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1、“十一五”国家级规划教材,主 编：李庆余 孟广耀 副主编：张 佳 董 锋,机械制造装备设计,主轴组件设计,主轴组件由主轴及其支承轴承、传动件、定位元件等组成。 主轴组件是主运动的执行件，是机床重要的组成部分。它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，形成表面成形运动；承受切削力和传动力等载荷。 主轴组件直接参与切削，其性能影响加工精度和生产率。因而是决定机床性能和经济性指标的重要因素。,主轴组件设计,1-1主轴组件应满足的基本要求 1旋转精度 主轴的旋转精度，是机床几何精度的组成部分。旋转精度是主轴组件装配后，静止或低速空载状态下，刀具或工件安装基面上的全跳动值。它取决于
2、主轴、主轴的支承轴承、箱体孔等的制造精度，装配和调整精度。,主轴组件设计,静刚度（简称为刚度），是主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴端部产生单位位移弹性变形时，位移方向上所施加的力表示。 当外伸端受径向作用力（N），受力方向上的弹性位移为（m）时，主轴的刚度为,主轴组件设计,弹性位移是位移方向上的力、主轴组件结构参数（如尺寸、支承跨矩、支承刚度等）的函数。为简化刚度计算，引入柔度（m/N），即刚度的倒数。,主轴组件刚度与主轴自身的刚度和支承轴承的刚度相关。主轴自身的刚度取决于主轴的惯性矩、主轴端部的悬伸量和支承跨距；支承轴承刚度由轴承的类型、精度、安装形式、预紧程度等因素决定。,
3、主轴组件设计,3动刚度 机床在额定载荷下切削时，主轴组件抵抗变形的能力，称为动态刚度。 主轴组件的动刚度直接影响加工精度和刀具的耐用度，是机床重要的性能指标。但目前，抗振性的指标尚无统一标准，设计时可在统计分析的基础上，结合实验进行确定。动态刚度与静刚度成正比，在共振区，与阻尼（振动的阻力）近似成正比。可通过增加静刚度、增加阻尼比来提高动刚度。,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
4、件的热变形，将严重影响加工精度。 室温不是20C时，温升Tt的许可值按下式计算,主轴组件设计,5精度保持性 主轴组件的精度保持性是指长期保持其原始制造精度的能力，主轴组件主要的失效形式是磨损，所以精度保持性又称为耐磨性。主要磨损有：主轴轴承的疲劳磨损，主轴轴颈表面、装卡刀具的定位基面的磨损等。磨损的速度与摩擦性质，摩擦副的结构特点，摩擦副材料的硬度、摩擦面积、摩擦面表面精度，以及润滑方式等有关。如普通机床主轴，一般采用45或60号优质结构钢，主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面，G5055HRC。,主轴组件设计 主轴滚动轴承,1轴承的选择 机床主轴最常用的轴承是滚动轴承。这是因为：适度预紧后，滚动
5、轴承有足够的刚度，有较高的旋转精度，能满足机床主轴的性能要求，能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作；由专门生产厂大批量生产，质量稳定，成本低，经济性好。特别是轴承行业针对机床主轴的工作性质，研制生产了NN3000K、234400及Gamet（加梅）轴承，更使滚动轴承占稳主轴轴承的主导地位；滚动轴承容易润滑。,主轴组件设计 滚动轴承,滚动轴承与滑动轴承相比，缺点为： 滚动体的数量有限，因此滚动轴承旋转中的径向刚度是变化的；滚动轴承摩擦力大，摩擦系数为 ，阻尼比小， ；滚动轴承的径向尺寸较大。因此，在动刚度性能高的卧式精密机床（如：外圆磨床、卧轴平面磨床、精密车床）中，滑动轴承仍有一定应用领
