第三章_机床主要部件设计(1)

1、2022年年6月月1日日本本 章章 讲讲 授授 内内 容容 第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 第二节第二节 支承件设计支承件设计 第三节第三节 导轨设计导轨设计 第四节第四节 滚珠丝杠螺母副机构简介滚珠丝杠螺母副机构简介第三章第三章 机床主要部件设计机床主要部件设计第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 组成组成 主轴、支承轴承、传动件、定位元件及密封件。主轴、支承轴承、传动件、定位元件及密封件。 作用作用 支承并带动工件或刀具旋转进行切削；承受切削力和驱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，完成表面成形运动。动力，完成表面成形运动。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计

2、 一、主轴组件应满足的基本要求一、主轴组件应满足的基本要求 使用使用 要要 求求 旋转精度旋转精度 刚度刚度 抗振性抗振性 温升和热变性温升和热变性 精度保持性精度保持性 结构结构 要要 求求 工件、刀具的定位装夹工件、刀具的定位装夹 主轴及轴承的定位主轴及轴承的定位 轴承间隙的调整、润滑轴承间隙的调整、润滑与密封与密封 便于制造装配和维修便于制造装配和维修. .旋转精度旋转精度 旋转精度旋转精度 指主轴装配后，在空载、低速转动状态下，安装刀指主轴装配后，在空载、低速转动状态下，安装刀具或工件的主轴部位的径向跳动和轴向跳动。具或工件的主轴部位的径向跳动和轴向跳动。第一节第一节 主轴组件设计主轴

3、组件设计 主轴组件的旋转精度直接影响工件的加工精度。主轴组件的旋转精度直接影响工件的加工精度。 旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔的制造、装配和调整精度。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔的制造、装配和调整精度。 使用使用 要要 求求第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 刚度刚度 指主轴组件在外载荷作用下抵抗变形的能力。指主轴组件在外载荷作用下抵抗变形的能力。 2. 2.刚度刚度 刚度的大小刚度的大小 以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向所施加的作用力大小来表示。方向所施加的作用力大小来表示。)(mNFK / / 如图，当主轴外伸端受径向如图，

4、当主轴外伸端受径向作用力作用力F，受力方向上的弹性位受力方向上的弹性位移为移为时，刚度时，刚度K 的表达式的表达式为：为： 主轴主件的刚度不足直接影响零件的加工精度和机主轴主件的刚度不足直接影响零件的加工精度和机床的性能。床的性能。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 （2 2）动刚度）动刚度 主轴组件在额定载荷作用下抵抗变形的能力，表主轴组件在额定载荷作用下抵抗变形的能力，表示为示为 Kd =Fd / /d 。 （1 1）静刚度）静刚度 主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力，表主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力，表示为示为 Kj =Fj / /j 。 主轴组件的刚度受主轴的尺寸和形状，滚

5、动轴承的类型、数主轴组件的刚度受主轴的尺寸和形状，滚动轴承的类型、数量、预紧和配置形式，传动件的布置方式，主轴组件的制造精度量、预紧和配置形式，传动件的布置方式，主轴组件的制造精度和装配质量等因素影响。和装配质量等因素影响。 第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 在切削过程中，主轴部件受到静态力的作用，也受到冲击力在切削过程中，主轴部件受到静态力的作用，也受到冲击力和交变力的作用而产生振动。冲击力和交变力是由材料硬度不均和交变力的作用而产生振动。冲击力和交变力是由材料硬度不均匀、加工余量的变化、断续切削、主轴部件不平衡、轴承或齿轮匀、加工余量的变化、断续切削、主轴部件不平衡、轴承或齿轮存在缺

6、陷以及切削过程中的颤振等引起。存在缺陷以及切削过程中的颤振等引起。 抗振性抗振性 是指机床在额定载荷切削时，主轴组件抵抗受迫振动是指机床在额定载荷切削时，主轴组件抵抗受迫振动和自激振动的能力。和自激振动的能力。 3. 3.抗振性抗振性 主轴振动直接影响工件的表面加工质量和刀具的使主轴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。用寿命，并产生噪声。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 热变形热变形 是主轴组件运动时，各相对运动处的摩擦，切削区的是主轴组件运动时，各相对运动处的摩擦，切削区的切削热等使主轴组件的温度升高，造成形状、尺寸及位置变化。切削热等使主轴组件的温度升高，造成

