第3章 典型部件设计

3.1 典型部件设计——主轴部件设计
选择滚动轴承选择的基本原则
1）转速较高，负载不大，而旋转精度要求较高，采用球轴承。 2）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 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 型的轴承组合，分别承受轴向和径向负载。 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 6）支承刚度要求较高时，可采用成对角接触型轴承。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
主轴的结构 取决于主轴上安装的刀具、夹具、工件、传动 件、轴承的类型、数量、位置和安装定位方法。 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 。通用机床已有标准化的形式。 主轴整体结构 空心阶梯轴，外径从前端到尾部逐渐减小。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
第3章 典型部件设计
3.1 主轴部件设计
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
主轴组件包括 主轴、支承轴承、传动件、定位元件、密封件。 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，完成表面成形运动。
基本要求 旋 转 精 度
刚 度
抗 振 性
温 升 和 热 变 性
精 度 保 持 性
刚度型
前轴承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷，60度角接触双列推力轴承 承受轴向载荷；后轴承采用双列圆柱滚子轴承。适合于中速和切削负载 较大、要求刚度高的机床，如数控车床、镗削主轴单元等。
刚度速度型
前轴承采用三联角接触球轴承（外侧的两个角接触大口朝向主轴工作端 ，承受轴向力，第3个通过轴套背靠背，提高承受颠覆力矩刚度），后 轴承采用双列圆柱滚子轴承（承受传动力，因动力从后端传入）。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
高速结构
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
高刚度结构
图1是上述提到的典型“高刚度结构” 图2是采用圆锥滚子轴承的主轴部件，结构比采用双列短圆柱滚子 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。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
主轴部件结构设计之3——主轴传动件轴向布置
布置原则 应使由传动力引起的主轴弯曲变形小，引起主轴前端在影 响加工精度的敏感方向上的位移小。 方法 传动件轴向布置尽量靠近前支承；最大传动件应靠近前端。
传动件在前支承内侧 前支承直径大，刚度高，大齿轮靠前可减少主轴的弯 曲变形，而且转矩传递长度短，扭转变形小，使用最普遍。 传动件在前支承外侧 用于具有大转盘的机床，如: 立式车床、镗床。 传动件在后支承外侧 传动件放在主轴的后悬伸端，使前后支承获得较好的 支承跨距。多用于主轴的带传动。更换传动带方便，防止油液侵蚀。
主轴的选材依据：载荷类型、耐磨性、热处理方法。
（1）普通机床主轴 采用45# 或60#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50~55HRC 。 （2）精密、大载荷、有冲击的机床主轴 采用中碳或低碳合金钢，如 40Cr，20Cr。进行高频淬火或渗碳淬火，提高耐磨性，硬度52~65HRC 。 （3）主轴材料的攻关点 怎样减小高速、高效、高精密机床主轴的热 变形、振动。 已诞生的新型材料有玻璃陶瓷材料。
故滚动轴承的摩擦系数小，有利于减小发热。
滚动轴承润滑容易，可以用油脂，一次填装可用到修理时再换脂。如 用油润滑，单位时间用油量也比滑动轴承少。
滚动轴承为标准件，质量稳定，成本低，经济性好。
滚动轴承的缺点：
滚动轴承的滚动体数量有限，其径向刚度是变化的，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。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
主轴部件结构设计之4——主轴主要结构尺寸参数的确定
1.前支承轴颈D1 主轴直径越大其刚度越大，主轴组件尺寸越大。在保证 主轴组件刚度的同时，尽量减小轴颈D1的尺寸。 2.主轴内孔直径d 内孔直径d与主轴的用途有关。在保证主轴刚度的同时 ，参考主轴直径和刀杆直径确定d。 3.主轴前端悬伸量a 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。满足结构要求前提下，尽量缩短悬伸量a 。 4.主轴支承间跨距L 跨距的大小影响主轴弯曲和前端位移量。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
常用滚动轴承的布置
角接触球轴承
接触角是设计参数：
接触角为0，深沟球轴承； 接触角在0-45度之间，角接触球轴承； 接触角在45到90度之间，推力角接触球轴承
角接触球轴承的布置
一般多选用15度——25度成组安装，以便承受双方向进给力及调整间 隙预紧。 机床主轴常选用“背靠背组合”，为什么？
不足：线速度需<12~15m/s，且不如带传动平稳。
（2）带传动 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。适用于 中心距较大的两轴间传动。
不足：传动速比不够准确。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
主轴的传动形式
（3）同步齿形带传动 通过带上的齿与带轮上的轮齿传递传动 此 传动无相对滑动，传动比大且准确，传动精度高；可传递较大动 力，传动平稳；不需特别张紧，对轴和轴承压力小，传动效率高 ；不需润滑，耐腐蚀，耐高温。可达50m/s；传动比可达1:10
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
