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1、 主轴组件是机床重要的组成部件，机床工作时，由主轴夹持着工件或刀具直接参加表面成形运动，主轴组件的 工作性能，对加工质量和生产率有重要影响。第六章 主轴组件组成：主轴、轴承、传动件和紧固件，润滑密封装置。功用：1. 夹持着工件或刀具直接参加表面成形运动，并在一定转速下，传递扭矩，承受载荷；2. 使工件或刀具与机床其他有关部件间保持准确的位置关系。 6.1 概述机械操作面板主轴转位刀架防护门尾座床身光电接口数控柜数控面板图6-1 数控车床的组成原理图深沟球轴承双列短圆柱滚子轴承双列短圆柱 滚子轴承推力角接 触轴承图6-2 数控车床主轴件x-y工作台变频主轴机床本体数控系统及 其操作面板斗笠式刀库
2、Z轴伺服电机活动防护门进给Z轴护线架冷却液箱图6-3 XH713A立式加工中心图6-4 数控镗铣主轴部件 6.2 对主轴组件的基本要求一、旋转精度主轴组件的旋转精度是指在无载荷、低速转动下，主轴前端安装工件或刀具的径向和轴向跳动。旋转精度取决于主轴及轴承制造、装配、调整的精度。二、静刚度静刚度是指在静态外载荷作用下抵抗变形的能力。大多数机床以弯曲刚度衡量主轴组件的刚度； 受扭的主轴组件以扭转刚度来衡量扭转刚度。静刚度不足的危害：影响加工精度（工件形状、尺寸）及表面质量，影响齿轮正常的啮合状态，产生 磨损和振动等。影响主轴组件静刚度的因素：主轴的尺寸、形状、轴承的类型、数目、配置形式、主轴组件的
3、制造及 装配质量。图6-5 低刚度情况三、抗振性主轴组件的抗振性是指抵抗振动保持平稳运行的能力。主轴振动有受迫振动和自激振动两种类型。受迫振动：主轴上旋转零件的偏心质量产生的离心力，速度不均产生的惯性力，切削时周期性变化的 切削力使主轴组件产生受迫振动。自激振动：在没有外界动态干扰作用下，由于机床、工件、刀具弹性系统正反馈的作用，在加工 过程中使刀具与工件之间产生的一种周期性的强烈 的相对振动，也叫颤振。四、温升和热变形温升产生热变形，使主轴伸长、轴承间隙变化，前后轴承温升不同使主轴轴线偏离正确位置，降低润滑油粘度，直接影响加工精度。为保证主轴组件正常工作，应控制热变形。高精度机床 810oC
4、（允许温升）精密机床 15 20 oC普通机床 30 40 oC五、耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度保持性。耐磨性主要取决于主轴及轴承等相对运动表面及配合表面的耐磨性。影响耐磨性的因素：材料、热处理方法、润滑方式及部件的制造及装配质量。提高耐磨性的措施：提高相对运动表面的耐磨性；磨损后能适当补偿。 6.3 主轴轴承主轴旋转精度 由轴承决定主轴组件总变形量 轴承占3050%主轴组件的总发热量 轴承占较大成分主轴部件工作性能和精度取决于主轴、支承孔及轴承等的工作性能和精度。机床要求主轴轴承回转精度高，刚度高，承载能力强，抗振性好，速度性能好，噪声小，寿命长。一、主轴滚动轴
5、承1. 轴承类别的选择主要依据主轴组件具体的工作要求，如传递功率、变速范围、工作精度、制造条件，经济效果几个方 面考虑，首先应满足工作性能要求，再兼顾其他方面 ，尽量采用滚动轴承。当加工表面粗糙度要求高，主轴是水平的机床（如外圆和平面磨床，高精度车床等）采用滑动轴承。主轴组件的抗振性主要取决于前轴承，主轴前支承可用滑动轴承，后支承和推力支承用滚动轴承。2. 主轴滚动轴承的选型根据精度、刚度和转速选择，为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该是可调的。根据滚动轴承滚动体的接触方式可分为点接触和线接触。同样尺寸的轴承，线接触比点接触承载 能力强，刚度高，但极限转速低。3. 滚动轴承精度选择主轴的轴承
