第10章 机床主轴组件

1、南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 内容：内容： 主轴组件的设计要求；主轴组件的设计要求； 主轴滚动轴承、滑动轴承的选择设计；主轴滚动轴承、滑动轴承的选择设计； 主轴组件的设计计算；主轴组件的设计计算； 提高主轴组件性能的一些措施。提高主轴组件性能的一些措施。 要求：要求：掌握主轴组件的设计方法掌握主轴组件的设计方法 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 u机床主轴机床主轴是机床在加工时是机床在加工时直接带动刀具或直接带动刀具或 工件进行切削和表面成形运动的旋转轴。工件进行切削和表面成形运动的旋转轴。

2、 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 u主轴、轴承、传动件主轴、轴承、传动件(如齿轮、带轮如齿轮、带轮)和固定和固定 件件(如螺母如螺母)等等 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 u 夹持着工件或刀具，完成表面成形运动；夹持着工件或刀具，完成表面成形运动； u 传递运动和转矩；传递运动和转矩； u 承受切削力和驱动力等载荷。承受切削力和驱动力等载荷。 n 主轴组件主轴组件夹持着工件（车床）或刀具（钻床、镗夹持着工件（车床）或刀具（钻床、镗 床、铣床、磨床）直接参加表面成形运动，因此床、铣床、磨床）直

3、接参加表面成形运动，因此 它的回转轴心线位置必须准确、稳定，以保证一它的回转轴心线位置必须准确、稳定，以保证一 定的加工精度和表面粗糙度。它定的加工精度和表面粗糙度。它的工作性能对加的工作性能对加 工质量和机床生产率有重要的影响。工质量和机床生产率有重要的影响。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 静刚度静刚度 抗振性抗振性 温升和热变形温升和热变形 耐磨性耐磨性 旋转精度旋转精度 一、工作性能上的要求一、工作性能上的要求 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 旋转精度：旋转精度：指装配后，在指装配后

4、，在无载荷、低速转无载荷、低速转 动动的条件下，主轴的条件下，主轴安装工件或刀具部位的径安装工件或刀具部位的径 向和轴向跳动。向和轴向跳动。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 是机床的一项重要精度指标。是机床的一项重要精度指标。影响影响被加被加 工零件的工零件的几何精度和表面粗糙度几何精度和表面粗糙度。 国家标准已对通用国家标准已对通用( (包括数控包括数控) )机床的旋机床的旋 转精度已有规定。转精度已有规定。 影响旋转精度的因素：影响旋转精度的因素：各主要件各主要件( (主轴、主轴、 轴承、壳体孔等轴承、壳体孔等) )的制造、装配和调整精度

5、。的制造、装配和调整精度。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 工作转速下旋转的精度工作转速下旋转的精度 （1）通常讲的旋转精度是在通常讲的旋转精度是在无载荷、低速转动无载荷、低速转动 的条件下。的条件下。 （2）当当主轴以工作转速旋转时，主轴以工作转速旋转时，由于润滑油膜由于润滑油膜 的产生和不平衡力的扰动，的产生和不平衡力的扰动，旋转精度将有所变旋转精度将有所变 化。化。这个差异，对于精密和高精度机床，是不这个差异，对于精密和高精度机床，是不 可忽略的。可忽略的。 （3）工作转速下旋转的精度，工作转速下旋转的精度，影响因素还有：影响因素还有：

6、 主轴的转速主轴的转速、轴承的设计和性能轴承的设计和性能，润滑剂和主润滑剂和主 轴组件的平衡。轴组件的平衡。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 （1）主轴组件静刚度（主轴组件刚）主轴组件静刚度（主轴组件刚 度）度）：主轴组件抵抗静态外载荷的能力。主轴组件抵抗静态外载荷的能力。 （2）主轴组件的弯曲刚度）主轴组件的弯曲刚度k(n/um)：使使 主轴前端产生单位位移，在位移方向测量主轴前端产生单位位移，在位移方向测量 处所需施加的力，处所需施加的力， k=fk=f 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计

7、影响加工精度影响加工精度 ； 传动质量传动质量 ； 工作平稳性工作平稳性 ， 引起振动引起振动 。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 （4）可从）可从结构设计结构设计等方面等方面,尽可能地提尽可能地提 高主轴组件的刚度。高主轴组件的刚度。 主轴的尺寸、形状主轴的尺寸、形状; ; 滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式；滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式； 前后支承的距离；前后支承的距离； 主轴前端的悬伸量等。主轴前端的悬伸量等。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 抗振性：抗振性：指主轴受到指主轴

8、受到交变切削载荷交变切削载荷时，能够平时，能够平 稳地运转而不发生稳地运转而不发生振振动的能力。动的能力。 造成影响：造成影响：影响工件的表面质量；刀具耐用度；影响工件的表面质量；刀具耐用度； 主轴轴承寿命；产生噪声。主轴轴承寿命；产生噪声。 影响因素：影响因素：主轴组件的静刚度；质量分布（重主轴组件的静刚度；质量分布（重 心偏移）；阻尼心偏移）；阻尼( (特别是主轴前轴承的阻尼特别是主轴前轴承的阻尼) )。主主 轴的固有频率应远大于激振力的频率轴的固有频率应远大于激振力的频率，使它不易，使它不易 发生共振。发生共振。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计