6、域。,主轴组件的抗振性主要取决于前轴承，因而，有的机床前支承采用滑动轴承，后支承采用滚动轴承。,主轴组件设计滚动轴承,2主轴滚动轴承的类型选择 机床主轴较粗，主轴轴承的直径较大，轴承所承受的载荷远小于其额定动载荷，约为1/10。 因此，一般情况下，承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要依据。 主轴轴承，应根据刚度、旋转精度和极限转速来选择。,主轴组件设计 滚动轴承,轴承的刚度与轴承的类型有关，线接触的滚子轴承比点接触的球轴承刚度高，双列轴承比单列的刚度高，且刚度是载荷的函数，适当预紧不仅能提高旋转精度，也能提高刚度。 轴承的极限转速与轴承滚动体的形状有关，同等尺寸的轴承，球轴承的极限转速高于
7、滚子轴承，圆柱滚子轴承的极限转速高于圆锥滚子轴承；同一类型的轴承，滚动体的分布圆越小，滚动体越小，极限转速越高。,主轴组件设计滚动轴承,轴承的轴向承载能力和刚度，由强到弱依次为：推力球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、角接触球轴承； 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
8、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 滚动轴承,切削力方向固定不变的主轴，如：车床、铣床、磨床等，通过滚动体，始终间接地与切削力方向上的外圈滚道表面的一条线（线接触轴承）或一点（球轴承）接触，由于滚动体是大批量生产，且直径小，圆柱度误差小，其圆度误差可忽略，因此，决定主轴旋转精度的是轴承的内圈径向圆跳动，即内圈滚道表面相对于轴承内径轴线的同轴度。,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
9、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 滚动轴承,前轴承的精度对主轴的影响较大。故前轴承的精度应比后轴承高一级。,主轴组件设计 滚动轴承,主轴组件设计 滚动轴承,切削力方向随主轴旋转而同步变化的主轴，轴承按外圈径向圆跳动选择。 由于外径尺寸较大，相同精度时误差大，若保持径向圆跳动值不变，可按内圈高一级的轴承精度选择。,主轴组件设计滚动轴承,4轴承刚度 轴承存在间隙时，只有切削力方向上的少数几个滚动体承载，径向承载能力和刚度极低；轴承零间隙时，在外载作用下，轴线沿方向移动一
10、距离，对应的半圈滚动体承载，处于外载作用线上的滚动体受力最大，其载荷是滚动体平均载荷的5倍，滚动体的载荷随着与外载作用线距离的增大而减小；轴承受轴向载荷时，各滚动体承受的轴向力相等。滚动体受力方向在接触线上。,主轴组件设计滚动轴承,轴承所承受的径向力、轴向力分别为 、 ，单个滚动体所承受的最大载荷 、 分别为,球轴承的钢球直径为 ，在外载作用下轴承的变形为,主轴组件设计 滚动轴承,滚子轴承线接触的长度（滚子不包括两端倒角宽度的长度）为 ，在外载作用下的变形为,滚子轴承的刚度为,主轴组件设计滚动轴承,零间隙时球轴承的刚度为,主轴组件设计滚动轴承,计算轴承刚度时，若载荷无法确定，可取该轴承额定动载
11、荷的1/10代替外载。 线接触轴承，载荷的0.1次幂与刚度成正比，对刚度的影响较小。计算刚度时，可忽略预紧载荷。点接触轴承，载荷的1/3次幂与刚度成正比，预紧力对轴承刚度影响较大，计算刚度时应考虑预紧力。有预紧力 时，径向和轴向载荷分别是,主轴组件设计 滚动轴承,轴承承载后不受力一侧的滚动体仍能保持与滚道接触。滚子包络圆直径与外圈滚道孔径之差 510,主轴组件设计 主轴,1主轴的结构及材质选择 主轴的端部安装夹具和刀具，随夹具和刀具的标准化，主轴端部已有统一标准。 主轴为外伸梁，承受的载荷从前往后依次降低，故主轴常为阶梯形。车床、铣床、加工中心等机床，为通过棒料或拉紧刀具，主轴为阶梯形空心轴。
