金属切削与机床课件资料培训讲学

金属切削与机床课件资料机床主轴组件概述一、机床主轴组件组成及功能1、主轴组件功能及结构型式主轴组件：主轴、支承轴承、主轴上的传动件、密封件功能：支承并带动工件或刀具完成工件表面成形运动，传递运动和动力。缩小传动误差，承受切削力等载荷。结构形式：卧式、立式、倾斜式等

机床主轴组件概述一、机床主轴组件组成及功能2、主轴组件基本要求旋转精度：机床在空载低速时，主轴前端安装刀具，夹具部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动。

主轴的旋转轴线产生的跳动如图Δα端面跳动ΔαΔo轴向窜动ΔoΔr径向跳动Δr机床主轴组件概述一、机床主轴组件组成及功能2、主轴组件基本要求支承刚度：指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示，比值越大，说明刚度越好。

K=F／δ（牛/微米）机床主轴组件概述一、机床主轴组件组成及功能2、主轴组件基本要求支抗振性：抗振性：是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运动的能力。用主轴端部测得的最大振幅来衡量的。振幅越小，抗振性越好。受迫振动：是由机床外部的振源或机床其他部件振动及主轴部件本身所引起的。自激振动：是由切削过程引起的。机床主轴组件概述一、机床主轴组件组成及功能2、主轴组件基本要求温升和热变形：机床在工作时，各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而发热造成的温差，使主轴部件在形状和位置上产生畸变，称为热变形。热变形是用主轴运转一定时间和因发热而造成的各部分的位置上的变化来度量，也可用温升近似的表达。一般滑动轴承的温升<３０℃，工作温度<６０℃一般滚动轴承的温升<４０℃，工作温度<７０℃机床主轴组件概述一、机床主轴组件组成及功能2、主轴组件基本要求耐磨性（精度保持性）：主轴组件长期的保持其原始制造精度的能力，所以相对运动部件间都必须有一定的硬度，对摩擦表面要进行热处理和化学处理。小结：机床的工作精度----旋转精度静态工作精度----刚度动态工作精度----抗振性精度保持性----耐磨性机床主轴组件设计一、机床主轴1、主轴结构形状要求主轴的头部已经标准化了，用以安装标准刀具和夹具。主轴头部的形状和尺寸，主要取决于主轴上所安装的传动件,轴承和密封件等零件的类型,数目位置和安装定位方式,同时还要考虑到主轴的加工工艺性和装配工艺性。主轴常制成阶梯形的。

机床主轴组件设计一、机床主轴1、主轴结构形状要求通用主轴端部形状

机床主轴组件设计一、机床主轴2、主轴材料和热处理主轴的材料，应根据主轴的耐磨性、热处理方法和热处理后的变形来选择。（1）材料的选择：刚性好，承载能力大，耐磨性好，加工性能好，热处理变形小，价格便宜。材料的刚性取决于弹性模量E，钢的E值差别较小。（2）热处理方法：滑动轴承支承，前端定位表面，淬硬HRC50~55,低碳钢，渗碳淬火；合金可以化学处理。3、主轴技术条件主轴的精度是：尺寸精度，形状精度，以及支承轴颈与壳心表面之间的位置精度和光洁度。支承轴颈为主轴基准，是工艺基准和测量基准。

机床主轴组件设计二、机床主轴传动件布置1、主轴传动件类型选择

常用传动件有：齿轮、蜗轮、带轮和原动机等。2、主轴传动件布置主轴不承受传动力

高精度或精密机床的主轴上，往往采用“卸荷式”传动件，只传递转矩而卸掉径向力。机床主轴组件设计二、机床主轴传动件布置1、主轴传动件类型选择

常用传动件有：齿轮、蜗轮、带轮和原动机等。2、主轴传动件布置主轴尾端承受传动力

将带轮装在主轴的外伸尾端上，使主轴承受传动力。机床主轴组件设计二、机床主轴传动件布置1、主轴传动件类型选择

常用传动件有：齿轮、蜗轮、带轮和原动机等。2、主轴传动件布置主轴前端承受传动力将带轮装在主轴的前端上，主轴前端悬伸部分同时承受传动力Q和切削力F时，应使Q、F方向相反。机床主轴组件设计二、机床主轴传动件布置1、主轴传动件类型选择

