第3章 金属切削机床6

3.6主轴部件设计机床的主轴部件是机床主运动的执行部件。功用是:安装并支承工件或刀具；完成表面成形运动；传递转矩、承受主要切削力和驱动力等载荷。主轴部件组成有:主轴、支承轴承、传动件、密封件、定位件等。对于数控机床，还有刀具自动装卸装置、切屑清除装置和主轴准停装置。特点：既要具备粗加工时高效切削的能力，又要满足精加工时高的精度要求。在旋转精度、静、动刚度、抗振性和热变形,都有很高的要求。精度保持性基本要求温升与热变形抗振性刚度旋转精度无载荷、低速状态下，工件或刀具的安装基面上的径向和端面跳动。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。抵抗受迫振动和自激振动的能力。各相对运动处的摩擦、切削区、搅油等生热，产生温升，造成主轴部件形状和位置发生变化。长期保持其原始制造精度的能力。3.6.1主轴部件应满足的基本要求3.6.2主轴部件的传动方式

主轴部件的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。主轴传动方式的选择，主要决定于主轴的转速、所传递的转矩、对运动平稳性的要求以及结构紧凑、装卸维修方便。齿轮传动的特点是结构简单、紧凑，能传递较大的转矩，适应变转速、变载荷；线速度低平稳性不如带传动。带传动的特点结构简单、制造容易、成本低，传动平稳、吸振、低噪声，转速高，过载时打滑能起到保护作用，适用中心较大的两轴传动；转矩较小。同步齿形带无相对滑动，传动比精确，转矩也较大。电动机直接驱动方式有两种，电动机与主轴直联（联轴器）和电动机与主轴制成一体（主轴单元或电主轴）。转速≤3000（r/min）的主轴异步电动机＋变极调速内圆磨床电主轴定子转子后轴承主轴前轴承

转速≤8000（r/min）的主轴变频调速电动机

高速主轴高速电主轴高速电主轴特点：高速切削、模块化和结构简化、结构紧凑、占空间小。高速电主轴基本组成：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。3.6.3主轴部件结构设计1.主轴部件的支承数目多数机床的主轴采用前、后两个支承。典型的两支承方式如图示，这种方式结构简单，制造装配方便，容易保证精度。为提高主轴部件的刚度，前后支承应消除间隙或预紧。

当主轴跨距较大（与最佳跨距相比）时，为提高刚度和抗振性，有的机床主轴采用三个支承。三个支承中有两个为主要支承，一个辅助支承。如图示主轴部件，前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承。也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承，如图示。三支承方式对三支承孔的同心度要求较高，制造装配较复杂。主支承也应消除间隙或预紧，“辅”支承则应保留一定的径向游隙或选用较大游隙的轴承。由于三个轴颈和三个箱体孔不可能绝对同轴，三个轴承不能都预紧，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。在三支承主轴部件中，采用前、中支承为主要支承的较多。2.推力轴承位置配置形式推力轴承在主轴前后支承的配置形式，影响主轴轴向刚度和主轴热变形的方向和大小。为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度，并尽量简化结构，应恰当地配置推力轴承的位置。（1）前端配置两个方向的推力轴承都布置在前支承处。特点是，前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，对提高主轴部件刚度有利。用于轴向精度和刚度要求较高的机床。（2）后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支承处。特点是，前支承处轴承较少，发热小，温升低；但是主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。用于轴向精度要求不高的普通精度机床。（3）两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处，这类配置方案当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。常用于短主轴，如组合机床主轴。（4）中间配置两个方向的推力轴承配置在前支承的后侧，如图所示。这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，温升也可能较高。（l）传动件在主轴上轴向位置的合理布置原则是传动力引起的主轴弯曲变形要小；引起主轴前轴端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。因此，应尽量靠近前支承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。3.主轴传动件位置的合理布置传动件轴向布置的几种情况。图a的传动件放在两个支承中间靠近前支承处，受力情况较好，用得最为普遍。图b的传动件放在主轴前悬伸端，主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床等。图c的传动件放在主轴的后悬伸端，较多地用于带传动，为了更换传动带方便，如磨床。（2）驱动主轴的传动轴位置的合理布置尽可能将驱动轴布置在合适的位置，使驱动力引起的主轴变形可抵消一部分因切削力引起的主轴轴端精度敏感方向上的位移。主轴受到的驱动力Q相对于切削力P的方向，取决于驱动主轴的传动轴位置。4.主轴主要结构参数的确定主要结构参数有：主轴前、后轴颈直径D1和D2