9、机床设计 热变形：热变形：指机床工作时，各相对运动处的摩擦指机床工作时，各相对运动处的摩擦 和搅油，其损耗的能量转化为热，造成温升，使和搅油，其损耗的能量转化为热，造成温升，使 主轴组件在形状和位置上产生的畸变。主轴组件在形状和位置上产生的畸变。 造成影响：造成影响：温升使润滑油的粘度下降，使润滑温升使润滑油的粘度下降，使润滑 脂熔化流失，影响轴承的工作性能；温升产生热脂熔化流失，影响轴承的工作性能；温升产生热 变形，使主轴伸长，轴承间隙变化；主轴箱的热变形，使主轴伸长，轴承间隙变化；主轴箱的热 膨胀使主轴偏离正确位置；如果前后轴承温度不膨胀使主轴偏离正确位置；如果前后轴承温度不 同，还将使主

10、轴倾斜。同，还将使主轴倾斜。 影响因素：影响因素：轴承的类型、配置及间隙的调整方轴承的类型、配置及间隙的调整方 式式; ;润滑和密封方式润滑和密封方式; ;散热条件。散热条件。轴承的温升与轴承的温升与转转 速速有关。国标规定了轴承允许的温升、最高温度。有关。国标规定了轴承允许的温升、最高温度。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 耐磨性：耐磨性：指长期保持其原始精度的能力，即精指长期保持其原始精度的能力，即精 度保持性。度保持性。 影响耐磨性的因素：影响耐磨性的因素：材料、热处理、轴承（或材料、热处理、轴承（或 衬套）类型、润滑方式等。衬套）类型

11、、润滑方式等。 提高耐磨性的措施：提高耐磨性的措施：易磨损的部位应淬硬。要易磨损的部位应淬硬。要 求高的，应用氮化钢，并经氮化处理。求高的，应用氮化钢，并经氮化处理。 5、耐磨性、耐磨性 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 二、结构上的要求二、结构上的要求 1、定位可靠、定位可靠（承受径向、轴向载荷轴（承受径向、轴向载荷轴 承）承） 2、长期运转、长期运转（精度、寿命）（精度、寿命） 3、标准设计、标准设计（头部）（头部） 4、工艺性好、工艺性好（加工、装配）（加工、装配） 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设

12、计机床设计 一、主轴轴承的选择一、主轴轴承的选择 机床主轴轴承类型机床主轴轴承类型 滚动轴承滚动轴承 滑动轴承滑动轴承 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 滚动轴承比滑动轴承的滚动轴承比滑动轴承的优点优点是：是： (1) 滚动轴承滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的能在转速和载荷变化幅度很大的 条件下稳定地工作。条件下稳定地工作。 (2) 滚动轴承滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧能在无间隙，甚至在预紧(有一有一 定的过盈量定的过盈量)的条件下工作。的条件下工作。 (3) 滚动轴承的滚动轴承的摩擦系数小摩擦系数小，有利于，有利于减少发热。减少发热。

13、南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 (4) 滚动轴承滚动轴承润滑容易。润滑容易。 用用脂润滑脂润滑，一次装填一直用到修理时才换，一次装填一直用到修理时才换 脂。脂。 用用油润滑油润滑，单位时间所需的油量也远比滑，单位时间所需的油量也远比滑 动轴承小。动轴承小。 (5) 滚动轴承是由轴承厂生产的，滚动轴承是由轴承厂生产的，可以外购。可以外购。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 滚动轴承的滚动轴承的缺点缺点是：是： (1) 滚动体的数量有限，滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋所以滚动轴承在旋 转中的转

14、中的径向刚度是变化的。径向刚度是变化的。这是引起振动这是引起振动 的原因之一。的原因之一。 (2) 滚动轴承的滚动轴承的阻尼较低。阻尼较低。 (3) 滚动轴承的滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大径向尺寸比滑动轴承大 。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n主轴轴承的选用原则主轴轴承的选用原则 （1）一般情况下应尽量采用）一般情况下应尽量采用滚动轴承。滚动轴承。特别特别 是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑 以避免漏油。以避免漏油。 （2）加工表面粗糙度数值较小，主轴是水平）加工表面粗糙度数值较小，主轴

15、是水平 的机床的机床（如外圆和平面磨床、高精度车床等）（如外圆和平面磨床、高精度车床等） 才用才用滑动轴承。滑动轴承。 （3）主轴前支承用）主轴前支承用滑动轴承，滑动轴承，后支承和推力后支承和推力 轴承用轴承用滚动轴承。滚动轴承。（主轴组件的抗振性主要决（主轴组件的抗振性主要决 定于前轴承，因此，采用这种结构，可提高主轴定于前轴承，因此，采用这种结构，可提高主轴 的抗振性）。的抗振性）。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n主轴滚动轴承的主要设计内容主轴滚动轴承的主要设计内容 类型的选择与配置；类型的选择与配置； 精度及其选配；精度及其选配；

