第9章 主轴组件设计

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1、第九章第九章 主轴组件设计主轴组件设计 第一节 概 述一、 主轴组件功用及结构型式 主轴部件：是由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。主轴部件：是由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。 作用：支承并带动工件或刀具完成工件表面成形运动，传递运动和动力。作用：支承并带动工件或刀具完成工件表面成形运动，传递运动和动力。 结构型式：有结构型式：有卧式、立式和倾斜式的不同布置方式。卧式、立式和倾斜式的不同布置方式。二、主轴组件基本要求 1.旋转精度 机床在空载低速时，主轴前端安装刀具，夹具部位的径向跳动、端面跳动机床在空载低速时，主轴前端安装刀具，夹具部位的径向跳动、端面

2、跳动和轴向窜动。和轴向窜动。 主轴的旋转轴线产生的跳动如图主轴的旋转轴线产生的跳动如图端面跳动o轴向窜动or径向跳动r 2.刚度刚度：是指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产刚度：是指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产 生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示，生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示， 比值越大，说明刚度越好。如图所示比值越大，说明刚度越好。如图所示 K= FK= F（牛（牛/ /微米）微米） 3.抗振性 抗振性：是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运动的能力。用主抗振性：是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳

3、地运动的能力。用主 轴端部测得的最大振幅来衡量的。振幅越小，抗振性越好。轴端部测得的最大振幅来衡量的。振幅越小，抗振性越好。 受迫振动：是由机床外部的振源或机床其他部件振动及主轴部件本身所引受迫振动：是由机床外部的振源或机床其他部件振动及主轴部件本身所引 起的。起的。 自激振动：是由切削过程引起的。自激振动：是由切削过程引起的。 4.温升和热变形 机床在工作时，各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而发热造成的温差，机床在工作时，各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而发热造成的温差，使主轴部件在形状和位置上产生畸变，称为热变形。使主轴部件在形状和位置上产生畸变，称为热变形。 热变形是用主轴运转一定时间和因发

4、热而造成的各部分的位置上的变化热变形是用主轴运转一定时间和因发热而造成的各部分的位置上的变化来度量，也可用温升近似的表达。来度量，也可用温升近似的表达。 一般滑动轴承的温升一般滑动轴承的温升 ，工作温度，工作温度 一般滚动轴承的温升一般滚动轴承的温升 ，工作温度，工作温度 5.耐磨性 耐磨性耐磨性又叫精度保持性：是主轴组件长期的保持其原始制造精度的能力，又叫精度保持性：是主轴组件长期的保持其原始制造精度的能力， 所以相对运动部件间都必须有一定的硬度，对所以相对运动部件间都必须有一定的硬度，对 摩擦表面要进行热处理和化学处理。摩擦表面要进行热处理和化学处理。 综合上述：综合上述： 机床的工作精度

5、机床的工作精度 - - 旋转精度旋转精度 静态工作精度静态工作精度 - - 刚度刚度 动态工作精度动态工作精度 - - 抗振性抗振性 精度保持性精度保持性 - - 耐磨性耐磨性 此外还有结构上的要求：此外还有结构上的要求： （1 1）主轴的定位可靠，轴向、径向（在切削力和传动力作用下）。）主轴的定位可靠，轴向、径向（在切削力和传动力作用下）。 （2 2）主轴端部的结构要保证工件或刀具的装夹定位可靠及足够的）主轴端部的结构要保证工件或刀具的装夹定位可靠及足够的 定位精度。定位精度。 （3 3）保持长期可靠的运转，润滑与密封。）保持长期可靠的运转，润滑与密封。 （4 4）结构工艺性好，好造、好装、

6、好拆、好修。并降低成本。）结构工艺性好，好造、好装、好拆、好修。并降低成本。第二节 主轴传动件主轴传动件一、主轴传动件类型选择 常用传动件有：齿轮、蜗轮、带轮和原动机等。常用传动件有：齿轮、蜗轮、带轮和原动机等。 1.齿轮 在变转速、变载荷工作的情况下，一般普遍采用齿轮传动，在变转速、变载荷工作的情况下，一般普遍采用齿轮传动，它结构简单、紧凑，并能传递较大转矩。它结构简单、紧凑，并能传递较大转矩。 (1) (1) 粗加工时，齿轮轴向分力的方向应与切削力的方粗加工时，齿轮轴向分力的方向应与切削力的方向相反。向相反。 (2) (2) 精密、高速加工时，齿轮轴向分力的方向应与切削力的精密、高速加工时