；主轴内孔直径d；主轴前端悬伸量a和主轴主要支承间的跨距L；如图示，这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。（l）主轴前轴颈直径D1的选取按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径，参考经验表格选取。（2）主轴内孔直径d的确定很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。如车床主轴内孔用来通过棒料或安装送夹料机构；铣床主轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆等等。为不过多地削弱主轴的刚度，卧式车床的主轴孔径d通常不大于主轴平均直径的55％-60%；铣床主轴孔径d可比刀具拉杆直径大5-10mm。（3）主轴前端悬伸量a的确定主轴前端悬伸量a是指主轴前端面到前轴承径向反力作用中点（或前径向支承中点）的距离。它主要取决于主轴端部的结构，前支承轴承配置和密封装置的形式和尺寸，由结构设计确定。设计时应尽量缩短该悬伸量。（4）主轴主要支承间跨距L的确定合理确定主轴主要支承间的跨距L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。支承跨距过小，主轴的弯曲变形较小，但支承变形引起主轴前轴端的位移量增大；支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量减小了，但主轴的弯曲变形增大。因此存在一个最佳跨距L0，主轴前轴端的总位移量为最小。一般取L0=（2～3.5)a

。但是在实际结构设计时，由于结构上的原因，以及支承刚度因磨损会不断降低，实际跨距L往往大于上述最佳跨距L0。5.主轴（l）主轴的构造主轴的结构和形状主要取决于主轴所安装的刀具、夹具、传动件、轴承及密封装置等的类型、数目、位置和安装方法，同时还要考虑主轴的加工和装配工艺性。主轴的外形为阶梯轴保证足够的刚度和强度便于轴上零件的装卸得到足够多的止推面主轴端部的结构是主轴构造中重要要素，已经标准化。图a为车床的主轴端部。图b为铣、镗类机床的主轴端部。图c为外圆磨床砂轮主轴的端部。图d为内圆磨床砂轮主轴的端部。图e、f为钻床主轴的端部。（2）主轴的材料及热处理主轴材料的选择依据耐磨性热处理方法热处理后的变形大小普通机床主轴可选用中碳钢（如45钢），调质处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬。以提高其耐磨性。只有载荷大和有冲击时，或精密机床需要减小热处理后的变形时，或有其它特殊要求时，才考虑选用合金钢。当支承为滑动轴承，则轴颈也需淬硬，以提高耐磨性。（3）主轴的技术要求主轴的技术要求，应根据机床精度标准有关项目制定。首先制定出满足主轴旋转精度所必需的技术要求，如主轴前后轴承轴颈的同轴度，锥孔相对于前后轴颈中心连线的径向圆跳动，定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心连线的径向圆跳动和端面圆跳动等。再考虑其它性能所需的要求，如表面粗糙度，表面硬度等。主轴的技术要求要满足设计要求、工艺要求、检测方法的要求，应尽量做到设计、工艺、检测的基准相统一。主轴各部位的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和表面硬度等具体数值应根据机床的类型、规格、精度等级及主轴轴承的类型来确定。3.6.4主轴滚动轴承

主轴部件中最重要的组件是轴承。轴承的类型、精度、结构、配置方式、安装调整、润滑和冷却等状况，都直接影响主轴部件的工作性能。机床上常用的主轴轴承有滚动轴承、液体动压轴承、液体静压轴承、空气静压轴承等。此外，还有自调磁浮轴承等适应高速加工的新型轴承。对主轴轴承的要求是，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、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等等。因此，在选用主轴轴承时，应根据对该主轴部件的主要性能要求、制造条件、经济效果综合进行考虑。1.主轴部件主支承常用滚动轴承（l）角接触球轴承接角接触球轴承又称为向心推力球轴承，它可以同时承受径向和一个方向的轴向载荷，极限转速较高。接触角α是滚动体与滚道接触点处的公法线与主轴轴线垂直平面间的夹角，是球轴承的一个主要设计参数。接触角有150、250