6、精度有P2 P4 P5 新标准(B C D 旧标准)价格比 10 7 2.3机床精度等级 前轴承 后轴承普通精度级 P5或P4 P5或P4精密级 P4或P2 P4高精度级 P2 P24. 转速轴承的极限转速取决于轴承的类型、负荷、间隙的调整、允许的温升，选用的润滑剂和润滑方式 。5 寿命如轴承使用后，比原规定的精度降了一级，则到寿命。轴承失效的形式6. 刚度主轴组件的轴向刚度取决于轴承的轴向刚度，由于轴承与箱体的接触面积大，故变形可不计。滚动轴承的刚度是指引起单位径向弹性位移所需施加的径向力。滚动轴承的刚度越大，表示了滚动体与滚道之间的单位载荷的变形越小。二、主轴滑动轴承滑动轴承的一个显著特点
7、就是抗振性好。（一）液体动压轴承动压轴承用于高速、转速变化不大、高精度、水平主轴。分为固定多油楔与活动多油楔轴承。对动压轴承要求：(1) 要能调整轴径与轴瓦之间的间隙；(2) 应是多油楔的。 （二）液压静压轴承静压轴承用于低速、转速变化大、高精度水平主轴。静压轴承的特点：（1）转速适应范围宽；（2）液体摩擦，故摩擦小，散热好，抗振性好；（3）轴承制造安装精度对加工精度无影响，油膜厚度对轴颈不圆误差有均化作用；（4）需供油装置，成本高。 6.4 主轴一、主轴的构造1. 主轴头部已标准化，用以安装标准刀具和夹具;2. 为了便于装配，主轴常做成梯形;3. 有的中空穿棒料。二、主轴的材料和热处理选择主
8、轴的材料，主要根据耐磨性、热处理方法和热处理后的变形选择。主轴的刚度除受结构尺寸影响外，主要取决于弹 性模量E值，普通机床的主轴，一般采用优质中碳钢。主轴头部锥孔，定心轴颈、定心锥面高频淬火 至HRC50 55。大型机床的低速主轴，因尺寸大，也有用铸铁的，铸铁具有吸振、耐磨、工艺性好、成本低。精密机床主轴，要求热变形小，抗冲击振动，承 受较大载荷及冲击载荷，用合金钢如40Cr、20Cr、 16MnCr5、12CrNi2A，渗碳淬硬HRC60；滑动轴承支承的高精度机床主轴如磨床砂轮主轴、镗床、坐标镗床、加工中心等，要求很高的耐磨性 ，材料用39CrMoAl，氮化处理，硬度为HRC69 72。主轴
9、与轴承配合处进行淬火，滚动轴承处是为了提高接触强度，并防止拆装时碰上配合表面；滑动轴 承处，因有相对运动，故应提高其耐磨性。主轴的精度是指主轴上的支承面、定位面、配合面的形状位置公差的大小，粗糙度的高低。主轴轴颈和壳体孔径处直径公差、形状公差值应查表获取。三、主轴的技术要求图6-7 主轴轴径的技术要求t3 ABt4/300 Bt2 BtAtt1 Bt4/300 At3 ABtt1tt1BA图6-8 主轴外壳孔的技术要求主轴其余的技术条件，应根据机床精度标准制定。表面粗糙度：普通机床滑动轴承轴颈Ra0.2m；滚动轴承轴颈Ra0.4m；磨床砂轮主轴，滑动轴承轴颈Ra0.1m；滚动轴承轴颈Ra0.2
10、m；当主轴转速超过600rpm，自由表面Ra1.6m。 6.5 主轴组件这类主轴前后径向支承，可用双列圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承；一、车、镗、铣加工中心类机床主轴1. 中等转速，较大载荷的主轴组件推力支承可用双向推力角接触轴承、圆锥滚子轴 承。数控机床主轴组件：前支承：双向推力球轴承，承受双向轴向力；双列短圆柱滚子轴承，承受径向力。深沟球轴承双列短圆柱滚子轴承双列短圆柱 滚子轴承推力角接 触轴承图6-2 数控车床主轴件特点：主轴热变形伸长向后，对加工精度没有影响，但结构复杂，支承发热大。用滚子轴承结构简单，仍属前端固定，主轴转速较低，后支承为辅助支承。优点：前中轴承跨距短，比较接近最佳跨距(主
