典型部件设计

1、3.1 主轴部件设计3.2 支承件设计3.3 导轨设计第三章 典型部件设计3.1 主轴部件设计3.1.1 3.1.1 主轴部件应满足的基本要求主轴部件应满足的基本要求3.1.2 3.1.2 主轴部件的传动方式主轴部件的传动方式3.1.3 3.1.3 主轴用滚动轴承主轴用滚动轴承3.1.4 3.1.4 主轴用滑动轴承主轴用滑动轴承3.1.5 3.1.5 主轴部件结构设计主轴部件结构设计 主轴部件是机床重要部件之一，是机床的执行件。主轴部件是机床重要部件之一，是机床的执行件。功用：支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切功用：支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形

2、运动削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。 主轴部件的组成：主轴、支承轴承、传动件、定位元主轴、支承轴承、传动件、定位元件、密封件件、密封件主轴部件的功能：支撑并带动工件或刀具旋转进行切削；承支撑并带动工件或刀具旋转进行切削；承受切削力、驱动力，完成表面成形运动受切削力、驱动力，完成表面成形运动。主轴部件应满足的基本要求旋转精度温升和热变形刚度抗振性耐磨性3.1.1 3.1.1 主轴部件应满足的基本要求主轴部件应满足的基本要求 1.主轴的旋转精度旋转精度：主轴在主轴在手动或低速手动或低速、空载空载时，时，主轴主轴前端定位面前端定位面的的径向跳动径向跳动、端面跳端面跳动动和和轴向窜动值轴向窜动值

3、。 注意：注意：主轴以工作转速旋转时，旋转精度不同于主轴以工作转速旋转时，旋转精度不同于低速，对于精密和高精密机床不能忽略。还应测定低速，对于精密和高精密机床不能忽略。还应测定机床在工作转速时的旋转精度，称为机床在工作转速时的旋转精度，称为运动精度。运动精度。 旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔的制造、装取决于主轴、轴承、箱体孔的制造、装配和调整精度。配和调整精度。运动精度还取决于主轴转速、轴承的设计和性能以及还取决于主轴转速、轴承的设计和性能以及主轴部件的动态性能。主轴部件的动态性能。2刚度刚度：主轴部件承受外载荷时抵抗变形的能力，刚度的倒数也称为柔度。刚度 常以主轴前端产生单位位移的弹性变形

4、时，常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向施加的作用力表示。在位移方向施加的作用力表示。 当主轴外伸端受径向作用当主轴外伸端受径向作用力力F,受力方向上弹性位移受力方向上弹性位移为为时，则刚度时，则刚度K为：为：/FKNm1 1） 静刚度：静刚度：主轴部件在静载荷作用下，抵抗变形的能力，表示为：Kj=Fj /j 。2） 动刚度：主轴部件在交变载荷作用下，抵抗变形主轴部件在交变载荷作用下，抵抗变形的能力，表示为：的能力，表示为：Kd=Fd /d 。 主轴部件的刚度受主轴的尺寸和形状，滚动轴承的类型、数量、预紧和配置方式、传动件的布置方式、主轴部件的制造精度和装配质量等影响。 主轴部件的

5、刚度不足，直接影响加工精度和机床性能。主轴部件的刚度不足，直接影响加工精度和机床性能。3抗振性抗振性：主轴部件抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。 理论分析和试验结果表明，影响主轴部件抗振性的主要因素是主轴部件的静刚度、阻尼特性和固有频率等。刚度和阻尼比越大越不容易产生振动。 振动直接影响工件的表面加工质量和刀具的使用寿振动直接影响工件的表面加工质量和刀具的使用寿命，并产生噪声。命，并产生噪声。4温升和热变形温升和热变形：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。 影响因素：轴承的类型和布置方式；轴承预紧影响因素：轴承的类

6、型和布置方式；轴承预紧力大小；润滑方式和散热条件等。力大小；润滑方式和散热条件等。5耐磨性耐磨性：主轴部件的耐磨性是指长期保持其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。原始精度的能力，即精度的保持性。 精度保持性决定于主轴部件的耐磨性能。精度保持性决定于主轴部件的耐磨性能。 对耐磨性影响较大的因素：主轴、轴承的材料、对耐磨性影响较大的因素：主轴、轴承的材料、热处理方法、轴承类型及润滑防护措施等。热处理方法、轴承类型及润滑防护措施等。 磨损后对精度有影响的部位首先是轴承、其次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或锥孔。是安装夹具、刀具或工件

7、的定位面或锥孔。主轴滚动轴承主轴滚动轴承q 轴承：主轴部件中最重要的组件。轴承的轴承：主轴部件中最重要的组件。轴承的类型、配置、精类型、配置、精度、安装、调整和润滑度、安装、调整和润滑等都直接影响主轴部件的工作性能。等都直接影响主轴部件的工作性能。q 对主轴轴承的要求：旋转精度高、刚度高、承载能力强、对主轴轴承的要求：旋转精度高、刚度高、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、抗振性极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等。好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等。q 主轴轴承：主轴轴承：滚动轴承和滑动轴承滚动轴承和滑动轴承。在