主轴部件结构设计之1——支承数目
1）前、后两个支承 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。 2）三个支承 ①前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承； ②前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。 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。 要求“主”支承应该消除间隙或预紧，“辅助”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 轴的工作性能，使空载功率大幅度上升和轴承温升过高。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
主轴部件应满足的基本要求
基本要求： 旋转精度 是指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安 装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动（检测方法视 频）。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装 配和调整精度。 刚 度 是指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力。 主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综 合反映。 抗振性 指抵抗受迫振动和自激振动的能力。 温升和热变形 主轴部件运转时，因各相对处的摩擦生热， 切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位 置发生变化，造成主轴部件的所谓热变形。 精度保持性 是指长期地保持其原始制造精度的能力。
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“面对面组合”高
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
几种典型的主轴轴承配置形式
根据 刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声要求等选择。 速度型
主轴前后轴承都采用角接触球轴承，切削力轴向分量大时，可选用25度 球轴承；较小时，选用15度球轴承即可。该类型适合高速轻载或精密机 床，如高速镗削单元、高速CNC机床。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
主轴部件结构设计之4——主轴主要结构尺寸参数的确定
•一般按机床类型、主轴 传递的功率或最大加工 直径，选取D1。车床和 铣床后轴颈的直径D2： (0.7～0.9)Dl。
•主轴前端悬伸量d是指主轴前端面到前轴承径向反力 •很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。一般 •存在一个最佳跨距上L0。在该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变 应保证d／D<0.7。 作用中点(或前径向支承中点)的距离。 形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般取L。＝(2～3.5)d。 •如车床主轴内孔用来通过棒料或安装送夹料机构；铣床主 •由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响 •1)L合理＝(4—5)D1 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 很大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量 2)L合理＝(3—5)a，用于悬伸长度较小时，如车床、铣床、外等。 刚度，卧式车床的主轴孔径d通常不小于主轴平均直径的55 缩短该悬伸量。 3)L合理＝(1～2)a，用于悬伸长度较大时，如镗床、内圆磨床等。 ％—60％；铣床主轴孔径d可比刀具拉杆直径大5—10mm。
③ 两端配置（两端定位）推力轴承布置在前后两个支承处。
主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。故需采用弹簧消除间隙
和补偿热变形。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。
④ 中间配置 两个方向的推力轴承布置在前支承后侧。
可减少主轴的悬升量，并使主轴受热膨胀后向后伸长，但前支承结构 较复杂，温升也可能较高
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
速度刚度结构
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
CA6140车床的主轴箱布置——刚度型
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
轴承精度等级的选择
前轴承与后轴承的精度对主轴旋转精度影响不同
前大后小，前轴承精度应高； 如前后轴承便宜方向在同一侧，可有效降低主轴端部的偏移。 轴承精度影响旋转精度、刚度与抗振性，应选择P4(SP)以上精度。
1、动压轴承
主轴旋转时，带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力 油楔，产生油膜压力浮起主轴。 承载能力与速度、润滑油粘度、油楔结构等有关。
3.1 典型部件设计——主轴部件设计
2、液体静压轴承
一套专用供油系统、节流器和轴承。 静压轴承与动压轴承相比具有的优点：
承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度 ； 抗振性好；运转平稳；既能在低速下工作，也能在高速下工作； 摩擦小，轴承寿命长。 缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。