7、形状、尺寸及位置变化。 4. 4.温升和热变形温升和热变形 热变形会引起轴承间隙变化，润滑油粘度降低，影响热变形会引起轴承间隙变化，润滑油粘度降低，影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。主轴部件的工作性能，降低加工精度。 精度保持性影响机床使用寿命内的加工精度和工作稳定性。精度保持性影响机床使用寿命内的加工精度和工作稳定性。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 精度保持性精度保持性 指主轴组件长期保持其原始制造精度的能力。指主轴组件长期保持其原始制造精度的能力。 5. 5.精度保持性精度保持性 精度保持性精度保持性决定于主轴组件的耐磨性能。影响耐磨性的因素决定于主轴组件的耐磨性能。影响耐磨性

8、的因素有主轴和轴承的材料、热处理方法、轴承类型及润滑防护措施等。有主轴和轴承的材料、热处理方法、轴承类型及润滑防护措施等。 明确：明确： 主轴组件丧失原始制造精度的原因主轴组件丧失原始制造精度的原因磨损。磨损。 如主轴轴承、轴颈表面、装夹工件或刀具的定位表面的磨损。如主轴轴承、轴颈表面、装夹工件或刀具的定位表面的磨损。 结构结构 要要 求求 1 1、可靠定位、可靠定位。 2 2、轴端结构应保证刀具、夹具装卡定位可靠。、轴端结构应保证刀具、夹具装卡定位可靠。 3 3、结构工艺性好。、结构工艺性好。 小结：小结： 在一定载荷与转速下，主轴应带动工件或刀具精确地、在一定载荷与转速下，主轴应带动工件或

9、刀具精确地、稳定地、长期地绕其轴线旋转，且好装、好拆、好修。稳定地、长期地绕其轴线旋转，且好装、好拆、好修。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 二、主轴滚动轴承二、主轴滚动轴承 能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作。能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作。 能在无间隙，甚至在预紧（有一定过盈量）的条件下工作。能在无间隙，甚至在预紧（有一定过盈量）的条件下工作。故滚动轴承的摩擦系数小，有利于减小发热。故滚动轴承的摩擦系数小，有利于减小发热。 1. 1.滚动轴承的特点滚动轴承的特点 润滑容易，可以用油脂，一次填装可用到修理时再换脂。润滑容易，可以用油脂，一次填装可用到修理时再换脂。如

10、用油润滑，单位时间用油量也比滑动轴承少。如用油润滑，单位时间用油量也比滑动轴承少。 由专业化的轴承厂生产，质量稳定，成本低，经济性好。由专业化的轴承厂生产，质量稳定，成本低，经济性好。 滚动轴承的不足：滚动轴承的不足： 滚动体数量有限，径向刚度是变化的，易引起振动，阻尼低，滚动体数量有限，径向刚度是变化的，易引起振动，阻尼低，振幅较大。滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。振幅较大。滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 1 1）转速较高，负载不大，而旋转精度要求较高，采用球轴承。转速较高，负载不大，而旋转精度要求较高，采用球轴承。 2 2）转速较低，负载大或有冲击负

11、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 3）径向载荷和轴向载荷都较大时，如果转速高，采用角接触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。球轴承。如果转速不高，采用圆锥滚子轴承。 2. 2.选择滚动轴承选择的基本原则选择滚动轴承选择的基本原则 4 4）轴向载荷比径向载荷大得多，但转速较低时，采用两种不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，分别承受轴向和径向负载。同类型的轴承组合，分别承受轴向和径向负载。 5 5）径向载荷比轴向载荷大，且转速较高，采用深沟球轴承。径向载荷比轴向载荷大，且转速较

