隙，一般在 0.03~0.07 之间，只有当载荷较大 主轴产生弯曲时辅助支承才起作用，这样可以弥补主轴刚度不足，也 可以减少温升。
主轴悬伸量a
主轴悬伸量（又称悬伸长度）是指主轴前端至前支承点的 距离，它的大小对主轴组件的刚度和抗振性有显著影响。 悬伸量小，轴端位移就小，刚度得到提高。
主轴悬伸量的大小往往受结构限制，主要取决于主轴端部 的结构型式及尺寸、刀具或夹具的安装方式、前轴承的类 型及配置、润滑与密封装置的结构尺寸等。
主轴抗振性
主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳的 运转而不发生振动的能力。主轴组件抗振性及在必要时 安装阻尼（消振）器。另外，使主轴固有频率远远大于激 振力的频率。
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静态刚度
• 主轴组件的静态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。数控机床多采用抗弯刚度作为衡量主 轴组件刚度的指标。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向
上所施加的作用力大小来表示。
主轴刚度K=F/Y(N/Km)
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抗振性
• 抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。 有时也把抵抗受迫振动的能力称为动刚度，此时，抗振性 仅指抵抗自激振动的能力。若主轴组件抗振性差，工作时 容易产生振动，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产 率的提高，使刀具耐用度下降。 • 主要影响因素:部件的静态刚度、质量分布和阻尼，特别 是主轴前轴承的阻尼。设计时，要使主轴的固有频率远大 于工作时的激振频率，使之不易发生共振。
（2）摩擦力大，阻尼小； （3）径向尺寸大
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
（1）双列圆柱 滚子轴承 （2）双列推力 角接触球轴承
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
（3）角接 触球轴承
二、主轴滚动轴承（续）
2、主轴滚动轴承的类型选择
角接触 球轴承 组合
二、主轴滚动轴承（续）
五、主轴主要尺寸参数的确定（略）
主轴部件设计
• 基本要求
– 旋转精度和运动精度 – 刚度
– 抗振性
– 温升和热变形(热稳定性 ) – 精度保持性
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旋转精度和运动精度
• 旋转精度:指装配后的部件在无载或低速转动条件下，主轴前端工作部 位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。主轴组件的旋转精度直 接影响机床的加工精度。 • 运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低 速状态的旋转精度有较大差别，它表现在工作时主轴回转中心位置的 不断变化，即“主轴轴心漂移”现象。 • 旋转精度主要取决于主轴及其轴承的制造、装配、调整的精度；运动 状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平 衡等因素。
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精度保持性
• 主轴系统必须有足够的耐磨性，以便能长期 保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工
件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。
为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬， 或者经过氮化处理，以提高其硬度增加耐磨
性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐
磨性。
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主轴部件的传动方式
• Байду номын сангаас轮传动
– 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。
• • • • • • • • • • • • • • • • •
本ppt文档包含以下内容:(本ppt借鉴了许多老师成果) 主传动系统方案的选择确定 主轴组件设计计算 一、主轴组件设计要求 二、主轴组件结构尺寸及材料确定 主轴前后直径d1、d2的确定 主轴内孔直径d的确定 主轴悬伸量a的确定 主轴轴承支撑跨距L的确定 主轴端部结构尺寸的确定 主轴材料选择 三、主轴组件轴承选择设计计算 （一 ）主轴组件轴承类型的选择 （二）主轴组件轴承配置的选择 （三）主轴组件轴承的精度 （四）主轴组件轴承的润滑与密封 （五）主轴组件轴承预紧和间隙调整
• 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。
• 电动机直接驱动方式
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电动机直接驱动方式
高速内圆磨床电主轴
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主轴部件结构设计
推 力 轴 承 位 置 配 置 型 式
a)前端配置b)中间配置c）后端配置d), e)两端配置
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推力轴承位置配置型式
• 前端配置 前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不 影响轴向精度，对提高主轴部件刚度有利。用于轴向精度和刚度要求较 高的高精度机床或数控机床。 后端配置 前支承处轴承较少，发热小，温升低；但是主轴受热后向前伸长，影 响轴向精度。用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车 床等。 两端配置 当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。为避免松动，可用弹 簧消除间隙和补偿热膨胀。常用于短主轴，如组合机床主轴。 中间配置 可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复 杂，温升也可能较高。