常用传动件有：齿轮、蜗轮、带轮和原动机等。2、主轴传动件布置主轴两支承间承受传动力为了减小主轴的弯曲变形和扭转变形，提高固有频率，应将传动齿轮布置在靠近前支承的位置上，两种情况如下：机床主轴组件设计三、机床主轴支承件主轴支承是指主轴轴承、支承座及其他相关零件的组合体，其中核心元件是轴承。主轴支承的主要设计内容是：轴承类型的选择，轴承的配置，轴承的精度及其选配，轴承的间隙调整，支承座的结构，轴承的配合及其配合零件的精度，轴承的润滑与密封等。1、主轴滚动轴承类型选择

主轴较粗，主轴轴承的直径较大。相对地说，轴承的负载较轻。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指标。主轴轴承，应根据精度、刚度和转速选择。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件1、主轴滚动轴承类型选择圆锥孔双列圆柱滚子轴承：这种轴承具有径向尺寸较小、制造精度较高、承载能力较大、静刚度好以及允许的转速高等优点，并能够调整轴承的径向间隙，因此在机床主轴组件上得到广泛应用。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件1、主轴滚动轴承类型选择60°接触角双向推力向心球轴承：这种轴承的优点是制造精度高，允许转速高，温升较低，抗振性高于推力球轴承8000型，装配调整简单，精度稳定可靠。与双列圆柱滚子轴承相配套，用于承受轴向载荷。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件1、主轴滚动轴承类型选择单列圆锥滚子轴承普通单列圆锥滚子轴承（7000型），能同时承受径向和轴向载荷，承载能力和刚度较高，价格便宜，支承简单，间隙调整方便。可用于中速、中载、一般精度的主轴组件。双列圆锥滚子轴承通双列圆锥滚子轴承（2697100型）能够同时承受径向载荷和双向轴向载荷，承载能力、刚度及抗振能力较高，适用于中速、径向载荷大，轴向载荷中等、一般精度的机床主轴组件。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件2、主轴滚动轴承配置轴承配置是根据机床用途、主轴的工作条件（载荷大小及方向、转速等）以及所要求的工作性能来确定的。径向轴承配置两支承或三支承主轴组件，在每个支承处都要有径向轴承。前支承的径向轴承对主轴组件的性能影响重大，故首先应选定前支承的径向轴承。其他支承的径向轴承，一般因载荷较小且对于主轴组件性能的影响较小，可选用较前轴承刚度、抗振性及精度略低的轴承匹配使用。

机床主轴组件设计三、机床主轴支承件2、主轴滚动轴承配置推力轴承配置

机床主轴一般承受两个方向的轴向载荷，需要两个相应的推力（止推）轴承匹配使用。推力轴承的布置方式或称主轴组件的轴向定位方式，共有三种：

前端定位、后端定位、两端定位

机床主轴组件设计三、机床主轴支承件2、主轴滚动轴承配置前端定位（1）主轴受热变形，向后伸长（热位移），不影响主轴前端的轴向精度。

（2）主轴切削力受压段短，纵向稳定性好。（3）前支承的角刚度高，角阻尼大，因此主轴组件的刚度高和抗振性好。（4）前支承的结构较复杂，温升较高。适用范围：对轴向精度和刚度要求较高的高速、精密机床主轴（如精密车床、镗床、坐标镗床等）及对抗振性要求较高的普通机床主轴（如卧式车床、多刀车床、铣床等）。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件2、主轴滚动轴承配置后端定位（1）前支承的结构简单、温升较小；（2）主轴受热向前伸长，影响主轴的轴向精度；（3）刚度及抗振性较差。适用范围：不宜用于精密、抗振性要求高的机床，可用于要求不高的中速、普通精度机床的主轴（卧式车床、多刀车床、立式铣床等）。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件2、主轴滚动轴承配置两端定位（1）支承结构简单，间隙调整方便；（2）主轴受热伸长会改变轴承间隙，影响轴承的旋转精度及寿命；（3）刚度和抗振性较差。适用范围：轴向间隙变化不影响正常工作的机床主轴，如钻床。支距短的机床主轴，如组合机床，有自动补偿轴向间隙装置的机床主轴。三、机床主轴支承件2、主轴滚动轴承配置同一支承中具有两个（或更多）同时承受径向、轴向载荷的角接触轴承时，其布置方式有三种如图所示。同一支承中多轴承布置1）背向（背靠背）布置

两个轴承外圈的宽边相对，可提高主轴组件的刚度。

机床主轴组件设计三、机床主轴支承件2、主轴滚动轴承配置同一支承中具有两个（或更多）同时承受径向、轴向载荷的角接触轴承时，其布置方式有三种如图所示。同一支承中多轴承布置

