第三章-主轴组件设计56课件

机械制造装备设计第3章

主轴组件设计

3.1主轴组件的基本要求

3.2主轴轴承的选择与配置

3.3主轴

3.4主轴组件的计算

3.5提高主轴组件性能的措施

3.1主轴组件的基本要求

旋转精度

静刚度

抗振性

热变形

耐磨性

1．旋转精度

主轴的旋转中心线:主轴作旋转运动时线速度为零的点的连线称。在理想状态下，该线即为主轴的几何中心线，其位置是不随时间而变化的。旋转误差:

由于制造和装配等误差的影响，主轴旋转时，该线的空间位置每时每刻都在发生着变化。瞬时旋转中心线相对于理想旋转中心线在空间位置上的偏差，即主轴旋转时的瞬时误差（旋转误差）,其范围就为主轴的旋转精度.1．旋转精度

主轴组件的旋转精度:是指专机在空载低速转动时，在主轴前端定位面上测得的径向圆跳动、端面圆跳动和轴向窜动值的大小。

动态的旋转精度:

主轴组件的旋转精度是在静态无载条件下测出的。如果在工作条件下，则旋转精度就会有所不同，这种精度称为运动精度。

影响主轴组件旋转精度的因素轴承精度和间隙

与轴承相配合零件（箱体、主轴本身）的精度

轴承安装、调整

运动精度主轴转速

轴承组合设计

轴承的性能

2.静刚度

静刚度简称为刚度。

定义：主轴组件的刚度是指在外加载荷作用下抵抗变形的能力。指在主轴工作端部作用一个静态力F（或扭矩M）时，F与主轴在F作用方向上所产生的变形y之比根据作用力：径向刚度轴向刚度扭转刚度对于大多数专机来说，主轴的径向刚度是主要的。

影响主轴组件刚度的主要因素

主轴的结构型式及尺寸

轴承的类型、配置及预紧

传动件的布置方式

主轴组件的制造与装配质量

3．抗振性主轴组件的抗振性：指机器工作时主轴组件抵抗振动、保持主轴平稳运转的能力。

主轴组件的振动的影响：工件的表面质量刀具的耐用度主轴轴承的寿命还会产生噪声而影响工作环境。

4．热变形主轴组件的热变形：是指机器工作时，因各相对运动处的摩擦和搅油等耗损而发热造成的温差，使主轴组件在形状和位置上产生的畸变。

主轴组件的热变形的影响：使主轴伸长使轴承的间隙发生变化轴心位置偏移等润滑油温度升高后，使黏度下降，从而降低轴承的承载能力。

影响主轴组件温升和热变形的主要因素

轴承的类型、配置方式和预紧力的大小

润滑方式

散热条件

一般规定，使用滑动轴承时，主轴轴承温度不得超过60℃，对于高精度机床不得超过室温10℃。滚动轴承的允许温度可参阅表3．1(在室温为20℃的条件下）。

5．耐磨性

主轴组件的耐磨性：是指长期地保持其原始制造精度的能力，即精度的保持性。

滑动和滚动轴承的磨损的影响：使主轴组件丧失了原有的运转精度，而且将降低刚度和抗振性，因此必须保证这些部分的耐磨性和具有调整的可能性。

影响耐磨性的主要因素

主轴、轴承的材料与热处理

轴承（或衬套）类型

润滑方式

3.2主轴轴承的选择与配置

3.2.1主轴滚动轴承的类型

3.2.2主轴滚动轴承的配置型式

3.2.3滚动轴承的刚度确定

3.2.4滚动轴承间隙的调整和预紧

3.2.2主轴滚动轴承的配置型式主轴轴承的选择和配置取决于承受载荷的大小、方向及其性质，转速大小，精度高低等因素。

承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要依据。

3.2.2主轴滚动轴承的配置型式载荷较大转速较高时，采用双列圆柱滚子轴承和接触角为60°的双向推力角接触球轴承组合

转速为中、低速时，采用双列圆柱滚子轴承和深沟球轴承或圆锥滚子轴承的组合

3.2.2主轴滚动轴承的配置型式载荷中等转速较高时，采用双列圆柱滚子轴承和角接触球轴承的组合或采用前后支承都是角接触球轴承的组合

转速为中、低速时，可采用两个圆锥滚子轴承做前后支承轴承3.2.2主轴滚动轴承的配置型式载荷较小转速较高时，可采用前后支承都是单列角接触球轴承的组合，如果要提高轴向刚度可每个支承并列两个轴承

转速为中、低速时，可采用深沟球轴承和推力球轴承的组合3.2.3滚动轴承的刚度确定滚动轴承的刚度一般是指径向刚度。

径向刚度:轴承的径向载荷与径向位移之比值。

径向位移包括轴承本身的弹性位移和轴承环与主轴轴颈及箱体孔的配合表面间的接触变形。

3.2.4滚动轴承间隙的调整和预紧滚动轴承具有合适的间隙或过盈量。因此，主轴组件中应设有间隙调整机构，以保证主轴轴承保持合理的间隙或过盈量。

主轴轴承在装配时要进行预紧、调整间隙的必要性要求：力求调整方便、可靠。

常见的滚动轴承间隙调整的结构：

1.对于带锥孔的双列圆柱滚子轴承（NN3000K)移动轴承内圈使内圈产生径向弹性变形来调整轴承的间隙或过盈量。

2.对于角接触轴承

通过使其内、外圈产生相对位移来实现间隙调整的。

3.3主轴3.3.1主轴的结构

3.3.2主轴的技术要求

3.3.1主轴的结构

在一般情况下，轴的设计取决于刚度，而不是其机械强度。主轴的构造和形状如何确定？

对于通用机床主轴端部的形状和尺寸已标准化，可参见“金属切削机床设计手册”得出。

3.3.2主轴的技术要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。保证锥孔中心和轴颈中心的同轴度，工艺基准如何选择？具体的技术要求可参阅有关的主轴组件而确定。