8、使用中，应根据主轴。在使用中，应根据主轴部件的工作性能要求、制造条件和经济效益中和考虑，合部件的工作性能要求、制造条件和经济效益中和考虑，合理选用。理选用。几几种种常常用用的的主主轴轴滚滚动动轴轴承承典型的主轴轴承配置型式典型的主轴轴承配置型式 主轴轴承的配置形式应根据主轴轴承的配置形式应根据刚度、承载能力、转速、刚度、承载能力、转速、抗振性和噪声抗振性和噪声来选择。来选择。径向承载能力和刚度方面q 线接触圆柱或圆锥滚子轴承比点接触球轴承好；线接触圆柱或圆锥滚子轴承比点接触球轴承好；q 双列滚动轴承比单列好；双列滚动轴承比单列好；轴向承载能力和刚度方面q 推力轴承最好，其次依次为圆锥滚子轴承和

9、角接触轴承推力轴承最好，其次依次为圆锥滚子轴承和角接触轴承q 深沟球轴承也可以承受一些轴向力，但轴向刚度很差深沟球轴承也可以承受一些轴向力，但轴向刚度很差；在承受径向载荷的轴承中，允许转速：q深沟球轴承和角接触球轴承最高；深沟球轴承和角接触球轴承最高；q圆柱滚子轴承次之；圆柱滚子轴承次之；q圆锥滚子轴承低于上述轴承；圆锥滚子轴承低于上述轴承；在承受轴向载荷的轴承中，允许转速：q角接触球轴承最高；角接触球轴承最高；q推力球轴承次之；推力球轴承次之；q圆锥滚子轴承低于上述轴承；圆锥滚子轴承低于上述轴承；选择滚动轴承的基本原则选择滚动轴承的基本原则1）转速较高，负载不大，而旋转精度要求较高，采用球轴

10、承。）转速较高，负载不大，而旋转精度要求较高，采用球轴承。2）转速较低，负载大或有冲击负载，采用滚子轴承；）转速较低，负载大或有冲击负载，采用滚子轴承；3）径向载荷和轴向载荷都较大时，如果转速高，采用角接触球轴）径向载荷和轴向载荷都较大时，如果转速高，采用角接触球轴承。如果转速不高，采用圆锥滚子轴承。承。如果转速不高，采用圆锥滚子轴承。4）轴向载荷比径向载荷大得多，但转速较低时，采用两种不同类）轴向载荷比径向载荷大得多，但转速较低时，采用两种不同类型的轴承组合，分别承担轴向和径向负载；型的轴承组合，分别承担轴向和径向负载；5）径向载荷比轴向载荷大得多，且转速较高，采用深沟球轴承。）径向载荷比轴

11、向载荷大得多，且转速较高，采用深沟球轴承。6）支承刚度要求较高时，可采用成对角接触型轴承。）支承刚度要求较高时，可采用成对角接触型轴承。主主轴轴轴轴向向定定位位前端定位：前端定位：前支承结构复杂，受前支承结构复杂，受力大，温升高，热膨胀后向后伸力大，温升高，热膨胀后向后伸长，对主轴前端位置影响较小。长，对主轴前端位置影响较小。用于轴向精度和刚度要求较高的用于轴向精度和刚度要求较高的机床。精密车、铣床、坐标镗机床。精密车、铣床、坐标镗 后端定位：后端定位：结构简单，热膨胀结构简单，热膨胀后向前伸长，影响主轴组件的后向前伸长，影响主轴组件的轴向精度。多用于普通精度级轴向精度。多用于普通精度级的机床

12、。的机床。 立铣、多刀车床两端定位：两端定位：构造简单，但热膨胀构造简单，但热膨胀后将产生轴向松动（弯曲），常后将产生轴向松动（弯曲），常用于较短的主轴或轴向间隙不影用于较短的主轴或轴向间隙不影响正常工作的机床响正常工作的机床 。钻床。钻床 轴向定位精度决定于承受轴向载荷的轴承轴向定位精度决定于承受轴向载荷的轴承 典型主轴组件及其轴向力的传递典型主轴组件及其轴向力的传递装Gamet轴承的卧式车床主轴组件（前端定位）（前端定位）刚度型刚度型CNCCNC车床主轴组件车床主轴组件（前端定位）（前端定位） 刚度型多刀车床主轴组件刚度型多刀车床主轴组件（后端定位）（后端定位）典型的主轴部件三.滚动轴承精

13、度等级的选择主轴前轴承的精度对主轴旋转精度影响较大，因此，前主轴前轴承的精度对主轴旋转精度影响较大，因此，前轴承的精度通常应选得比后轴承高一级。轴承的精度通常应选得比后轴承高一级。滚动轴承的配合对主轴部件精度的影响也很大滚动轴承的配合对主轴部件精度的影响也很大。四.主轴滚动轴承的预紧q 预紧：采用预加载荷的方预紧：采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，使滚动体一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。高支承刚度和抗振性。q 预紧有径向和轴向两种。预紧有径向和轴向两种。q