16、间隙调整；间隙调整； 支承座的结构；支承座的结构； 轴承的配合及配合零件的精度；轴承的配合及配合零件的精度； 轴承的润滑与密封等。轴承的润滑与密封等。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 1、滚动轴承选择原则：、滚动轴承选择原则： 应根据应根据精度、刚度、转速精度、刚度、转速选择。选择。线接触的线接触的 滚子轴承，比点接触的球轴承刚度高，但滚子轴承，比点接触的球轴承刚度高，但 一定温升下允许的转速较低。一定温升下允许的转速较低。 主轴轴承常用轻系列、特轻系列和超轻系主轴轴承常用轻系列、特轻系列和超轻系 列，列，以特轻系列为主。以特轻系列为主。 为

17、了提高精度和刚度，为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应主轴轴承的间隙应 该是可调的。该是可调的。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n预紧（预载荷）：预紧（预载荷）： 使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量。使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量。 n适当预紧的作用适当预紧的作用 ： 提高滚动轴承的精度、寿命、刚度提高滚动轴承的精度、寿命、刚度 。 n 预紧对滚子轴承的刚度的提高是不明显的预紧对滚子轴承的刚度的提高是不明显的 ；对滚对滚 珠轴承的刚度的提高是明显的珠轴承的刚度的提高是明显的 。 n过度预紧，过度预紧，由于滚动体和滚道的变形太大，由于

18、滚动体和滚道的变形太大， 将提高温升和降低寿命。将提高温升和降低寿命。因此，因此，必须根据载必须根据载 荷和转速，正确地选择预紧。荷和转速，正确地选择预紧。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 1）滚动轴承的间隙量）滚动轴承的间隙量 最佳间隙量（或最佳预加载荷量）应考虑最佳间隙量（或最佳预加载荷量）应考虑 机床的工作条件和轴承类型并根据试验和机床的工作条件和轴承类型并根据试验和 生产经验加以确定，生产经验加以确定，一般原则一般原则是：是： 高速、轻载或精密机床主轴组件，间隙量高速、轻载或精密机床主轴组件，间隙量 可大些，以减少轴承的发热和磨损。可

19、大些，以减少轴承的发热和磨损。 中低速、重载或普通精度级机床主轴组件，中低速、重载或普通精度级机床主轴组件， 间隙量可小些。间隙量可小些。 预紧量应根据试验和生产经验适当地选择。预紧量应根据试验和生产经验适当地选择。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 2）轴承间隙调整装置）轴承间隙调整装置 n 径向预紧轴承的间隙量控制方式径向预紧轴承的间隙量控制方式（如：双列圆柱（如：双列圆柱 滚子轴承）。滚子轴承）。 用控制装置。用控制装置。 用螺母控制（图用螺母控制（图10-12）。）。 用剖分式调整垫圈控制。用剖分式调整垫圈控制。 n 轴向预紧轴承的间隙

20、量控制方式轴向预紧轴承的间隙量控制方式（如：角接触球（如：角接触球 轴承）轴承） 修磨轴承内圈。修磨轴承内圈。 采用内、外隔套（图采用内、外隔套（图10-10、11） 。 用控制装置。用控制装置。 弹簧预紧。弹簧预紧。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 注意事项：注意事项： （1）调整螺母采用细牙螺纹，易于微量调节，调整螺母采用细牙螺纹，易于微量调节， 自锁性好。自锁性好。 （2）调整螺母应有调整螺母应有防松防松措施。措施。 （3）螺纹的中心应与主轴的中心重合。螺纹的中心应与主轴的中心重合。 （4）同一支承处有不同类型的轴承时，应用同一支承处有

21、不同类型的轴承时，应用 多个螺母分别调整。多个螺母分别调整。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 （1）角接触球轴承）角接触球轴承 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n既可承受既可承受径向径向载荷，又可承受载荷，又可承受轴向轴向载载 荷。荷。 n角接触球轴承角接触球轴承多用于多用于高速高速主轴。主轴。 n接触角接触角越大越大，轴向，轴向承载能力越大承载能力越大。 15接触角多用于轴向载荷较小，转速较接触角多用于轴向载荷较小，转速较 高的地方，如磨床主轴。高的地方，如磨床主轴。 25 接触角常用于轴

22、向载荷较大的地方，接触角常用于轴向载荷较大的地方， 如车床和加工中心主轴。如车床和加工中心主轴。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 角接触球轴承角接触球轴承 n为了提高刚度和承载能力，可以多个组合。为了提高刚度和承载能力，可以多个组合。 其中以背靠背组合为佳。其中以背靠背组合为佳。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n 在轴向力在轴向力fa0的作用下，使内、外圈产生轴向错位的作用下，使内、外圈产生轴向错位 可实现预紧。称为可实现预紧。称为轴向预紧轴向预紧。 n 衡量预紧的，是轴向预紧力衡量预紧的

