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第2章数控机床的典型结构与部件2.1 数控机床的结构特点及要求2.1.1数控机床的结构特点由于数控机床的控制方式和使用特点，使数控机床与普通机床在机械传动和结构上有显著的不同，其特点有：（1）采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，机械传动结构大为简化，传动链缩短。
（2）采用刚度和抗振性较好的机床新结构，如动静压轴承的主轴部件、钢板焊接结构的支承件等。
（3）采用在效率、刚度、精度等各方面较优良的传动元件，如滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆副以及塑料滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等。
（4）采用多主轴、多刀架结构以及刀具与工件的自动夹紧装置、自动换刀装置和自动排屑、自动润滑冷却装置等，以改善劳动条件、提高生产率。
（5）采取减小机床热变形的措施，保证机床的精度稳定，获得可靠的加工质量。
2.1.2数控机床的结构要求及措施1．提高机床的静、动刚度在数控机床加工过程中，加工精度除了取决于数控系统，还取决于数控机床本身的精度。
而由机床床身、导轨工作台、刀架和主轴箱的几何精度和变形所产生的误差取决于它们的结构刚度，并且这些误差在加工过程不能进行人为的调整和补偿。
因此，必须把移动件的重量和切削力引起的弹性变形控制在最小限度之内，以保证加工精度和表面质量。
为了提高机床的静刚度，在机床结构上常采用以下措施。
1）为提高机床主轴的刚度，常采用三支承结构，并且选用刚性好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。
2）为提高机床整体的刚度，常采用筋板结构。
表2-1给出了方形截面立柱在加筋前后的静刚度比值。
从表中可以看出，加筋板后相对弯曲刚度和扭转刚度均提高。
表2-1 方形截面立柱加筋前后的静刚度比值加筋形式相对质量相对弯曲刚度相对扭曲刚度1 1 11.24 1.17 1.381.34 1.21 8.861.63 1.32 17.73）在大型数控机床中，移动载荷对机床边形有较大的影响。
常采用液压平衡和重快平衡来减少构件的变形，如图2-1所示，利用重块有效地减小主轴箱左右移动对横梁变形的影响。
项目三机械传动装置及零部件课题一主轴传动装置及零部件任务一认识数控机床主轴零部件【课题名称】轴的类型、材料和结构【教学目标与要求】一、知识目标1）了解轴的类型和常用材料。
2）熟悉轴上零件的定位和固定方法及轴的结构工艺性。
二、能力目标1）能正确选择轴的材料。
2）能正确选择轴上零件的定位和固定方法。
三、素质目标1）了解轴的功用、类型和常用材料。
2）熟悉轴上各段的名称及其用途。
四、教学要求1）了解轴的分类及常用材料。
2）熟悉轴的各部分名称、轴上零件的周向与轴向定位和固定方法。
3）了解轴的结构工艺性。
【教学重点】轴的常用材料及轴上零件的轴向定位方法。
【难点分析】轴上零件的轴向定位方法的选择。
【分析学生】由于学生的识图水平所限，对轴的装配图要给予熟悉认识的过程。
轴上零件的轴向定位方法很多，各有特点，但学生由于缺少实践经验，不能理解如何正确选择合理的轴向定位，需要耐心讲解。
【教学思路设计】先读懂装配图，后作仔细的说明，比较各种固定方法的优点。
【教学安排】2学时（90分钟）【教学过程】轴是机械传动中非常重要的零件，起到支承轴上零件并一起传递运动和动力的作用。
一、轴的类型和材料1）类型按承受载荷的变形情况分为转轴、心轴和传动轴三种；按外形可分为直轴和曲轴。
2）轴的材料轴的功能决定了轴必须具有一定的强度和刚度才能正常工作，所以选用碳含量适中的碳素钢和合金钢，以45钢和40Cr 最为常用。