12、高，采用深沟球轴承。 6 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。 “背靠背组合背靠背组合” 使轴承的接触线与轴线的交点间距大，抵抗使轴承的接触线与轴线的交点间距大，抵抗弯曲变形的支反力矩大，支承刚度比弯曲变形的支反力矩大，支承刚度比“面对面组合面对面组合”高，应用广高，应用广泛。泛。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 3.3.角接触球滚动轴承组合安装角接触球滚动轴承组合安装 机床主轴常选用机床主轴常选用“背靠背组合背靠背组合”，为什么，为什么？ 全陶瓷轴承全陶瓷轴承 适用于耐高温、耐腐蚀、非磁性、电绝缘、要适用于耐高温、耐腐蚀、非磁性、

13、电绝缘、要求减轻重量和超高速场合。求减轻重量和超高速场合。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 与钢轴承相比：与钢轴承相比：高速下重量轻，作用在滚动体上的离心力高速下重量轻，作用在滚动体上的离心力较小，压力和滑动摩擦小；较小，压力和滑动摩擦小；滚动体热膨胀系数小，温升较低，滚动体热膨胀系数小，温升较低，轴承在运转中预紧力变化缓慢，运动平稳；轴承在运转中预紧力变化缓慢，运动平稳；弹性模量大，轴承弹性模量大，轴承的刚度增大。的刚度增大。 4.4.陶瓷滚动轴承陶瓷滚动轴承 1 1）特点）特点 2 2）应用）应用 陶瓷钢混制轴承陶瓷钢混制轴承 滚动体和外圈采用不同材料，运转时分子滚动体和外圈采用不同

14、材料，运转时分子亲合力很小，摩擦系数小，有自润滑性能，可在供油中断无润滑亲合力很小，摩擦系数小，有自润滑性能，可在供油中断无润滑时正常工作。适用于高速、超高速、精密机床的主轴组件。时正常工作。适用于高速、超高速、精密机床的主轴组件。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 磁浮轴承磁浮轴承 是是利用磁浮力来支承运动部件，使其与固定部件脱利用磁浮力来支承运动部件，使其与固定部件脱离接触来实现轴承功能。离接触来实现轴承功能。 无机械磨损，运转无噪声，温度低，能耗小；不需要润滑，无机械磨损，运转无噪声，温度低，能耗小；不需要润滑，不污染环境；能在超低温、高温、真空、蒸气腐蚀性环境中正常不污染环境；能在

15、超低温、高温、真空、蒸气腐蚀性环境中正常工作。工作。 磁浮轴承主轴可以自适应控制，通过监测定子线圈电流，磁浮轴承主轴可以自适应控制，通过监测定子线圈电流，灵敏地控制切削力。可通过检测切削力的微小变化来控制机械运灵敏地控制切削力。可通过检测切削力的微小变化来控制机械运动，加工精度高。动，加工精度高。特别适用于高速、超高速加工。特别适用于高速、超高速加工。 5. 5.磁浮轴承（磁力轴承）磁浮轴承（磁力轴承）磁浮轴承的特点：磁浮轴承的特点：第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 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、传动件取决于主轴上安装的刀具、夹具、工件、传动件以及轴承的类型、数

16、量、位置和安装定位方法。以及轴承的类型、数量、位置和安装定位方法。 三、主轴三、主轴 1 1. . 主轴的结构主轴的结构 主轴前端形式主轴前端形式 取决于机床的类型和安装夹具或刀具的形式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。通用机床已有标准化的形式。 主轴整体结构主轴整体结构 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。 第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 （2 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 采用中碳或低碳合金采用中碳或低碳合金钢，如钢，如40Cr，20Cr。进行高频淬火或渗碳淬火，提高

17、耐磨性，硬。进行高频淬火或渗碳淬火，提高耐磨性，硬度度5265HRC。2.2.主轴的材料及热处理主轴的材料及热处理 主轴的选材依据：载荷类型、耐磨性、热处理方法。主轴的选材依据：载荷类型、耐磨性、热处理方法。（3 3）主轴材料的攻关点）主轴材料的攻关点 怎样减小高速、高效、高精密机床主怎样减小高速、高效、高精密机床主轴的热变形、振动。轴的热变形、振动。已研制的新型主轴材料有玻璃陶瓷材料。已研制的新型主轴材料有玻璃陶瓷材料。 （1 1）普通机床主轴）普通机床主轴 采用采用45# 或或60#优质结构钢。在主轴支承轴颈优质结构钢。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，提高耐磨性，硬度为