23、，是轴向预紧力fa0 ，单位为，单位为n。 n 轴承厂在内圈（背轴承厂在内圈（背 靠背组配）或外圈靠背组配）或外圈 （面对面组配）的端（面对面组配）的端 面根据预紧力磨去面根据预紧力磨去。 装配时挤紧，就可得装配时挤紧，就可得 到预定的预紧力。到预定的预紧力。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 只能承受径向载荷只能承受径向载荷。 内孔为内孔为1：12的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合。的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合。 多用于多用于载荷较大载荷较大、刚度较高，刚度较高，中等转速中等转速的地方。的地方。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技

24、术制造技术装备装备机床设计机床设计 n这种轴承是靠内孔的锥面，轴向移动内圈这种轴承是靠内孔的锥面，轴向移动内圈, 使内圈径向胀大实现顶紧的，称为径向预使内圈径向胀大实现顶紧的，称为径向预 紧。紧。 n衡量预紧的，是滚子包络圆直径衡量预紧的，是滚子包络圆直径d2，与外，与外 圈滚道直径圈滚道直径d1之差之差=(d2-d1)。称为径称为径 向预紧量或简称向预紧量或简称“预紧量预紧量”，单位为，单位为um。 n预紧量略大于预紧量略大于 所受载荷下的所受载荷下的 变形量。变形量。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n 承受承受轴向载荷轴向载荷。 n 接

25、触角接触角越小，允许的转速越高，但轴向刚度越低。越小，允许的转速越高，但轴向刚度越低。 n 修磨隔套修磨隔套6的厚度的厚度就能消除间隙和预紧。就能消除间隙和预紧。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n承受径向载荷；承受径向载荷； n不能调整间隙；不能调整间隙； n常用于精度和刚度要常用于精度和刚度要 求不太高的地方，如求不太高的地方，如 钻床主轴。轴向载荷钻床主轴。轴向载荷 则由配套的推力轴承则由配套的推力轴承 承受承受 。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n 能承受能承受径向和轴向径向和轴向

26、载荷，承载能力和刚度载荷，承载能力和刚度 都比较高。都比较高。 n允许的转速较低。允许的转速较低。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 两个两个 配置时应注意：配置时应注意： 承受径向力承受径向力; 两个方向的轴向力应分别有相应的轴承承受；两个方向的轴向力应分别有相应的轴承承受； 径向力和两个方向的径向力和两个方向的轴向力轴向力应传递到箱体应传递到箱体 上，即负荷上，即负荷承受。承受。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 轴承配置时，除选择轴承的类型不同外，推力轴轴承配置时，除选择轴承的类型不同外，

27、推力轴 承的配置是主要差别，布局方式主要有：承的配置是主要差别，布局方式主要有： 1) 前端定位：前端定位：承受轴向力的轴承装在前支承。承受轴向力的轴承装在前支承。 主轴受热后，向前伸长最小，结构复杂。主轴受热后，向前伸长最小，结构复杂。 设计设计精密精密卧式车床的两支承主轴组件常采用。卧式车床的两支承主轴组件常采用。 2) 后端定位：后端定位：承受轴向力的轴承装在后支承。承受轴向力的轴承装在后支承。 主轴受热后，向前伸长大，结构简单。主轴受热后，向前伸长大，结构简单。 设计设计普通普通卧式车床的两支承主轴组件常采用。卧式车床的两支承主轴组件常采用。 3) 两端定位：两端定位：承受轴向力的轴承

28、装在前后支承。承受轴向力的轴承装在前后支承。 主轴受热伸长时将产生轴向松动。只适用于较短主轴受热伸长时将产生轴向松动。只适用于较短 的轴。的轴。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 前端定位：前端定位： 后端定位：后端定位： 两端定位：两端定位： 承受轴向力轴承配置简图承受轴向力轴承配置简图 前端定位 后端定位 两端定位 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 主轴轴承的精度：主轴轴承的精度：p2（旧（旧b）、）、p4（旧（旧 c）、）、p5 （旧（旧d）、）、 p6（旧（旧e）、）、 p0（旧（旧 g

29、）五级，又规定了）五级，又规定了sp级和级和up级作为补充。级作为补充。 p0级轴承设计时一般不用。级轴承设计时一般不用。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n前轴承对主轴组件的影响较大，故前轴承对主轴组件的影响较大，故前轴承的前轴承的 精度应选得高一些。精度应选得高一些。 前轴承受的载荷较大，容易变形影响加工精前轴承受的载荷较大，容易变形影响加工精 度，同时，度，同时，前轴承对主轴前端变形的影响比前轴承对主轴前端变形的影响比 后轴承大。后轴承大。 前后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不前后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不 同的。同的。 南昌

30、大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 （a）当前轴承轴心有）当前轴承轴心有a 的偏移量，后轴承偏移的偏移量，后轴承偏移 量为量为0时，反映到主轴端时，反映到主轴端 部轴心的偏移为：部轴心的偏移为： （b）当后轴承轴心有）当后轴承轴心有b 的偏移量，前轴承偏移的偏移量，前轴承偏移 量为量为0时，反映到主轴端时，反映到主轴端 部轴心的偏移为：部轴心的偏移为： 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 结论：若轴承轴心偏移量结论：若轴承轴心偏移量a= b ，则，则a1 b1这说明前轴承轴心偏移量对主轴端部的这说明前轴