为了提高轴的力学性能，使用前要作热处理，特别是合金钢，只有经过热处理后，才能发挥其优势。
由于球磨铸铁的吸振性和耐磨性较好，也应用于制造内燃机的曲轴。
二、轴的结构轴上各段名称为：与轴承相配合处称为轴颈，与轴上零件配合处称为轴头，连接轴头和轴颈处称为轴身。
除了与轴上零件相配合处的尺寸要相匹配外，其余轴身部分尽可能按照标准直径系列来选择。
应用最多的轴为阶梯轴，这是从方便安装和轴上零件的定位与固定的角度来考虑的。
1. 轴上零件的定位和固定1）轴向定位和固定轴上零件必须有准确可靠的轴向定位来保证零件安全运转，轴向定位的方法有很多，常用轴肩或轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈，也可采用弹性挡圈和紧固螺钉。
任务1认识CA6140型车床的结构CA6140型车床是一种常见的数控车床，广泛应用于机械加工领域。
其结构包括床身、主轴、刀架、进给装置等部分。
首先，床身是整个车床的基础部分，它通常由铸铁材料制成，具有坚固耐用的特点。
床身上分为工作台、床面和床腿等部分。
工作台是用来安装工件和刀具的平台，通常采用矩形或矩形开槽的结构。
床面是用来支撑工作台和刀架的平面，在其上面有一些坐标、度盘和螺纹测量等结构。
床腿是用来支撑整个床身的立柱，通常有压铸或焊接成型。
主轴是车床的核心部分，它通常由主轴箱、主轴和主轴驱动装置组成。
主轴箱位于床身的中央或一侧，用来支撑和旋转主轴。
主轴通常由高强度合金钢制成，经过精密热处理和研磨加工，具有较高的强度和抗磨损性能。
主轴驱动装置通常采用变频电机驱动，可以实现主轴的正、反转、快、慢等不同的运行速度和方向。
刀架是用来安装和调整刀具的部分，常见的有横刀架和纵刀架。
横刀架是用来安装刀具的横向移动装置，通常由横向导轨、滑块、刀位和进给装置等组成。
纵刀架是用来安装刀具的纵向移动装置，通常由纵向导轨、滑块、刀架和进给装置等组成。
刀架的位置、角度和进给速度可以通过数控系统进行调整和控制，实现不同形状和精度的加工。
进给装置是用来控制工件在刀具上的运动方式，通常有横向进给、纵向进给和轴向进给等。
横向进给是用来控制工件在横向导轨上的运动，纵向进给是用来控制工件在纵向导轨上的运动，轴向进给是用来控制工件在主轴上的运动。
进给装置通常由伺服电机、滚珠丝杠和线性导轨等组成，可以实现高精度的工件移动和加工。
除了以上的部分，CA6140型车床还包括刀具卡盘、液压系统、冷却系统、数控系统等配套装置。
刀具卡盘用来安装和夹持刀具，在加工过程中保持刀具的位置和刚性。
液压系统用来提供机床的润滑和冷却液，保持机床的正常工作状态。
冷却系统用来提供冷却液，降低工件和刀具的温度，减少摩擦和磨损。
数控系统用来控制机床的各个部分，实现自动加工和加工参数的调整。
数控机床主轴部件结构1.主轴箱体：主轴箱体是主轴部件的主要支撑部分，通常由铸铁或钢板焊接而成。
其主要功能是支撑主轴轴承和主轴电机，并提供刚性和稳定的工作环境。
主轴箱体通常有进给箱和冷却箱两个部分，进给箱用于传送动力和转矩到主轴，而冷却箱则用于散热和冷却主轴。
2.主轴轴承：主轴轴承用于支撑和定位主轴，使其能够高速旋转并承受工作负载。
根据不同的需求，主轴轴承可以分为滚动轴承和滑动轴承两种类型。
滚动轴承主要有角接触球轴承、圆锥滚子轴承和球面滚子轴承等；滑动轴承则有液体静压轴承和磁浮轴承等。
主轴轴承通常由高速钢或陶瓷制成，以提供低摩擦和高刚度的特性。
3.主轴电机：主轴电机用于提供主轴的驱动力和转矩。
根据不同的需求和机床类型，主轴电机可以采用交流电机、直流电机或伺服电机等。
交流电机通常具有较好的响应性和调速性能，而直流电机则提供更高的转矩和速度范围。
伺服电机则结合了交流电机和伺服控制系统，可实现更精确的位置和速度控制。
4.主轴夹头：主轴夹头用于夹持工件或刀具，使其与主轴保持刚性连接。
主轴夹头通常有机械夹头和液压夹头两种类型。