、400

和600等多种，接触角越大，可承受的轴向力越大。主轴用角接触球轴承的接触角多为150

或250。当α=0时，称为深沟球轴承；当00<α≤450时，称为角接触球轴承；当450<α≤900时，成为推力角接触球轴承；当α＝900时，称推力球轴承。角接触球轴承必须成组安装，以便承受两个方向的轴向力或调整轴承间隙及进行预紧。（2）双列短圆柱滚子轴承双列短圆柱滚子轴承只能承受径向力，不能承受轴向力。特点是：内圈有1:12的锥孔，与主轴的锥形轴径相匹配，轴向移动内圈，可以把内圈涨大，用来调整轴承的径向间隙和预紧；轴承的滚动体为滚子，能承受较大的径向载荷和较高的转速；轴承有两列滚子交叉排列，数量较多，因此刚度很高。双列短圆柱滚子轴承有两种类型。左图的内圈上有挡边，属于特轻系列；右图的挡边在外圈上，属于超轻系列。各有特点。（3）圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承有单列和双列两类，每类又有空心和实心两种。单列圆锥滚子轴承可以承受径向载荷和一个方向的轴向载荷。双列圆锥滚子轴承能承受径向载荷和两个方向的轴向载荷。双列圆锥滚子轴承由外圈2、两个内圈1和隔套3（也有的无隔套）组成。修磨隔套3就可以调整间隙或进行预紧。轴承内圈仅在滚子的大端有挡边，内圈挡边与滚子之间为滑动摩擦，所以发热较多，允许的最高转速低于同尺寸的圆柱滚子轴承。图示的空心圆锥滚子轴承是配套使用的，双列用于前支承，单列用于后支承。这类轴承滚子是中空的，润滑油可以从中流过，冷却滚子，降低温升，并有一定的减振效果。单列轴承的外圈上有弹簧，用作自动调整间隙和预紧。双列轴承的两列滚子数目相差一个，使两列刚度变化频率不同，有助于抑制振动。（4）推力轴承推力轴承只能承受轴向载荷，它的轴向承载能力和刚度较大。推力轴承在转动时滚动体产生较大的离心力，挤压在滚道的外侧。由于滚道深度较小，为防止滚道的激烈磨损，推力轴承允许的极限转速较低。（5）双向推力角接触球轴承图示的双向推力角接触球轴承的接触角为600,用来承受双向轴向载荷，常与双列短圆柱滚子轴承配套使用。为保证轴承不承受径向载荷，轴承外圈的公称外径与它配套的同孔径双列滚子轴承相同，但外径公差带在零线的下方，使外圆与箱体孔有间隙。轴承间隙的调整和预紧是通过修磨隔套3的长度实现。双向推力角接触球轴承转动时滚道体的离心力由外圈滚道承受，允许的极限转速比上述推力球轴承高。（6）陶瓷滚动轴承陶瓷材料为氮化硅（Si3N4)，密度为3.2×103kg/m3，仅为钢的40%，线膨胀系数为3×10-6／℃，比轴承钢小得多（12.5×10-6／℃），弹性模量为315000N/mm2，比轴承钢大。作用在滚动体上的离心力及陀螺力矩较小，减小了压力和滑动摩擦；线胀系数小，温升较低，预紧力变化小，运动平稳；弹性模量大，轴承的刚度增大。常用的有三种类型：1）滚动体用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用轴承钢制造。

2）滚动体和内圈用陶瓷材料制成，外圈用轴承钢制造。

3）全陶瓷轴承，即滚动体、内外圈全都用陶瓷材料制成。2.几种典型的主轴轴承配置形式（1）速度型主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联组合）。角接触球轴承具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，因而适用于高速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速CNC车床等。（2）刚度型前支承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷和600

角接触双列推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列圆柱滚子轴承。这种轴承配置的主轴部件，适用于中等转速和切削负载较大，要求刚度高的机床，如数控车床主轴、镗削主轴单元等。

（3）刚度速度型前轴承采用三联角接触球轴承，后支承采用双列圆柱滚子轴承。主轴的动力从后端传入，后轴承要承受较大的传动力，所以采用双列圆柱滚子轴承。看几种主轴部件。下图为速度型主轴组件。

下图为刚度型主轴组件。下图为刚度速度型主轴组件。下图是采用圆锥滚子轴承的主轴部件，其结构比采用双列圆柱滚子轴承简化，承载能力和刚度比角接触球轴承高。但是，因为圆锥滚子轴承发热大，温升高，允许的极限转速要低些。适用于载荷较大，转速不太高的普通精度的机床主轴。刚度型。下图是卧式锉铣床主轴部件，前轴承采用双列圆锥滚子轴承，可以承受双向轴向力和径向力，承载能力大，刚性好，结构简单。刚度型。右图是采用推力球轴承承受两个方向轴向力的主轴部件，其轴向刚度很高，适用于承受轴向载荷大的机床主轴，如钻床。3.滚动轴承精度等级的选择

前、后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。见下图，前轴承轴心有偏移δa，后轴承偏移量为零，引起的主轴端轴心偏移为见下图，后轴承有偏移δb，前轴承偏移为零时，引起主轴端部的偏移为显然，前支承的精度比后支承对主轴部件的旋转精度影响较大。因此选取轴承精度时，前轴承的精度要选得高一点，一般比后轴承精度高一级。另外，在安装主轴轴承时，如将前、后轴承的偏移方向放在同一侧，如图示，可以有效地减少主轴端部的偏移。如后轴承的偏移量适当地比前轴承的大，可使主轴端部的偏移量为零。机床主轴轴承的精度除P2、P4、P5、P6（相当于旧标准的B、C、D、E）四级外，新标准中又补充了SP和UP级。SP和UP级的旋转精度，分别相当于P4和P2级，而内、外圈尺寸精度则分别相当于P5级和P4级。随着机床向高速、高精度发展，目前普通机床主轴轴承都趋向于取P4(SP）级，P6（旧E级）级轴承在新设计的机床主轴部件中已很少采用。4.主轴滚动轴承的预紧