31、承轴心偏移量对主轴端部的 旋转精度影响较大，具有误差放大作用。因旋转精度影响较大，具有误差放大作用。因 此前轴承的精度应比后轴承高一级。此前轴承的精度应比后轴承高一级。 承受轴向力的推力轴承的精度可比前轴承低承受轴向力的推力轴承的精度可比前轴承低 一级。一级。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n主轴轴承的精度选用可参考表主轴轴承的精度选用可参考表10-3 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 一、主轴的结构形状一、

32、主轴的结构形状 选定主轴的结构形状必须满足：选定主轴的结构形状必须满足： 使用要求、结构要求和加工装配要求等。使用要求、结构要求和加工装配要求等。 使用要求包括：使用要求包括： 主轴头部、尾部（主轴头部、尾部（1：20锥孔）和内孔等。锥孔）和内孔等。 1 1、主轴头部用于安装刀具或夹持工件的夹具，主轴头部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因因 此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确， 装夹可靠、牢固，而且装卸方便。目前，装夹可靠、牢固，而且装卸方便。目前，主轴的主轴的 头部形状已标准化。头部形状已标准化。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制

33、造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 常见车床主轴头部结构形式常见车床主轴头部结构形式 a、短锥定心，法兰螺栓紧固，、短锥定心，法兰螺栓紧固， 端面键传递扭矩。端面键传递扭矩。 特点：悬伸短，定心精度比较高，刚特点：悬伸短，定心精度比较高，刚 度好，主轴制动时不会松脱，装卸度好，主轴制动时不会松脱，装卸 快速，但制造困难，使用广泛。快速，但制造困难，使用广泛。 b、长锥定心，螺纹紧固，单键、长锥定心，螺纹紧固，单键 传递扭矩。传递扭矩。 特点：特点：采用长锥增加了定心的稳定性，采用长锥增加了定心的稳定性， 但悬伸仍较长。但悬伸仍较长。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技

34、术装备装备机床设计机床设计 c、园柱定心，螺纹压、园柱定心，螺纹压 爪紧固。爪紧固。 装卸比较方便，但定装卸比较方便，但定 心直径有间隙，定心精心直径有间隙，定心精 度低，悬伸长，当主轴度低，悬伸长，当主轴 迅速制动时，盘有自动迅速制动时，盘有自动 松脱的可能，必须有防松脱的可能，必须有防 护装置。护装置。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 2、为了提高刚度，为了提高刚度，主轴的主轴的直径应尽量大直径应尽量大一些，悬伸量一些，悬伸量 （前轴承至主轴前端面的距离）（前轴承至主轴前端面的距离）应尽可能地小些。应尽可能地小些。 3、为便于装配，为便于

35、装配，主轴常制成阶梯形的。主轴常制成阶梯形的。 4、为了不使主轴的刚度受太大的影响，主轴内孔直径为了不使主轴的刚度受太大的影响，主轴内孔直径 不宜超过外径的不宜超过外径的70%。（。（d/d0.7） 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 二、主轴的材料和热处理二、主轴的材料和热处理 1、主轴的材料，主要应根据耐磨性、热处理方法、热主轴的材料，主要应根据耐磨性、热处理方法、热 处理后的变形选择。处理后的变形选择。 2、主轴常用材料、主轴常用材料 普通机床的主轴，普通机床的主轴，主要为提高强度和韧性。采用主要为提高强度和韧性。采用 45钢，调质钢，调质

36、t235到到220-250hbs左右；主轴头部左右；主轴头部 的锥孔、定心锥面、轴颈等部位高频淬硬至的锥孔、定心锥面、轴颈等部位高频淬硬至50- 55hrc。 精密机床的主轴精密机床的主轴，要求精度高、精度保持性好，热，要求精度高、精度保持性好，热 处理后残余应力小。采用处理后残余应力小。采用40cr、20cr等渗碳、淬等渗碳、淬 硬至硬至hrc60。 要求耐磨性很高的主轴，要求耐磨性很高的主轴，采用渗碳钢如采用渗碳钢如 38crmoala渗碳处理。渗碳处理。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 包括：尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和表面硬包括：

37、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和表面硬 度等。度等。 1、主轴轴颈、壳体孔的直径公差、形状公差与、主轴轴颈、壳体孔的直径公差、形状公差与轴承的轴承的 精度精度有关。有关。 2、主轴其余的技术条件，应根据、主轴其余的技术条件，应根据机床精度标准机床精度标准制定。制定。 3、制定主轴的技术条件应满足的要求：、制定主轴的技术条件应满足的要求： n 使设计基准、工艺基准和检验基准尽可能一致。若使设计基准、工艺基准和检验基准尽可能一致。若 不一致，则应以设计基准为基础来考虑。不一致，则应以设计基准为基础来考虑。 n 用较少的检测项目和标注代号来表达技术条件，使用较少的检测项目和标注代号来表达技术条件，使