机械夹头通过螺纹、卡盘或夹具等机械结构实现夹紧，适用于一般的加工需求。
液压夹头则通过液压系统提供更高的夹紧力和精确的夹紧位置，适用于高精度加工和重负载切削。
除了以上主要部件，数控机床主轴还可能包括冷却系统、振动补偿系统、联轴器等。
冷却系统用于降低主轴温度，保证加工质量和主轴寿命；振动补偿系统用于抑制主轴振动，提高加工质量和效率；联轴器用于连接主轴电机和主轴轴承，传递动力和转矩。
总之，数控机床主轴部件结构的设计旨在实现稳定高速、高精度的加工要求。
不同的机床和加工需求可能会有不同的主轴结构和配置，但其核心目标都是提供高效的驱动力和承载能力，以满足工业生产的要求。
课题：认识数控车床主轴零部件——轴【课题】轴（高等教育出版社《数控加工机械基础》项目三课题一之任务一）【课时】1课时（45分钟）【内容简析】数控加工机械基础是中等职业学校机械专业的一门综合性基础课，在制造、维修、使用常用的机械设备和工程结构时，必须具备力学、材料、机构与机械零件的相关知识，这正是本课程的主要内容。
而本章介绍的机械零件的类型、结构、材料、标准以及选择方法，是我们了解机器、正确使用机器所必备的知识。
本节关于轴的相关知识是学习机械设计的基础，正确理解并掌握轴系零部件，也可以为今后的工作奠定专业基础。
【学情简析】针对职高学生的特点，学习基础相对较差，对理论学习普遍缺乏兴趣，但善于观察、喜欢动手操作，尤其是当课本上的知识与实际生活相联系时，他们会产生很浓厚的兴趣。
故本堂课是以学生为本，贯穿启发式教学方法和实例教学法，在生活实例与课本理论知识之间找到契合点，从而激发学生学习的兴趣。
【教学目标】知识目标：1、认识轴的作用；2、理解并掌握轴的类型；3、了解轴的结构特点。
能力目标：通过本次课的学习，能够正确区分各种类型的轴；并理解轴的结构设计。
情感目标：结合生产生活实际，让学生学会理论联系实际，学会在日常生活中观察思考问题，运用知识、深化知识的能力，从而为学生进一步学习职业岗位技术、形成职业能力打下基础。
【重点难点】重点：1.各种类型的轴的理解与判定；2.了解轴的结构。
难点：理解各种类型的轴，并能准确区分。
【重点、难点剖析】由于学生普遍缺乏实践经验，如何将书本上的理论知识与日常生活知识、实践相结合，让学生在实践中应用理论知识，是本节课的重点，也是难点。
【教学方法及策略】本节课采用案例教学法与启发式教学法相结合，以学生为主、教师引导展开教学，让学生从日常生活和实践中学会观察、学会总结，让实践与理论有机结合，从而有效突破重点与难点，达到教学目标。
【教学平台与资源】自制的多媒体课件、相关教学用具【教学过程】引导学生思考“原动机”与“执行部件”的中间介质是什么。
课题一认识数控机床主轴零部件任务一认识数控机床主轴零部件
应用实例
如图1所示是数控加工中心主轴照片，图2是其主轴。
图1数控加工中心（含主轴部分）
图2数控加工中心主轴图3数控车床中的主轴
一、轴
1 轴的分类及轴上零件的固定
(1)轴的分类
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。
轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。
根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。
按照轴的曲线形状，轴可以分为直轴、曲轴和软轴，如图4所示：
图4轴的分类
（2）轴上零件的固定
轴承在轴上和外壳孔内定位方式的选择，取决于作用在轴上负荷的大小和方向，轴
承的转速，轴承的类型，轴承在轴上的位置等。
轴承的轴向定位方式有圆螺母定位，弹性挡圈定位，紧定螺钉定位，锁紧挡圈定位，圆锥面定位，轴端挡圈定位。
如图5图所示：
图5轴承的轴向定位方式
轴承的周向定位方式有键连接，花键连接，销连接，无键连接，过盈连接。
如图6图所示：
图6轴承的周向定位方式
2 轴的加工工艺性