11、支承跨距)。缺点：对轴承精度、刚度和耐磨性以及工艺上的要求较高。图6-10 装圆锥滚子轴承的主轴组件预紧碟形弹簧12. 转速较高、载荷较小高速型车、镗、铣主轴多采用该种结构形式。图6-11 主轴单元前支承 ：三联角接触球轴承，特轻系列，=25后支承：用双列圆柱滚子轴承，后轴承载荷较大图6-12 立式镗铣加工中心主轴展开图电动机Z1(662)Z2(662)Z6(662.5)Z5(662)Z3(1092) Z4(412.5)IIIIII三联角接触球轴承双联角接触球轴承两端径向载荷较大，前后支承，各用两个角接触球轴承 ，背靠背安装。轴向载荷不大，属前端固定高速主轴常用定压予紧，予紧力靠调整弹簧保证。
12、二、磨床类主轴组件装砂 轮杆装皮 带轮图6-13 内圆磨床主轴组件三、滚动轴承的予紧使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量称予紧，可提高轴承精度、刚度和寿命。过渡予紧又会提高 温升，降低寿命。1. 双列圆柱滚子轴承的予紧予紧原理：双列圆柱滚子轴承是径向予紧；径向予紧量：=D2-D1D2 滚子包络圆直径； D1 轴承外圈内孔孔的直径。D2D1Fa0 l图6-14 轴承的予紧螺母隔套(a)(b)(c)(d)(e)予紧量5m时，轴承的刚 性随予紧量增 加而增加，此 后变化不大。为提高轴承的抗振性能，希望轴承在受载荷时，不受力侧仍与外圈接触。图6-15 轴承予紧减振情况(a) 未受载(b) 受载未予紧(
13、c)予紧受载FrFa根据Fr求变形量，根据变形量可求出Fa 。2. 角接触球轴承球轴承予紧对刚度提高明显。予紧方法：使内、外圈间产生轴向错位。予紧控制：背靠背磨内圈，面对面磨外圈。轻予紧 用于高速主轴。中予紧用于中、低速主轴。重予紧用于分度主轴。 6.6 提高主轴组件性能的一些措施一、提高精度提高主轴组件的旋转精度，除必须保证主轴和轴承一定的精度外，还可采取一些工艺上的措施。如采 用定向装配法和装配后精加工等方法。对精密和高精度机床，为了保证精度，可采用装配后精加工的方法。精密和高精度机床，在修理拆卸时，须在轴承外圈与箱体、内圈与主轴之间做好记号，装配时按原记 号装配，不能改变原来的相对位置关
14、系，否则，重装 后降低了精度。二、控制温升、提高转速、减小热变形1. 加强冷却; 2. 加强润滑 。1. 提高主轴组件的固有频率，避开激振力的频率 ，以免发生共振。通常使其大于激振力频率的30%。三、改善动态特性2. 提高主轴轴承，特别是前支承的阻尼。3. 采用三支承；4. 采用消振装置。 6.7 主轴准停及自动换刀装置在数控镗床、数控铣床和以镗铣为主的加工中心上，当主轴停止转动进行自动换刀时，要求主轴每次停在一个固定的位 置上。这就要求主轴必须设准停装置，准停装置有机械和电气 两种准停方式。1.当主轴需要停车换 刀时，发出降速信号，在 时间继电器延时数秒后， 接通无触点开关；图6-14 V
15、形槽轮定位盘准停装置感应块定向 滚轮一、准停装置（一）机械式准停装置3. 再经过继电器延时，接通压力油，使定位油缸 内的活塞带着滚子向左运 动，紧压在凸轮外表面；4. 当凸轮上的V形口对准滚子时，滚子进入槽内，使主轴 准确停止，同时限位开关LS2发出信号，表示已经完成定向；图6-14 V 形槽轮定位盘准停装置感应块定向 滚轮5. 活塞退回，LS1发出相应信号，此时主轴可启动工作。2. 当凸轮上的感应块对准接通无触点开关时，发 出定向信号，立即切断电 源，主轴降速；主轴同步带主轴电机磁传感器永磁铁图6-15 电气式主轴准停装置（二）电气式主轴准停装置1. 当机床主铀需要停车换刀时，数控装置发出 主轴停转的指令，主轴电 动机立即降速，使主轴以 很低的转速回转;2. 当永磁铁对准磁传感器时，磁传感器发出准停信 号，此信号经放大后，由定 向电路使电动机准确地停止 在规定的周向位置上。这种准停装置机械结构简单，准停的定位精度可达0.1 ，能满足