38、 图面清晰易懂。（允许用少量的文字说明）图面清晰易懂。（允许用少量的文字说明） 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n轴颈轴颈a a和和b b的圆度；的圆度； n莫氏锥孔和莫氏锥孔和a a、b b斜面用涂色法检查斜面用涂色法检查, ,接触率接触率70%,70%,靠大端；靠大端； n莫氏锥孔对轴颈莫氏锥孔对轴颈a a、b b的径向圆跳动；的径向圆跳动； n短锥短锥c c对轴颈对轴颈a a、b b的斜向圆跳动；的斜向圆跳动； n端面端面d d对轴颈对轴颈a a、b b

39、的端面圆跳动；的端面圆跳动； n安装齿轮等传动件的部位，与前、后端承颈的同轴度。安装齿轮等传动件的部位，与前、后端承颈的同轴度。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 一、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件。一、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件。 1中等转速，较高刚度中等转速，较高刚度 （1）这类主轴的这类主轴的前、后径向支承多用双列圆柱滚前、后径向支承多用双列圆柱滚 子轴承子轴承，推力支承多用推力角接触球轴承推力支承多用推力角接触球轴承。 （2）推力轴承安排在前支承内推力轴承安排在前支承内，尽量靠近前端面，尽量靠近前端面， 使主轴发热后向后膨胀

40、。使主轴发热后向后膨胀。 （3）三支承主轴，）三支承主轴，前、中为主，后支承为辅。前、中为主，后支承为辅。 “主主”支承应预紧，支承应预紧，使轴承的滚道与滚动体之间使轴承的滚道与滚动体之间 处于过盈状态；处于过盈状态；“辅辅”支承常用深沟球轴承，保支承常用深沟球轴承，保 留游隙以至选用游隙较大的轴承。留游隙以至选用游隙较大的轴承。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n 推力支承在前支承内推力支承在前支承内 。 n 三支承主轴，前、中为主，后支承三支承主轴，前、中

41、为主，后支承(6216)为辅。为辅。 n 碟形弹簧碟形弹簧1用以控制预紧力，并补偿因主轴热伸用以控制预紧力，并补偿因主轴热伸 长而使轴承预紧力发生的变化。长而使轴承预紧力发生的变化。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n 为了适应高转速，前轴承用角接触球轴承。轴向为了适应高转速，前轴承用角接触球轴承。轴向 载荷较大，故采用接触角载荷较大，故采用接触角=25的轴承的轴承 。 n 后支承的载荷较大，用双列圆柱滚子轴承。后支承的载荷较大，用双列圆柱滚子轴承。 南昌大学

42、机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 高速、轻载、精密的主轴单元。高速、轻载、精密的主轴单元。（16000rmin） 两端径向载荷较大、轴向载荷不大，故前后各装两端径向载荷较大、轴向载荷不大，故前后各装 两个同向的两个同向的a=15轻系列角接触球轴承轻系列角接触球轴承。 用用定压预紧定压预紧，预紧力靠螺旋弹簧保证。，预紧力靠螺旋弹簧保证。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 1、传动方式、传动方式 传动方式传动方式 齿轮、蜗轮齿轮、蜗轮 带（带（v型带、多楔带、同步带）型带、多楔带、同步带） 内装式电动机内装

43、式电动机 （电主轴（电主轴） 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 结构简单、紧凑，能够适应变转速、变载荷工作，结构简单、紧凑，能够适应变转速、变载荷工作， 能传递较大的转矩能传递较大的转矩，线速度，线速度v1215ms。 主轴上不能有滑移齿轮或其它活装零件主轴上不能有滑移齿轮或其它活装零件。 齿轮的精度：齿轮的精度：影响传动平稳性的第影响传动平稳性的第公差组精度取公差组精度取 5级级6级。齿轮须淬硬。齿面须磨削。级。齿轮须淬硬。齿面须磨削。 若齿轮位于前、后轴承之间，则若齿轮位于前、后轴承之间，则齿轮应尽量靠近前齿轮应尽量靠近前 轴承。轴承。 为

44、使主轴运转平稳，可为使主轴运转平稳，可采用斜齿轮采用斜齿轮，螺旋倾角，螺旋倾角 1520。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 确定斜齿轮螺旋方向时应考虑：确定斜齿轮螺旋方向时应考虑： 粗加工时，粗加工时，轴向分力的方向与切削力的轴轴向分力的方向与切削力的轴 向分力方向相反。这样，可以减少磨损和向分力方向相反。这样，可以减少磨损和 发热，提高轴承寿命。因此，发热，提高轴承寿命。因此，采用左旋齿采用左旋齿 轮。轮。 精密、高速加工时，精密、高速加工时，轴向分力方向与切削轴向分力方向与切削 力的轴向分力方向相同。这样，可以防止力的轴向分力方向相同。这

45、样，可以防止 轴向窜动，提高轴向精度。因此，轴向窜动，提高轴向精度。因此，采用右采用右 旋齿轮。旋齿轮。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 带轮结构简单，转速较高的主轴，用带传动可使带轮结构简单，转速较高的主轴，用带传动可使 运转平稳运转平稳。 25-30m/s 采用采用v形带，形带，20m/s采用各种高采用各种高 速平带。若速平带。若100m/s带轮应进行动平衡。带轮应进行动平衡。 必须能调节中心距必须能调节中心距。 须有卸荷机构须有卸荷机构，使带轮上的径向压力不作用在主，使带轮上的径向压力不作用在主 轴上，避免主轴弯曲变形而影响精度。轴上，