18、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5055HRC。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 （1 1）满足主轴旋转精度要求）满足主轴旋转精度要求 主轴前后轴承轴颈的同轴度，主轴前后轴承轴颈的同轴度， 锥孔相对于前后轴颈中心连接线的径向跳动，锥孔相对于前后轴颈中心连接线的径向跳动， 定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心连线的径向和定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心连线的径向和轴向跳动等。轴向跳动等。 3.3.主轴的技术要求主轴的技术要求 （2 2）其它性能要求）其它性能要求 表面粗糙度，表面硬度等。表面粗糙度，表面硬度等。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 1. 1

19、.传动方式传动方式 （1 1）齿轮传动）齿轮传动 靠轮齿啮合传动。结构简单、紧凑，能传递较靠轮齿啮合传动。结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩，适应变转速、变载荷工作。大的扭矩，适应变转速、变载荷工作。 不足点：不足点：线速度需线速度需1215m/s1215m/s，比带传动的平稳性差。，比带传动的平稳性差。 （2 2）带传动）带传动 靠摩擦力传递动力。结构简单，皮带有弹性可吸靠摩擦力传递动力。结构简单，皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小；过载时打滑，具有过载保护作用。适用振，传动平稳，噪声小；过载时打滑，具有过载保护作用。适用于中心距较大的两轴间传动。于中心距较大的两轴间传动。 不足点：不足点：传

20、动速比不够准确。传动速比不够准确。 四、主轴组件的传动方式及结构设计四、主轴组件的传动方式及结构设计 齿轮传动、带传动、同步齿形带传动、电动机直接驱动齿轮传动、带传动、同步齿形带传动、电动机直接驱动第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 （4 4）电动机直接驱动）电动机直接驱动 对于转速小于对于转速小于3000r/min3000r/min的主轴，采用异步电动机和联轴器直的主轴，采用异步电动机和联轴器直接驱动主轴。接驱动主轴。如如 高速内圆磨床的磨头。高速内圆磨床的磨头。 对于转速小于对于转速小于8000r/min8000r/min的轴，采用变频调速电动机直接驱动。的轴，采用变频调速电动机直接驱

21、动。 齿形带传动齿形带传动 无相对滑动，传动比大且准确，传动精度高；无相对滑动，传动比大且准确，传动精度高；可传递较大动力，不需特别张紧，对轴和轴承压力小，传动平可传递较大动力，不需特别张紧，对轴和轴承压力小，传动平稳效率高；稳效率高；不需润滑，耐腐蚀，耐高温。不需润滑，耐腐蚀，耐高温。 不足：不足：制造工艺复杂，安装条件高。制造工艺复杂，安装条件高。 （3 3）同步齿形带传动）同步齿形带传动 通过带上的齿与带轮上的轮齿传递传动。通过带上的齿与带轮上的轮齿传递传动。1）皮皮带带传传动动装装置置 三个支承对三支承孔的同心度要求较高，制造装配较复杂。三个支承对三支承孔的同心度要求较高，制造装配较复

22、杂。 “主主”支承消应除间隙或预紧。支承消应除间隙或预紧。“辅助辅助”支承应保留一定的支承应保留一定的径向间隙或选用较大游隙的轴承。以免发生干涉，恶化主轴的工径向间隙或选用较大游隙的轴承。以免发生干涉，恶化主轴的工作性能，使空载功率大幅度上升和轴承温升过高。作性能，使空载功率大幅度上升和轴承温升过高。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 （1 1）主轴的支承数目）主轴的支承数目 2 2）三个支承三个支承 前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；承；前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。 1 1）前、后两个支承前

