第3章典型部件设计

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1、3.1 典型部件设计主轴部件设计p 主轴组件包括 主轴、支承轴承、传动件、定位元件、密封件。p 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。 基基 本本 要要 求求 旋转精度旋转精度 刚度刚度 抗振性抗振性 温升和热变性温升和热变性 精度保持性精度保持性主轴部件应满足的基本要求主轴部件应满足的基本要求基本要求基本要求：v旋转精度旋转精度 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。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。v刚刚 度度 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

2、反映。v抗振性抗振性 指抵抗受迫振动和自激振动的能力。v温升和热变形温升和热变形 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。v精度保持性精度保持性 是指长期地保持其原始制造精度的能力。3.1 典型部件设计主轴部件设计3.1 典型部件设计主轴部件设计p 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。p 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。p 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

3、设计p 主轴的选材依据：载荷类型、耐磨性、热处理方法。u（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5055HRC。u（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5265HRC。u（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。p 主轴的技术要求：u 主轴前后轴承轴颈的同轴度，u 锥孔相对于前后轴颈中心连接线的径向跳动，u 定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心线径向和轴向跳动等。

4、 3.1 典型部件设计主轴部件设计p 主轴的传动形式u（1）齿轮传动 轮齿的啮合传动，结构简单、紧凑；能传递较大的扭矩，适应变转速、变载荷工作。n 不足：线速度需1215m/s，且不如带传动平稳。u（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。n 不足：传动速比不够准确。3.1 典型部件设计主轴部件设计p 主轴的传动形式u（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，

5、耐腐蚀，耐高温。可达50m/s；传动比可达1:10u（4）电动机直接驱动 对于转速小于3000r/min的主轴，采用异步电动机和联轴器直接驱动主轴。如高速内圆磨床的磨头。对于转速小于8000r/min的轴，采用变频调速电动机直接驱动。3.1 典型部件设计主轴部件设计p 主轴滚动轴承u滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作。u滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧（有一定过盈量）的条件下工作。故滚动轴承的摩擦系数小，有利于减小发热。u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。 u滚动轴承为标准件，质量稳定，成本低，经济性好。u滚动轴承

6、的缺点：n 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p 选择滚动轴承选择的基本原则u1）转速较高，负载不大，而旋转精度要求较高，采用球轴承。u2）转速较低，负载大或有冲击负载，采用滚子轴承。u3）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u4）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。u5）径向载荷比轴向载荷大得多，且转速较高，采用深沟球轴承u6）支承刚度要求较高时，可采用成对角接触型轴承。3.1 典

7、型部件设计主轴部件设计p 常用滚动轴承的布置u角接触球轴承n 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u角接触球轴承的布置n 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。 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p 几种典型的主轴轴承配置形式u根据 刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声要求等选择。u速度型n 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

8、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。u刚度型n 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。u刚度速度型n 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p 高速结构3.1 典型部件设计主轴部件设计p 高刚度结构u图1是上述提到的典型“高刚度结构”u图2是采用圆锥滚子轴承的

9、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p 速度刚度结构3.1 典型部件设计主轴部件设计p 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p 轴承精度等级的选择u前轴承与后轴承的精度对主轴旋转精度影响不同n 前大后小，前轴承精度应高；n 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。n 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。p 主轴滚动轴承的预紧u预紧就是采用预加载荷的

10、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。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。3.1 典型部件设计主轴部件设计p 主轴滑动轴承u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。u按产生油膜的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。u按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。p 1、动压轴承u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。u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p

11、2、液体静压轴承u一套专用供油系统、节流器和轴承。u静压轴承与动压轴承相比具有的优点：静压轴承与动压轴承相比具有的优点：n 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；n 抗振性好；运转平稳；既能在低速下工作，也能在高速下工作；n 摩擦小，轴承寿命长。n 缺点缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。3.1 典型部件设计主轴部件设计p 主轴部件结构设计之1支承数目u1）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。u2）三个支承 n前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；n前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。n三支承方式