46、避免主轴弯曲变形而影响精度。 一般装在主轴后支承后部主轴的悬伸处一般装在主轴后支承后部主轴的悬伸处，以便于，以便于 防护、防止与油接触受侵蚀、并方便皮带的安装、防护、防止与油接触受侵蚀、并方便皮带的安装、 更换。更换。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 3）内装式电动机）内装式电动机 主轴的转速很高时，可采用原动机直接传主轴的转速很高时，可采用原动机直接传 动主轴。动主轴。 转子轴就是主轴。转子轴就是主轴。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 电主轴电主轴 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院

47、 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 2、主轴上传动件的合理布置、主轴上传动件的合理布置 （1）主轴上不承受传动力）主轴上不承受传动力（即卸荷主轴）（即卸荷主轴） （2）主轴尾部承受传动力）主轴尾部承受传动力 （3）主轴前端承受传动力）主轴前端承受传动力 （4）主轴两支承间承受传动力）主轴两支承间承受传动力 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 措施主要有措施主要有 提高精度提高精度 控制温升、提高转速、减少热变形；控制温升、提高转速、减少热变形； 改善动态特性改善动态特性 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机

48、床设计机床设计 n 提高精度提高精度 措施措施： 提高主轴和提高主轴和 轴承的精度；轴承的精度； 采用定向装采用定向装 配法：配法：将这将这 三项误差按三项误差按 一定的方向一定的方向 装配，可使装配，可使 误差互相抵误差互相抵 消。消。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n 精密、高精度机床拆卸轴承前必须在轴承外圈与壳体精密、高精度机床拆卸轴承前必须在轴承外圈与壳体 之间，内圈与主轴之间做记号。装配时按记号装。之间，内圈与主轴之间做记号。装配时按记号装。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 随着

49、技术的发展，主轴转速将越来越高。但主随着技术的发展，主轴转速将越来越高。但主 轴温升，却不能超过规定值。轴温升，却不能超过规定值。 n从轴承的选型、润滑来考虑。从轴承的选型、润滑来考虑。 球轴承允许的转速比滚子轴承高；球轴承允许的转速比滚子轴承高； 角接触球轴承中，接触角小的转速高；角接触球轴承中，接触角小的转速高； 用油雾或油气润滑比用脂润滑转速高；用油雾或油气润滑比用脂润滑转速高； 轻预紧比中预紧转速高。轻预紧比中预紧转速高。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 改善动态特性，可采取下列措施：改善动态特性，可采取下列措施： (1) 使主轴组件

50、的固有频率避开激振力的频率。高于使主轴组件的固有频率避开激振力的频率。高于 激振力频率激振力频率30以上。以上。 (2) 主轴轴承，特别是前轴承增加阻尼。适当预紧可主轴轴承，特别是前轴承增加阻尼。适当预紧可 以提高阻尼。以提高阻尼。 (3) 采用三支承。采用三支承。 (4) 采用消振装置。采用消振装置。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 主轴的滑动轴承主轴的滑动轴承 动压轴承动压轴承 静压轴承静压轴承 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 一、动压轴承一、动压轴承 1、是靠轴的转动形成油膜而具有承载

51、能力的。是靠轴的转动形成油膜而具有承载能力的。 2、承载能力与滑动速度成正比。承载能力与滑动速度成正比。低速承载能力低。低速承载能力低。 3、用于高速和转速变化不大的地方用于高速和转速变化不大的地方，如磨床主轴。，如磨床主轴。 二、静压轴承二、静压轴承 1、油膜压强靠液压泵建立油膜压强靠液压泵建立，与主轴的转速关系不大。，与主轴的转速关系不大。 2、常用于低速或转速变化较大的地方。常用于低速或转速变化较大的地方。 3、静压轴承的油膜较厚，对轴颈、轴瓦孔的圆度误差能起均、静压轴承的油膜较厚，对轴颈、轴瓦孔的圆度误差能起均 化作用，故化作用，故还用于精度要求较高的主轴。还用于精度要求较高的主轴。

52、南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 设计和计算步骤：设计和计算步骤： (1) 根据统计资料，根据统计资料，初选主轴的直径。初选主轴的直径。 (2) 选择主轴的跨距。选择主轴的跨距。 (3) 参考上述数据进行参考上述数据进行构造设计，构造设计，根据构造上根据构造上 的要求，对上述的要求，对上述数据进行修正。数据进行修正。 (4) 验算。验算。 (5) 根据验算结果，对设计进行必要的根据验算结果，对设计进行必要的修改。修改。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 1、主轴前轴颈直径、主轴前轴颈直径d1 （

53、1）按传递功率确定）按传递功率确定 根据表根据表10-6决定主轴前轴颈直径决定主轴前轴颈直径d1 。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 （2）按机床的主参数决定）按机床的主参数决定 例：普通卧式车床例：普通卧式车床 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 2. 车床、铣床、镗铣加工中心等机床，主轴车床、铣床、镗铣加工中心等机床，主轴 直径常是从前（直径常是从前（d1）向后（）向后（ d2 ）逐段减少）逐段减少 的。的。 通常：通常： d2 =（0.70.9）d1 3. 磨床主轴常为前、后轴颈相等，中段