23、、后两个支承 结构简单，制造方便，应用广泛。为提结构简单，制造方便，应用广泛。为提高刚度，前后支承应消除间隙或预紧。高刚度，前后支承应消除间隙或预紧。 2. 2.结构设计结构设计第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 前端配置（前端定位）前端配置（前端定位）指推力轴承布置在前支承处。指推力轴承布置在前支承处。 主轴前支承处轴承较多，发热大，温升高，但主轴受热后可向主轴前支承处轴承较多，发热大，温升高，但主轴受热后可向后伸长，不影响轴向精度，精度高，对提高主轴部件刚度有利。后伸长，不影响轴向精度，精度高，对提高主轴部件刚度有利。用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。用于轴向精度和刚度

24、要求较高的高精度机床或数控机床。 推力轴承在主轴前后的配置形式推力轴承在主轴前后的配置形式 直接影响主轴的热变形方向直接影响主轴的热变形方向和大小。影响主轴的轴向刚度和轴向位置精度。和大小。影响主轴的轴向刚度和轴向位置精度。 （2 2）推力轴承位置配置形式）推力轴承位置配置形式 常用于较短主轴或轴向间隙变化不影响正常工作的机床。如组常用于较短主轴或轴向间隙变化不影响正常工作的机床。如组合机床主轴。合机床主轴。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 后端配置（后端定位）后端配置（后端定位）推力轴承布置在后支承处。推力轴承布置在后支承处。 主轴前支承处轴承较少，发主轴前支承处轴承较少，发热少，温升

25、低；但主轴受热后向热少，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。前伸长，影响轴向精度。 常用于轴向精度要求不高的普通机床，如立铣、多刀车床。常用于轴向精度要求不高的普通机床，如立铣、多刀车床。 两端配置（两端定位）两端配置（两端定位）推力轴承布置在前后两个支承处。推力轴承布置在前后两个支承处。 主轴受热伸长后，影响主轴轴主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。为避免松动，可承的轴向间隙。为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 1) 布置原则布置原则：应使由传动力引起的主轴弯曲变形小。应使主应使由传动力引起的主轴弯曲变形小

26、。应使主轴前端在影响加工精度的敏感方向上的位移小。轴前端在影响加工精度的敏感方向上的位移小。 （3 3）传动件的轴向布置）传动件的轴向布置合理布置传动件的位置可以减小主轴的受力和变形，提高合理布置传动件的位置可以减小主轴的受力和变形，提高主轴的刚度、改善传动件与轴承的工作条件，还可以增加主主轴的刚度、改善传动件与轴承的工作条件，还可以增加主轴的抗振性。轴的抗振性。 齿轮在两支承中间靠近前齿轮在两支承中间靠近前支承。支承。a.a.前支承直径大，刚前支承直径大，刚度高，大齿轮靠前可减少主度高，大齿轮靠前可减少主轴的弯曲变形，轴的弯曲变形，b.b.而且转矩而且转矩传递长度短，扭转变形小，传递长度短，

27、扭转变形小，使用最普遍。使用最普遍。传动件轴向布置尽量靠近前支承，有多个传动件时，最大传传动件轴向布置尽量靠近前支承，有多个传动件时，最大传动件应靠近前端。动件应靠近前端。 2 2）传动齿轮）传动齿轮第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 3 3）传动力方向、位置）传动力方向、位置 传动件在传动件在后支承外侧后支承外侧 传动件传动件放在主轴的后悬伸端，放在主轴的后悬伸端，使前后支承获得较好的使前后支承获得较好的支承跨距。多用于主轴支承跨距。多用于主轴的带传动。使更换传动的带传动。使更换传动带方便，防止油液的侵带方便，防止油液的侵蚀。蚀。 3.3.主轴前端悬伸量主轴前端悬伸量a 取决于主轴端部的结构、前支承轴承的取决于主轴端部的结构、前支承轴承的配置和密封装置的型式和尺寸。配置和密封装置的型式和尺寸。在满足结构要求的前提下，尽量在满足结构要求的前提下，尽量缩短悬伸量缩短悬伸量a 。第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 1. 1.主轴前轴颈主轴前轴颈D1 一般按机床一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加类型、主轴传递的功率或最大加工直径选择。工直径选