12、,主轴组件设计 主轴,主轴的载荷相对较小，一般情况下，引起的应力远小于钢的屈服强度。因此，机械强度不是选择主轴材料的依据。,当主轴的直径、支承跨距、悬伸量等尺寸参数一定时，主轴的惯性矩为定值；主轴的刚度取决于材料的弹性模量。但各种钢材的弹性模量 几乎没什么差别。因此刚度也不是主轴选材的依据。,主轴组件设计 主轴,主轴的材料，只能根据耐磨性、热处理方法及热处理后的变形大小来选择。耐磨性取决于硬度，故机床主轴材料为淬火钢或渗碳淬火钢，高频淬硬。 普通机床主轴，一般采用45或60号优质结构钢，主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面，高频淬火，硬度为5055HRC； 精密机床主轴，可采用40Cr高频淬硬或低
13、碳合金钢（如20Cr，16MnCr5）渗碳淬火，硬度不低于60HRC。 高精度机床主轴，可采用65Mn，淬硬5258HRC,主轴组件设计主轴图,主轴组件设计 主轴精度,主轴组件设计 主轴精度,定位基面的精度按机床精度标准选择。 普通机床主轴，安装齿轮等传动件的部位与两支承轴颈轴心线的同轴度允差可取尺寸公差的一半。 转速大于600r/min的主轴，非配合表面的表面粗糙度值Ra1.6； 线速度的主轴，主轴组件应做一级动平衡。,主轴组件设计 主轴传动,1传动方式 主轴上的传动方式， 主要有带和齿轮传动。 带传动是靠摩擦力传递动力，结构简单，中心距调整方便；能抑制振动，噪声低，工作平稳，特别适用于高速
14、主轴。线速度小于30m/s时，可采用V带传动；,主轴组件设计 主轴传动,多楔带的线速度可大于30m/s，由于多楔带是在绳芯结构平带的基础下增加若干纵向V形楔的环形带，具有平带的柔软，V带摩擦力大的特点，承载机理仍是平带，带体薄，强度高，效率高，曲挠性能好，虽然线速度不甚高，但带轮尺寸小，转速可达6000r/min，是近年来发展较快的一种应用广泛的传动带，有取代普通V带的趋势；,主轴组件设计 主轴传动,同步齿形带是以玻璃纤维绳芯、钢丝绳为强力层，外覆聚氨脂或氯丁橡胶的环形带，带的内周有梯形齿，与齿形带轮啮合传动，传动比准确，线速度小于60m/s；高速环形平带，用于带速恒定的传动，丝织（天然丝、锦
15、纶或涤纶丝）高速平带线速度可达100m/s。,主轴组件设计 主轴传动,齿轮能传递较大的扭矩，结构紧凑，尤其适合于变速传动。为降低噪声，通常采用硬齿面、小模数齿轮，尽量降低齿轮的线速度；线速度小于15m/s时，采用精度为6级的齿轮，线速度大于15m/s时，则采用5级精度齿轮。,主轴组件设计 主轴传动,电动机直接驱动主轴，也是精密机床、高速加工中心和数控车床常用的一种驱动形式。如平面磨床的砂轮主轴，高速内圆磨床的磨头。转速小于3000r/min的主轴，采用异步电动机轴通过联轴器直接驱动主轴，机床可通过改变电动机磁极对数实现变速；转速小于8000r/min的主轴，可采用变频调速电动机直接驱动；高速主
16、轴，可将电动机轴与主轴做成一体，即内装电动机主轴，转子轴就是主轴，恒速切削可采用中频电动机。,主轴组件设计 主轴传动,2传动件的布置 为了皮带更换方便，防止油类的侵蚀，带轮通常安装在后支承的外侧。 多数主轴采用齿轮传动。齿轮可位于两支承之间，也可位于后支承外侧。齿轮在两支承之间时，应尽量靠近前支承，若主轴上有多个齿轮，则大齿轮靠近前支承。由于前支承直径大，刚度高，大齿轮靠近前支承可减少主轴的弯曲变形，且扭矩传递长度短，扭转变形小。齿轮位于后支承外侧，前后支承能获得理想的支承跨距，支承刚度高；前后支承距离较小，加工方便，容易保证其同轴度；能够实现模块化生产。,主轴组件设计 主轴传动,为提高动刚度，限制最大变形量，在齿轮外侧增加辅助支承。辅助支承为径向