54、较粗。磨床主轴常为前、后轴颈相等，中段较粗。 例：主参数例：主参数400 d1=85-115 根据内孔莫氏根据内孔莫氏 锥度的大小选定，参照功率来定，功率大锥度的大小选定，参照功率来定，功率大 选大，功率小选小。选大，功率小选小。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 注意事项：注意事项： 加大加大d可以提高刚度使可以提高刚度使d加大，可以扩大机加大，可以扩大机 床的使用范围，是发展趋势。设计时应充床的使用范围，是发展趋势。设计时应充 分考虑下列因素后再加大分考虑下列因素后再加大d。 （1）结构空间尺寸加大。结构空间尺寸加大。 （2）成本提高，制造

55、困难。成本提高，制造困难。 （3）受速度参数的限制。受速度参数的限制。 （4）一般选用轻型或特轻型轴承。一般选用轻型或特轻型轴承。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 4、主轴的孔径、主轴的孔径d 加大加大d可扩大使用范围，当外径可扩大使用范围，当外径d一定时，加一定时，加 大大d 受到下列限制：受到下列限制： （1）结构限制）结构限制 对中型机床：对中型机床： d2 d 2025mm 主轴尾部最薄处的直径差应主轴尾部最薄处的直径差应1015mm 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 （2）刚度限制）

56、刚度限制 由由“材力材力”可知：主轴端部的刚度正比于截面惯性力可知：主轴端部的刚度正比于截面惯性力 矩即：矩即： 根据此式可以给出主轴孔径根据此式可以给出主轴孔径d 对刚度的影响曲线对刚度的影响曲线 k空空 / k实实=0.96 k空空 / k实实=0.76则主轴的刚度就会急剧下降。则主轴的刚度就会急剧下降。 因此，首先根据系列型谱或者使用要求确定因此，首先根据系列型谱或者使用要求确定d再由再由 确定确定d（加大孔径的车床不受限制）（加大孔径的车床不受限制） 例：例：ca6140 d1 =105 d2 =75 d=90 d =48 7 . 0 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术

57、制造技术装备装备机床设计机床设计 1、主轴的悬伸量、主轴的悬伸量a： 主轴前端面到前支承径向主轴前端面到前支承径向 支反力作用点之间的距离。支反力作用点之间的距离。 2、根据分析和试验，缩短悬伸量，可以明显地提根据分析和试验，缩短悬伸量，可以明显地提 高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时应努应努 力缩短悬伸量。力缩短悬伸量。有时可不按标准设计。有时可不按标准设计。 3、a的大小受结构限制。的大小受结构限制。主要取决于端部的结构形主要取决于端部的结构形 状及尺寸；刀具或夹具的安装方式；前轴承的类状及尺寸；刀具或夹具的安装方式；前轴承的类 型及配置；润滑与密

58、封装置的结构尺寸等。型及配置；润滑与密封装置的结构尺寸等。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 主轴的跨距主轴的跨距l：前、后轴承之间的距离。前、后轴承之间的距离。 主轴的跨距直接影响主轴端部的挠度，合主轴的跨距直接影响主轴端部的挠度，合 理的（最佳的）跨距可使主轴端部的挠度理的（最佳的）跨距可使主轴端部的挠度 最小。最小。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 1、l对主轴组件刚度的影响对主轴组件刚度的影响 （1）假设轴承为刚性支座，主轴为弹性体，）假设轴承为刚性支座，主轴为弹性体， 主轴在前端受力

59、主轴在前端受力f后的挠度后的挠度s。 根据根据“材料力学材料力学”中两中两 支点和悬臂梁的挠度支点和悬臂梁的挠度 公式公式 即：柔度即：柔度 e主轴材料的弹性模量，主轴材料的弹性模量， i主轴截面的平均惯性矩。主轴截面的平均惯性矩。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n 当当a为已知值，为已知值，f一定时，以一定时，以 柔度柔度s/f和跨距、悬伸比的和跨距、悬伸比的 关系图，可得一关系图，可得一直线直线a。 n 从图中可知，从图中可知，l/a越大，越大，s/f 也越大，即刚度越低。这表也越大，即刚度越低。这表 明：明：由于主轴本身变形而引由于主

60、轴本身变形而引 起的主轴端部挠度起的主轴端部挠度s，随着，随着 支承跨距支承跨距l的加大而成线性增的加大而成线性增 加。加。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 （2）设主轴为刚体，支承为弹性体。）设主轴为刚体，支承为弹性体。前后支承在主轴前后支承在主轴 前端受力前端受力f下的变形为下的变形为a、b，主轴前端变形，主轴前端变形z；前；前 后支承的支反力为后支承的支反力为ra和和rb；刚度为；刚度为ka和和kb。 因因 得：得： 1 zab aa ll 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 制造技术制造技术装备装备机床设计机床设计 n 由由曲线