轴类零件加工工艺要求保证轴的尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度、表面粗糙度等。
此外，轴的加工还需要考虑轴的安装和定位，因此需要考虑加工出退刀槽、越程槽、键槽。
图7轴的加工工艺性
3 主轴端部的结构形状
主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在结构上，应能保证定位猴确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。
主轴端部的结构形状都已标准化。
几种机床上通用的结构形式。
车床主轴端部的结构形状和铣床主轴端部的结构形状图如图8所示。
图8主轴端部的结构形状
4 主轴结构常用材料
主轴结构常用材料如表1所示：
表1主轴结构常用材料
想一想
1.轴的作用是什么？对轴有哪些要求？
2.阶梯轴有哪些结构？
3.试述轴上零件的轴向固定方式及特点。
4.你所熟悉的要，机床上哪些零件是轴类零件？
二、滚动轴承
1 滚动轴承的基本结构
滚动轴承的基本结构包括内圈、外圈、一组滚动体和保持架。
此外，各种不同类型的轴承还有其它相应零件，如：铆钉、支销、防尘盖、密封圈、止动垫圈和紧定套等。
2 滚动轴承的主要类型及数控机床主轴常用轴承
（1）滚动轴承的类型
轴承按其滚动体的种类，分为球轴承和滚子轴承。
球轴承即为滚动体为球的轴承。
滚子轴承即为滚动体为滚子的轴承。
图9各类滚动轴承
滚子轴承按滚子种类，又分为：圆柱滚子轴承----滚动体是圆柱滚子的轴承，圆柱滚子的长度与直径之比小于或等于3 ；滚针轴承----滚动体是滚针的轴承，滚针的长度与直径之比大于3，但直径小于或等于5mm;圆锥滚子轴承----滚动体是圆锥滚子的轴承;调心滚子轴承一一滚动体是球面滚子的轴承。
各类轴承的公称接触角如图10所示。
图10各类轴承的公称接触角
（2）数控机床主轴常用滚动轴承
数控机床主轴常用轴承有锥孔双列圆柱滚子轴承、双列推力向心球轴承、双列圆锥滚子轴承。
如下表 2所示：
表 2数控机床主轴常用轴承
3 滚动轴承的固定方法
滚动轴承的固定方法如图 11所示：
图 11滚动轴承的固定方法
4 滚动轴承的装卸
（1）安装轴承
①安装前需将轴承的滚道、轴孔的油道清洗干净，需润滑的轴承应涂抹润滑油。
②安装不能将污物掉入轴承圈内，以免损伤滚动体及滚动面。
③按要求检查轴承内外圈的配合过盈量是否符合标准。
④安装使用专用工具，应在配合面较紧的座圈上加压，加力要均匀，以防轴承歪斜。
⑤当安装过盈较大的轴承时，不得猛烈敲击，应采用压力机或加热的方法进行装配。
⑥轴承安装后，应检查其端面与轴或座台肩支承面是否贴紧，转动是否灵活，有无卡滞现象。
（2）拆卸轴承
在拆卸滚动轴承前，应先检查确定拆卸方向，注意有无轴向定位装置。
从轴上拆卸轴承时，受力点应选在轴承的内圈上；从孔中拆卸时，受力点应选在轴承的外圈上，拆卸时用力要均匀，以防轴承歪斜。
5 滚动轴承的润滑与密封
轴承和轴、箱体直接接触，随着时间的推移，会产生磨损（见图12），会引起轴的运动精度，配合精度，支承方式等，因此轴承必须需要轮滑。
此外，若有硬物或者其他东西掉到轴承中，会引起轴承划伤，磨损等，轴承还需要防止润滑油泄露，因此轴承还需要密封。
图12摩损
（1）滚动轴承的润滑
滚动轴承可以采用的润滑方式有脂润滑和油润滑两种。
脂润滑常采用如图13旋盖式油脂杯作为润滑装置。
图13旋盖式油脂杯
润滑油润滑分为油浴润滑、连续油流润滑、断续油流润滑、滴油润滑、油雾润滑、油气润滑。
图14供油装置
（2）滚动轴承的密封
滚动轴承的密封分为接触式密封和非接触式密封。
非接触式密封可以避免轴承和轴的直接接触，但是密封效果不佳。
非接触式密封如表3所示：
表3滚动轴承的密封
接触式轴承在轴承盖内防止了软材料和转动轴直接接触而起密封作用。
接触式轴承的密封如图15所示：