预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。轴部件的主要支承轴承都要预紧，预紧有径向和轴向两种。预紧力通常分为三级：轻预紧、中预紧和重预紧，代号为A、B、C。轻预紧适用于高速主轴，中预紧适用于中、低速主轴；重预紧用于分度主轴。以双列圆柱滚子轴承和角接触球轴承为例，说明如何进行预紧。（l）双列圆柱滚子轴承一种是用螺母轴向移动轴承内圈，而实现预紧；另一种用调整环的长度实现预紧，采用过盈套进行轴向固定。（2）角接触球轴承角接触球轴承是用螺母使内外圈产生轴向错位，同时实现径向和轴向预紧。如一对轴承是背靠背安装的，为精确地保证预紧量，有几种方法：图a示，将一对轴承的内圈侧面各磨去按预紧量确定的厚度δ，当压紧内圈时即可得到设定的预紧量；图b是在两轴承内外圈之间分别装人厚度差为2δ的两个短套来达到预紧目的；图C是用弹簧自动预紧。

5.滚动轴承的润滑和密封

（l）润滑滚动轴承在运转过程中，滚动体和轴承滚道间会产生滚动摩擦和滑动摩擦。润滑的作用是利用润滑剂在摩擦面间形成润滑油膜，减小摩擦系数和发热量，并带走一部分热量，以降低轴承的温升。润滑剂和润滑方式的选择主要取决于轴承的类型、转速和工作负荷。滚动轴承所用的润滑剂主要有润滑脂和润滑油。

润滑脂——润滑脂是由基油、稠化剂和添加剂在高温下混合而成的一种半固体状润滑剂。如锂基脂、钙基脂、高速轴承润滑脂等。特点是粘附力强、油膜强度高、密封简单，不易渗漏，长时间不需更换，维护方便，但摩擦阻力比润滑油略大。因此，常用于转速不太高、又不需冷却的场合。特别是立式主轴或装在套筒内可以伸缩的主轴，如钻床、坐标镗床等。

润滑脂不应过多填充，以免因搅拌发热而融化、变质失去润滑作用。

润滑油——润滑油的种类很多，其粘度是随温度的升高而减低，选择润滑油的粘度应保证其在轴承工作温度下粘度保持在（10～23)mm2/s。转速越高，选的粘度应越低；润滑负荷越重，粘度应越高。主轴轴承的油润滑方式主要有油浴、滴油、循环润滑、油雾润滑、油气润滑和喷射润滑等。一般根据轴的转速和轴承的内径乘积dn值，选择润滑油牌号和润滑方式。当dn值较低时，可用油浴润滑。当dn值略高一些，可用滴油润滑。当dn值较高时，采用循环润滑。高速轴承发热大，采用油雾或油气润滑。油雾散入大气，污染环境，目前已较少采用。油气润滑与油雾润滑主要区别在于供给轴承的油未被雾化，而且成滴状进入轴承。因此，采用油气润滑不污染环境，用过可回收。当轴承高速旋转时，滚动体与保持架也以相当高的速度旋转，使其周围空气形成气场，用一般润滑方法很难将润滑油输送到轴承中，这时必须采用高压喷射润滑方式。角接触球轴承及圆锥滚子轴承有泵油效应，润滑油必须由小口进入，如图示。（2）密封滚动轴承密封的作用是防止切削液、切削灰尘、杂质等进人轴承，并使润滑剂无泄露地保持在轴承内。密封的类型有非接触式和接触式。非接触式又分为间隙式、曲路式和垫圈式。接触式可分为径向密封圈和毛毡密封圈。3.6.5主轴滑动轴承

滑动轴承具有良好的抗振性、旋转精度高、运动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数控机床中。按产生油膜的方式分为动压轴承和静压轴承。按流体介质分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。1.液体动压轴承

动压轴承的工作原理是：主轴旋转时，轴径表面带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔而产生油膜压力将主轴浮起。油膜的承载能力与速度、润滑油的粘度、油楔结构等有关。转速越高，间隙越小，油膜的承载能力越大。油楔结构参数包括油楔的形状、长度、宽度、间隙以及油楔入口与出口的间隙比等。动压轴承按油楔