2）面向（面对面）布置

两个轴承外圈的窄边相对，因两轴承产生的反力矩很小，故主轴刚度提高不大。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件2、主轴滚动轴承配置同一支承中具有两个（或更多）同时承受径向、轴向载荷的角接触轴承时，其布置方式有三种如图所示。同一支承中多轴承布置

3）串联布置

两个（或更多）轴承外圈的宽窄边方向相同，可承受较大的轴向载荷。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件3、主轴滚动轴承精度及其选配机床主轴滚动轴承一般要求有较高的精度，可采用B、C、D、E四级，一般不用G级轴承。国家新标准用P2、P4、P5等表示，可参阅新标准。主轴的前后轴承的精度选择对主轴精度影响很大，一般前轴承精度比后轴承精度高一级，影响主轴精度主要是前轴承的精度。普通级机床前轴承

D或C级后轴承和推力轴承

E或D级精密级机床前轴承

C或B级后轴承和推力轴承

D或C级高精度机床前轴承

B级后轴承和推力轴承

C或B级机床主轴组件设计三、机床主轴支承件3、主轴滚动轴承精度及其选配前轴承装配主轴在前支承处的径向跳动对其端部的旋转精度影响最大。采用合理的轴承选配法，也可在制造精度并非很高的情况下，使主轴组件获得较高的旋转精度。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件3、主轴滚动轴承精度及其选配后轴承装配把后轴承如同前轴承那样选配，可得到较小的轴端的偏心量。机床主轴组件设计轴承选配小结：（1）首先对前轴承进行选配（高点导向），使其偏心量δA为最小。（2）然后再对后轴承进行选配，使前、后支承处的最大跳动点位于同一轴向平面内，且在轴线的同侧。（3）后轴承的精度比前轴承低一级，采用选配法有利于提高主轴组件的旋转精度。

三、机床主轴支承件4、主轴滚动轴承间隙调整装置机床主轴组件不仅在装配时需要调整轴承间隙，在使用一段时间后，轴承有了磨损，还需要重新调整。轴承的间隙调整一般是通过拧紧螺母推动轴承的某一圈（内圈、外圈或紧圈）来实现。1）径向预紧轴承的间隙量控制方式

(a).无控制装置

(b).控制螺母

(c).控制环机床主轴组件设计三、机床主轴支承件4、主轴滚动轴承间隙调整装置2）轴向预紧轴承的间隙量控制方式通过内、外圈之间的相对轴向位移来调整间隙的。（a）修磨内圈（b）内、外隔套（c）无控制装置（d）弹簧预紧

机床主轴组件设计三、机床主轴支承件5、主轴滚动轴承密封防止润滑油外流，以免增加耗油量，影响外观和污染工作环境，防止外界灰尘、金属屑末、冷却液等杂质侵入而损坏轴承既恶化工作条件。脂润滑主轴机床主轴组件设计三、机床主轴支承件5、主轴滚动轴承密封油润滑主轴润滑油的防漏，主要靠疏导，可采用油沟式和挡油圈式密封装置。机床主轴组件设计三、机床主轴支承件6、主轴滚动轴承设计步骤

1）根据机床类型、主轴的工作条件和使用要求，初步选择主轴组件的基本型式。

2）初步确定主轴组件的尺寸参数，进行主轴组件的初步设计（轴向结构及空间位置），并对上述尺寸参数予以修正。

3）对主轴组件进行必要的验算，根据验算结果对设计进行适当修改；确定采用三支承结构的必要性。

4）选择轴承的精度等级。

5）完成主轴组件的整体设计（包括主轴、主轴支承及传动件等）。

6）确定轴承的安装间隙等。机床主轴组件设计四、主轴主要结构参数设计主轴上的结构尺寸主要是外径D、孔径d、悬伸量a和支承跨距L。主轴外径D

主轴的外径尺寸，关键是主轴前轴颈（前轴承处）的直径D1，可根据传递功率，并参考同类机床的主轴轴径尺寸确定。D1选定后，其他部位的外径可随之而定。后轴承的直径D2往往小于前轴承的直径D1。一般：D2=（0.7-0.9）D1机床主轴组件设计四、主轴主要结构参数设计主轴孔径d轴壁不能过薄，对于中型机床的主轴，后轴颈的直径与孔径之差不要小于20～25mm，主轴尾端最薄处的直径差不要小于10～15mm。孔径增大会削弱主轴刚度，当d/D0≤0.5时，Kd/K≥0.94，空心主轴的刚度降低较小当d/D0=0.7时，Kd/K=0.76，空心主轴的刚度降低了24％