图15接触式轴承的密封
想一想
1.滚动轴承主要由哪几部分组成？
2.按可承受的外载荷分，滚动轴承有哪几类？
3.滚动轴承内、外圈的轴向是如何固定的？
4.常用的润滑装置有哪些？
做一做
在教师的指导下完成滚动轴承的拆装实验。
三、滑动轴承
1 滑动轴承的分类
滑动轴承种类很多。
①按能承受载荷的方向可分为径向（向心）滑动轴承和推力（轴向）滑动轴承两类。
②按润滑剂种类可分为油润滑轴承、脂润滑轴承、水润滑轴承、气体轴承、固体润滑轴
承、磁流体轴承和电磁轴承7类。
③按润滑膜厚度可分为薄膜润滑轴承和厚膜润滑轴承两类。
④按轴瓦材料可分为青铜轴承、铸铁轴承、塑料轴承、宝石轴承、粉末冶金轴承、自润滑轴承和含油轴承等。
⑤按轴瓦结构可分为圆轴承、椭圆轴承、三油叶轴承、阶梯面轴承、可倾瓦轴承和箔轴承等。
2 滑动轴承的失效形式
滑动轴承的失效形式如表4所示：
表4滑动轴承的失效形式
失效实例如图16所示。
轴瓦磨损表面划伤疲劳点蚀
图16 失效实例
3 滑动轴承的材料
常用的滑动轴承材料有轴承合金（又叫巴氏合金或白合金）、耐磨铸铁、铜基和铝基合金、粉末冶金材料、塑料、橡胶、硬木和碳-石墨，聚四氟乙烯（特氟龙、PTFE）、改性聚甲醛（POM）等。
四、键与键连接
1．键连接的类型和应用实例
图17轴和齿轮之间用键进行连接键连接的类型和应用实例如下表所示：
表5键连接类型
型
型
型
2 普通平键和普通楔键的标准尺寸
普通平键和普通楔键的标准尺寸（单位为mm）如表6：
表6普通平键和普通楔键的标准尺寸
想一想
常用的键连接有哪些？
练一练
比较平键与楔键连接键的工作面。
五、螺纹连接
1．常用螺纹连接
常用的螺纹连接件有螺栓、双头螺栓、螺钉、螺母、垫圈。
如图18示：
图18常用的螺纹连接件
常用的螺纹类型有很多，按使用分，常用的有，紧固螺纹、传动螺纹、管螺纹。
按“制式”分，常用的有，有米制螺纹、英制螺纹、美制螺纹。
按牙形分，有三角形、矩形、梯形、锯齿形螺纹，等。
2．螺纹旋向的判断
法一：将螺纹或螺杆垂直于水平面，可以看到每一条螺纹都是斜的，如果右边高，则螺纹属右旋，如图19螺纹旋向的判断方法一所示。
图19螺纹旋向的判断方法一
法二：右手定则，对于右旋螺纹，将右手握拳，将右手的大拇指指向螺旋件的运动方向，其余四指方向指向螺旋件的旋转方向。
不符合右旋螺纹就是左旋螺纹，如图20螺纹旋向的判断方法二所示。
图20螺纹旋向的判断方法二
3 螺纹连接的基本类型
螺纹连接有4种基本类型，如表7所示。
表7螺纹连接的基本类型
（1）螺栓联接——分为普通螺栓联接和精密螺栓联接。
（2）双头螺柱联接——螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。
适于常拆卸而被联接件之一较厚时。
拆装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。
（3）螺钉联接——适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况。
（4）紧定螺钉联接——拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。
可传递不大的轴向力或扭矩
4 螺纹连接的常用装拆工具
（1）螺丝刀
螺丝刀是拧紧或旋松头部带一字或十字槽螺钉的工具。
螺丝刀可分为普通螺丝刀、组合型螺丝刀、电动螺丝刀。
如图21左图。
从其结构形状来说，通常有直形、L形、T形。
图21螺纹连接的常用装拆工具
（2）扳手
扳手是一种常用的安装与拆卸工具。
利用杠杆原理拧转螺栓、螺钉、螺母和其他螺纹紧持螺栓或螺母的开口或套孔固件的手工工具。
如图21右图。
练一练
1.辨识学校机床常用螺纹连接件的名称。
2.这些螺纹连接件的牙型有什么特征？是什么螺纹？
做一做
在教师指导下合理利用拆装工具进行螺纹连接练习。
想一想
螺纹连接件的旋向都一致吗？。