3.4主轴组件的计算3.4.1主轴组件计算时支承的简化

3.4.2主轴结构参数的确定

3.4.3传动件的布置

3.4.4主轴组件的两支承的最佳跨距的计算

3.4.5主轴组件采用三支承的跨距的确定

3.4.6主轴组件的刚度校核

3.4.1主轴组件计算时支承的简化深沟球轴承、单列或双列圆柱滚子轴承，简化后的支承点在轴承中部。圆锥滚子轴承或角接触球轴承，则支承点在接触线与轴线交点处，如图3.9b,c。这类轴承应使大口朝外，以使主轴前端的悬伸量减少。3.4.1主轴组件计算时支承的简化如一支承上安装两个轴承时，对于角接触轴承采用反装法可以提高其支承刚度，而支承点应在前端轴承的接触线与轴线交点处，如图3.9d所示。

对于接触角为0º的向心轴承，则支承点在前端一个轴承中部，如图3.9e所示。其理由为预紧发生在前面一列滚子（或滚珠）与后轴承之间。

3.4.1主轴组件计算时支承的简化如三联角接触球轴承，前两轴承为同向组合，接触线朝前（大口朝外），后轴承与之背靠背（反装）支承点应在前面第一个轴承的接触线与轴线交点处3.4.2主轴结构参数的确定主轴结构参数主要包括主轴前后支承轴颈D1,D2

、主轴内孔直径d(指空心主轴）、前端的悬伸量a主轴的支承跨距L

1．主轴直径的确定

根据材料力学可知，主轴的刚度与其惯性矩成正比，而惯性矩与轴的直径的4次方成正比。主轴直径D1或D2应在合理范围内尽量选大些，以满足刚度的要求，并兼顾结构紧凑。

为便于安装传动件及支承件，主轴通常为阶梯形，各段直径向尾端逐渐减小。2.主轴内孔直径d的确定

对于空心主轴，内孔直径d的大小，应在满足主轴的刚度前提下尽量取大值。

3.主轴前端部悬伸量的确定

主轴前端悬伸量a是指主轴前支承径向支反力作用点到前端受力作用点之间的距离。

缩短悬伸量a可以明显地提高主轴组件的刚度和抗振性。

设计时，在满足结构要求的前提下应尽可能取小值，以提高主轴的刚度。

3.4.3传动件的布置主轴组件一般都由带或齿轮来传动。主轴前端受到工作载荷（力或扭矩）的作用主轴中间或后端受到齿轮或带传动的力的作用。在结构允许的条件下，合理地布置这些传动件的位置和传动力的方向，可以减少主轴的受力和变形，提高主轴组件的刚度和抗振性。主轴组件的刚度还与支承跨距L有关。

1．传动件的位置

带传动装置多半装在后轴承的外侧，以防止胶带沾油和便于胶带更换。主轴上的传动齿轮一般安装在各主轴支承之间。为了减少主轴的弯曲变形和扭转变形，应尽可能缩短主轴受扭部分的长度，即将齿轮安置在靠近主轴前支承处。当主轴上的传动齿轮有两个时，应使传递扭矩大的那个齿轮更靠近前支承。

2.传动力的位置和方向

先假定工作载荷F与传动力FQ作用在同一平面内，这样主轴端部上引起的挠度为最大，是一种最差的状态。

主轴受力变形时，其端部的挠度和支承上受力的大小与作用在主轴上的传动力的位置和方向有关

1）如图3.10a所示，带轮安装在主轴后轴承外侧，FQ与F同向，不能使作用力F和传动力FQ所引起的主轴前端变形部分地相互抵消。2）当作用力F和传动力FQ均作用在主轴前端，二者方向相反时，能使引起的主轴前端变形部分地抵消。前支承支反力也较小，主轴受扭长度也较短但是传动件需要安装在前支承外侧，增加了主轴的悬伸长度，结构上也较复杂。

3）大多数机床或专用机床均采用这种布局。图c所示的F与FQ的方向相同，能使引起的主轴前端变形抵消一部分。图d所示的F与FQ的方向相反，则主轴前端的变形较大，而前轴承受力却较小。3.4.5主轴组件采用三支承的跨距的确定大多数的主轴组件采用前后两支承。如果前后轴承间距太大（L远大于L0），可以加第三支承以提高刚度而成为三支承主轴组件。

三支承主轴有两种情况：前、后支承为主，中间支承为辅；前、中支承为主，后支承为辅。3.4.5主轴组件采用三支承的跨距的确定在三支承中，“主”支承应消除间隙或预紧，“辅”支承则应保留游隙以至选用较大的游隙，且不能预紧，决不能三个轴承都预紧，否则会发生干涉。

在一般情况下，前支承必须为主支承，否则会影响到主轴前端的旋转精度。

“主”支承既可用圆柱滚子轴承，也可用圆锥滚子轴承。“辅”支承通常用深沟球轴承或圆柱滚子轴承。

3.4.6主轴组件的刚度校核对一般设备中的主轴，主要进行刚度验算。通常，如果能满足刚度要求，也就能满足强度要求。只有对重载荷（如粗加工）的主轴才需进行强度验算；对于高速主轴，有时需要进行临界转速的验算，以防发生共振。

3.5提高主轴组件性能的措施

3.5.1径向圆跳动量的测定

3.5.2滚动轴承的定向误差装配

3.