14、预紧力通常分为三级：轻预紧力通常分为三级：轻预紧、中预紧和重预紧，预紧、中预紧和重预紧，代号为代号为A、B、C。轻预紧轻预紧适用于高速主轴，中预紧适用于高速主轴，中预紧适用于中、低速主轴；重适用于中、低速主轴；重预紧用于分度主轴。预紧用于分度主轴。双列短圆柱滚子轴承的预紧用螺母轴向移动轴承内圈，使其双列短圆柱滚子轴承的预紧用螺母轴向移动轴承内圈，使其径向涨紧，实现预紧；采用过盈套进行轴向定位。径向涨紧，实现预紧；采用过盈套进行轴向定位。主轴部件结构设计主轴部件结构设计1 1 主轴的结构主轴的结构 主轴的结构主轴的结构 取决于主轴上安装的刀具、夹具、工件、传取决于主轴上安装的刀具、夹具、工件、传

15、动件、轴承的类型、数量、位置和安装定位方法动件、轴承的类型、数量、位置和安装定位方法 主轴的整体结构主轴的整体结构 是空心阶梯轴，外径从前端到尾部逐渐减小是空心阶梯轴，外径从前端到尾部逐渐减小 主轴的前端形式主轴的前端形式 取决于机床的类型和安装夹具或刀具的取决于机床的类型和安装夹具或刀具的形式。通用机床已有标准化的形式。形式。通用机床已有标准化的形式。前轴颈直径：前轴颈直径：D1内径：内径：d前端悬伸量：前端悬伸量：a跨距：跨距：L2 2 主轴的材料及热处理主轴的材料及热处理 选材依据选材依据 载荷类型、耐磨性、热处理方法载荷类型、耐磨性、热处理方法（1） 普通机床主轴普通机床主轴：采用采用

16、4545# #或或6060# #优质结构钢。在主轴支优质结构钢。在主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面进行局部高频淬火，提高耐承轴颈及装卡刀具的定位基面进行局部高频淬火，提高耐磨性。硬度为磨性。硬度为505055HRC55HRC。（2） 精密、大载荷、有冲击的机床主轴精密、大载荷、有冲击的机床主轴：采用中碳或低采用中碳或低碳合金钢，碳合金钢，40Cr40Cr，20Cr20Cr。进行高频淬火或渗碳淬火，提高。进行高频淬火或渗碳淬火，提高耐磨性，硬度耐磨性，硬度525265HRC65HRC3 3 主轴的技术要求主轴的技术要求支承轴颈A、B是主轴的工作基面、工艺基面、测量基面4 4 主轴主要尺寸参数确定

17、主轴主要尺寸参数确定（1）主轴前轴颈D1的确定 主轴刚度与其惯性矩成正比，惯性矩与直径的主轴刚度与其惯性矩成正比，惯性矩与直径的4次方成正比，主轴次方成正比，主轴直径越大刚度越大，直径越大刚度越大，主轴组件主轴组件的尺寸加大。的尺寸加大。在保证主轴组件刚度的同在保证主轴组件刚度的同时，尽量减小结构尺寸。时，尽量减小结构尺寸。 按机床类型、主传动功率或主参数查表计算确定按机床类型、主传动功率或主参数查表计算确定。车床和铣床 D2（0.70.85)D1（2）主轴内孔直径 d 的确定选取原则选取原则：q 满足对空心主轴孔径的要求满足对空心主轴孔径的要求q 最小壁厚要求最小壁厚要求q 不削弱主轴刚度要

18、求不削弱主轴刚度要求尽量取大尽量取大参考主轴直径和刀杆参考主轴直径和刀杆直径确定直径确定推荐：推荐：普通车床：普通车床：d/D=0.550.6转塔车床或半自动车床：转塔车床或半自动车床： d/D=0.60.65铣床：铣床：d=拉杆直径拉杆直径+（510）（3）主轴前端悬伸量 a 的确定选取原则选取原则：在满足结构要求前提下，：在满足结构要求前提下，尽量取小尽量取小a：指主轴前支承径向反力作：指主轴前支承径向反力作用点到主轴前端受力作用用点到主轴前端受力作用点的距离点的距离通用和精密车床，自动车床和短主轴端铣床通用和精密车床，自动车床和短主轴端铣床 a/D=0.61.5中等长度和较长轴端的车床和铣床中等长度和较长轴端的车床和铣床 a/D=1.252.5孔加工机床，专用加工细长深孔的机床孔加工机床，专用加工细长深孔的机床 a/D2.5（4）主轴跨距 L 的确定受力后，轴端弹性变形受力后，轴端弹性变形y=y1+y2 支承为刚体，主轴支承为刚体，主轴