主轴组件设计
一、主轴组件应满足的基本要求
1、旋转精度
2、静刚度
3、动刚度 4、温升与热变形 5、精度保持性
主轴组件设计
二、主轴滚动轴承
1、轴承的特点 优点：（1）足够的刚度、高旋转精度、变转速和变载荷
下工作平稳；
（2）质量稳定、成本低、经济性好；
（3）容易润滑。
缺点：（1）旋转中径向刚度变化大；
双列圆锥滚子轴承 1,4一内圈；2一外圈；3一隔套
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滚动轴承配置
• 配置形式：速度型、高刚度型和刚度速度型
主轴支承的配置—速度型
(a)前、后支承均采用双联角接触球轴承，该配置适用于高速、高精度、 中等负载的数控车床。 (b) 采用三联或四联角接触球轴承，后支承用双联角接 触球轴承，适用于高速、高精度和较高负载要求的数控机床。
三、主轴
1、结构及材质选择
结构：空心阶梯轴 材料：淬火钢或渗碳淬火钢，高频淬硬。
2、技术要求(略)
三、主轴
2、技术要求
四、主轴组件
1、传动方式
（1）带 传 动：结构简单，中心距调整方便， 噪声低，平稳，适于高速。（V带、多楔带和 同步带）
（2）齿轮传动：传递大扭矩，结构紧凑，适合 于变速传动。 （3）电机直接驱动：异步电机+连轴器、变频 调速电机、电主轴等形式。
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主轴
• 主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构形状和尺寸、 制造精度、材料及其热处理，对主轴组件的工作性能都有 很大影响。 • 主轴的结构形状 :主轴通常是一个前粗后细的阶梯轴，即 轴径尺寸从前轴颈起，向后逐渐缩小。这样的结构，是为 了适应主轴各段承受的不同载荷，以满足刚度要求，同时 也为其上的多个零件提供足够的安装、定位及止推面，同 时也有利于加工和装配。
2、主轴滚动轴承的类型选择
（4）双 列圆锥 滚子轴 承
二、主轴滚动轴承（续）
3、轴承的精度选择
应采用P2、P4、P5级和SP、UP级
（1）切削力方向固定不变的主轴，旋转精度决定于轴 承内圈径向跳动。 （2）切削力方向随主轴旋转同步变化的主轴，旋转精 度决定于外圈径向跳动。 （3）前轴承的精度对主轴的影响较大，前轴承的精度 应比后轴承高一级。（理论证明略）
小于85%。
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主轴部件中的轴承
• 滚动轴承
• 液体动压轴承
• 液体静压轴承
• 空气静压轴承
• 磁浮轴承
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主轴的滚动轴承
• 角接触球轴承：既可以承受径向载荷，又可承受轴向载 荷。常用的接触角有两种：α=25°和α=15°。
角接触球轴承
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角接触球轴承
• 角接触球轴承多用于高速主轴。随接触角的不 同有所区别，α=25°的轴向刚度较高，但径向 刚度和允许的转速略低，应用较多；α=15°的 转速可更高些，但轴向刚度较低，常用于不承 受轴向载荷的主轴的后轴承。 • 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。
双列圆柱滚子轴承
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圆锥滚子轴承
修磨隔套3的厚度来调整间隙或预紧。 外圈有轴肩，一端抵住箱体或主轴套筒的 端面，另一端用法兰压紧，以实现轴向定 位。因此，箱体孔可做成通孔，便于加工。 既可以承受径向载荷，又可以承受双 向轴向载荷。由于滚子数量多，承载能力 和刚度都高，轴承制造精度较高，适用于 中低速、中等以上载荷的机床主轴的前支 承。但设计选用时，应考虑给予充分的润 滑和冷却条件．
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温升和热变形(热稳定性 )
• 温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体 因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对 位置会发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件 会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件， 影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生“抱轴”。 • 提高主轴组件热稳定性的主要措施是减少发热、加快散热、 隔离热源以及采用尽可能合理的结构设计，以使热变形能 得到补偿和对加工的影响最小。
二、主轴滚动轴承（续）
3、轴承的精度选择
应采用P2、P4、P5级和SP、UP级
（3）前轴承的精度对 主轴的影响较大，前轴 承的精度应比后轴承高 一级 a (1 )
1
a 2 b l
a 1 (1 ) a l
l
a
二、主轴滚动轴承（续）
4、轴承刚度
滚动轴承的刚度随载荷的增加而增大。 线接触轴承的刚度可忽略预紧载荷；点接触 轴承，计算刚度时应考虑预紧力。
四、主轴组件
2、传动件的布置
（1）带轮通常安装在后支承的外侧 （2）齿轮位于两支承之间则尽量使大齿轮靠近前 支承
（3）齿轮位于后支承外侧
（4）齿轮外增设辅助支承
四、主轴组件
3、主轴的轴向定位
（1）前端定位：适于轴 向精度和刚度高的高精度 机床合数控机床； （2）后端定位：适于轴 向精度不高的普通机床， 卧车、立铣等； （3）两端定位：用于短 主轴或轴向间隙变化不影 响工作的机床，如钻床、 组合机床等。
38CrMoAlA，并经氮化处理。
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主轴主要精度指标
• 前支承轴颈的同轴度约5 μm左右；轴承轴颈 需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且须保证
配合过盈1～5μm；锥孔与轴承轴颈的同轴度