7、，齿轮轴向分力的方向应与切削力的方向相同。方向相同。 2.蜗轮 在低速、小功率且表面加工质量要求较高的场合一般采用蜗在低速、小功率且表面加工质量要求较高的场合一般采用蜗轮传动，它传动平稳、噪声小，但效率低，容易发热和磨损。轮传动，它传动平稳、噪声小，但效率低，容易发热和磨损。 3.带轮 转速较高且表面加工质量要求较高的场合一般采用皮带传动，转速较高且表面加工质量要求较高的场合一般采用皮带传动，带轮结构简单，运转平稳，但传动带容易拉长和磨损，需要定期带轮结构简单，运转平稳，但传动带容易拉长和磨损，需要定期调整及更换。调整及更换。 4.原动机 主轴转速很高时，可采用原动机直接传动主轴。它传动链最主

8、轴转速很高时，可采用原动机直接传动主轴。它传动链最短，只传递转矩，可减小主轴的弯曲变形。短，只传递转矩，可减小主轴的弯曲变形。 二、主轴传动件布置 1.主轴不承受传动力 高精度或精密机床的主轴上，往往采用高精度或精密机床的主轴上，往往采用“卸荷式卸荷式”传动件，只传递转矩而卸掉径向力。传动件，只传递转矩而卸掉径向力。 2.主轴尾端承受传动力 将带轮装在主轴的外伸尾端上，将带轮装在主轴的外伸尾端上，使主轴承受传动力。使主轴承受传动力。 3.主轴前端承受传动力 将带轮装在主轴的前端上，主轴前端悬伸部分将带轮装在主轴的前端上，主轴前端悬伸部分同时承受传动力同时承受传动力Q Q和切削力和切削力F F时

9、，应使时，应使Q Q、F F方向相反。方向相反。 4.主轴两支承间承受传动力 为了减小主轴的弯曲变形和扭转变形，提高固有频率，应将传动齿轮布置为了减小主轴的弯曲变形和扭转变形，提高固有频率，应将传动齿轮布置在靠近前支承的位置上，两种情况如下：在靠近前支承的位置上，两种情况如下： 第三节 主轴一、主轴结构形状要求 主轴的头部已经标准化了，用以安装标准刀具和夹具。主轴头部的形状和主轴的头部已经标准化了，用以安装标准刀具和夹具。主轴头部的形状和尺寸，主要取决于主轴上所安装的传动件尺寸，主要取决于主轴上所安装的传动件, ,轴承和密封件等零件的类型轴承和密封件等零件的类型, ,数目位数目位置和安装定位方

10、式置和安装定位方式, ,同时还要考虑到主轴的加工工艺性和装配工艺性。可见同时还要考虑到主轴的加工工艺性和装配工艺性。可见机床设计手册机床设计手册第第3 3册。册。 为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端面的距离称为为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端面的距离称为悬伸。悬伸量应尽可能地小些。为了便于装配，主轴常制成阶梯形的。悬伸。悬伸量应尽可能地小些。为了便于装配，主轴常制成阶梯形的。二、主轴材料和热处理 主轴的材料，应根据主轴的耐磨性、热处理方法和热处理后的变形来选择。主轴的材料，应根据主轴的耐磨性、热处理方法和热处理后的变形来选择。 （1 1）材料的选择：）材料

11、的选择： 刚性好，承载能力大，耐磨性好，加工性能好，刚性好，承载能力大，耐磨性好，加工性能好， 热处热处 理变形小，价格便宜。材料的刚性是通过弹性模量理变形小，价格便宜。材料的刚性是通过弹性模量E E反反 映的，钢的映的，钢的E E值较大值较大2.1X102.1X106 6 kg/cm kg/cm2 2 , ,一一 般都用钢材。般都用钢材。 常用：结构钢，常用：结构钢，15#15#，20#20#，45#45#。 合金钢，合金钢，20Cr, 40Cr, 50Mn, 65Mn.20Cr, 40Cr, 50Mn, 65Mn. 球墨铸铁也开始应用。球墨铸铁也开始应用。 （2 2）热处理方法：滑动轴承支