3-6 主轴部件设计

3-6主轴部件设计主轴部件是机床重要部件之一，它是机床的执行件。

它的功用是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等载荷，完成表面成形运动。

主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。

主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。

因此，对主轴部件要有较高的要求。

一、主轴部件应满足的基本要求l．旋转精度主轴的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。

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。

如主轴支承轴颈的圆度，轴承滚道及滚子的圆度，主轴及随其回转零件的动平衡等因素，均可造成径向跳动；轴承支承端面，主轴轴肩及相关零件端面对主轴回转中心线的垂直度误差，止推轴承的滚道及滚动体误差等将造成主轴轴向跳动；主轴主要定心面(如车床主轴端的定心短锥孔和前端内锥孔)的径向跳动和轴向跳动。

对于通用机床和数控机床的旋转精度，国家已有统一规定，详见各类机床的精度检验标准。

2．刚度主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义，如图3—54所示。

如果引起弹性变形的作用力是静力y，则由此力和变形所确定的刚度称为静刚度；如果引起弹性变形的作用力是交变力，其幅度为y，则由该力和变形所确定的刚度称为动刚度，静、动刚度的单位均为N／um。

图3－54主轴部件的刚度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。

因此，主轴的尺寸和形状、滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。

主轴静刚度不足对加工精度和机床性能有直接影响，并会影响主轴部件中的齿轮、轴承的正常工作，降低工作性能和寿命，影响机床抗振性，容易引起切削颤振，降低加工质量。

目前，对主轴部件尚无统一的刚度标准。

3．抗振性主轴部件的抗振性是指抵抗受追振动和自激振动的能力。

在切削过程中，主轴部件不仅受静态力作用，同时也受冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动。

冲击力和交变力是由材料硬度不均匀、加工余量的变化、主轴部件不平衡、轴承或齿轮存在缺陷以及切削过程中的颤振等引起的。

主轴部件的振动会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。

随著机床向高速．高精度发展，对抗振性要求越来越高。

影响抗振性的主要因素是主轴部件的静刚度、质量分布以及阻尼。

主轴部件的低阶固有频率与振型是其抗振性的主要评价指标。

低阶固有频率应远高于激振频率，使其不容易发生共振。

目前，抗振性的指标尚无统一标准，只有一些实验数据供设计时参考。

4．温升和热变形主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热，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。

主轴热变形可引起轴承间隙变化，润滑油温度升高后会使粘度降低，这些变化都会影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。

因此，各种类型机床对温升都有一定限制。

如高精度机床，连续运转下的允许温升为8～10℃，精密机床15～20℃，普通机床30～40℃。

5．精度保持性主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力。

主轴部件丧失其原始精度的主要原因是磨损，如主轴轴承、主轴轴颈表面、装夹工件或刀具的定位表面的磨损。

磨损的速度与摩擦的种类有关，与结构特点、表面光洁度、材料的热处理方式、润滑、防护及使用条件等许多因素有关。

所以要长期保持主轴部悼的精度，必须提离其耐磨性。

对耐磨性影响较大的因素有主轴、轴承的材料、热处理方式、轴承类型及润滑防护方式等。

二、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、所传递的扭矩、对运动平稳性的要求以及结构紧凑、装卸维修方便等要求。

还须考虑成本。

1．齿轮传动齿轮传动的特点是结构简单、紧凑，能传速较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。

它的缺点是线速度不能过高，通常小于12～15m／s，不如带传动平稳。

2．带传动由于各种新材料取新型传动带的出现，带传动的应用日益广泛。

常用的有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等。

带传动的特点是靠摩擦力传动(除同步齿形带外)、结构简单、制造容易，成本低，特别适用于中心距较大的两轴问传动。

皮带有弹性可吸振，传动平稳；噪声小，适宜高速传动。

带传动在越载中会打滑，能起到过载保护作用。

缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。

同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。

如图3—55a所示。

同步齿形带的齿形有两种：梯形齿和圆弧齿。

圆弧齿形受力合理，较梯形齿同步带能够传递更大的扭短。

同步齿形带无相对滑动，传动比准确，传动精度高，采用伸缩率小、抗拉抗弯曲疲劳强度高的承载绳(图3—55b)，如银丝、聚酰纤维等，因此强度高，可传递超过100kw以上的动力；厚度小、重量轻、传动平稳、噪声小适用于高速传动，可达50m／s；无需特别张紧，对轴和轴承压力小，传动效率高；不需要润滑，耐水耐腐蚀，能在高温下工作，维护保养方便；传动比大，可达l：10以上。

缺点是制造工艺复杂．安装条件要求高。

3．电动机直接驱动方式如果主轴转速不算太高，采用普通异步电动机直接带动主轴，如平面磨床的砂轮主轴。

如果转速很高，可将主轴与电动机制成一体，成为主轴单元，如图3—56所示，电动机转子轴就是主轴，电动机座就是机床主轴单元的壳体。

主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和扭矩；便于组织专业化生产。

因此广泛地用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。

三、主轴部件结构设计(一)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3—25所示，这种方式结构简单，制造装配方便，容易保证精度。

为提高主轴部件的剐度，前后支承应消除间隙或预紧。

为提高刚度和抗振性，有的机床主轴采用三个支承。

三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承，如图3－24所示；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承，如图3—30所示。

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。

主支承也应消除问隙或预紧，“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。

(二)推力轴承位置配置型式推力轴承在主轴前后支承的配置型式，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外，如图3－57a所示。

这类配置方案在前支承处轴承较多，发热太，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高精度机床或数控机床。

2．后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支承处，如图3－57c所示。

这类配置方案前支承处轴承较少，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，如立铣、多刀车床等。

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，如图3—57d、e所示。

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3—57b所示。

这类配置方案可减步主轴的悬伸量，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。

(三)主轴传动件位置的合理布置1．传动件在主轴上轴向位置的合理布置合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受力情况，减小主轴变形，提高主轴的抗振性。

合理布置的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。

因此主轴上传动件轴向布置时，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。

传动件轴向布置的几种情况如图3—58所示。

图3－58a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3－58b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，传动齿轮直接安装在转盘上；图3—58c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主轴受到的驱动力相对于切削力的方向取决于驱动主轴的传动轴位置。

应尽可能将该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。

(四)主轴主要结构参数的确定主轴的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3—59所示。

这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。

1．主轴前轴颈直径D1的选取一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径，参考表3－10选取D1。

车床和铣床后轴颈的直径D2≈(0.7～0.85)D1。

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；为不过多地削弱主轴的刚度，卧式车床的主轴孔径d通常不小于主轴平均直径的55％～60％；铣床主轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆等等。

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型式和尺寸，由结构设计确定。

由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。

4．主轴主要支承间跨距工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，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前轴端的位移量增大；反之，支承跨距过太，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变形增大，也会引起主轴前轴端较大的位移。

因此存在一个最佳跨距L0，在该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变形引起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，主轴主要支承间的实际跨距L往往大于上述最佳跨距Lo。

(五)主轴1．主轴的构造主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。