第10章-主轴组件课件

高刚度结构高刚度结构 前支承用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷和60角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。适用于中等转速和切削负载较大，要求刚度高的机床。如数控车床主轴、镗削主轴单元等。高刚度结构高刚度结构 前支承用双列圆柱滚子轴承前支承用双列圆柱滚子轴承高速结构高速结构 主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。根据轴向切削分力的大小，可选用接触角为25、15的球轴承；在相同工作条件下，前者的轴向刚度比后者大一倍。角接触球轴承具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，因而适用于高速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速CNC车床等。高速结构高速结构 主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或速度刚度结构速度刚度结构速度刚度结构速度刚度结构第十章第十章 主轴组件主轴组件组组成成主主轴轴、轴轴承承、传传动动件件(齿齿轮轮、带带轮轮)、紧紧固固件（如螺母）、密封件等件（如螺母）、密封件等 大多数机床都具有主轴组件；刨床、拉床除外大多数机床都具有主轴组件；刨床、拉床除外 有的机床只有一个主轴组件，有的机床只有一个主轴组件，有的有多个，如磨床、组合机床有的有多个，如磨床、组合机床第十章第十章 主轴组件组成主轴组件组成主轴、轴承、传动件主轴、轴承、传动件(齿轮、带轮齿轮、带轮)金属切削机床金属切削机床主轴组件功用主轴组件功用支承并支承并带动工件或刀具，完成表面成形运工件或刀具，完成表面成形运动；传递运运动和和转矩；承受切削力和矩；承受切削力和驱动力等力等载荷。荷。静静态、动态和和热态特性直接影响加工特性直接影响加工质量；量；转速影响机床的切削生速影响机床的切削生产率；率；是机床的一个重要部件。是机床的一个重要部件。金属切削机床主轴组件功用支承并带动工件或刀具，完成表面成形金属切削机床主轴组件功用支承并带动工件或刀具，完成表面成形 金属切削机床金属切削机床主轴和传动轴主轴和传动轴共共同同点点两两者者都都传传递递运运动动、转转矩矩并并承承受受传传动动力，都要保证传动件和支承的正常工作。力，都要保证传动件和支承的正常工作。不不同同点点主主轴轴直直接接承承受受切切削削力力，还还要要带带动动工工件或刀具，实现表面成形运动。件或刀具，实现表面成形运动。主轴组件有较高的要求主轴组件有较高的要求 金属切削机床主轴和传动轴共同点金属切削机床主轴和传动轴共同点两者都传递运动、转矩并承两者都传递运动、转矩并承 金属切削机床金属切削机床主轴组件的特点主轴组件的特点结构上：结构上：解决工件或刀具在主轴上的定位和装夹；解决工件或刀具在主轴上的定位和装夹；主轴与轴承以及轴承与支承座孔的定位和装夹；主轴与轴承以及轴承与支承座孔的定位和装夹；主轴轴承的润滑与密封以及轴承间隙的调整等问题。主轴轴承的润滑与密封以及轴承间隙的调整等问题。工艺上：工艺上：便于制造、装配、调整和维修。便于制造、装配、调整和维修。使用上：使用上：有与机床相匹配的旋转精度、刚度、动态有与机床相匹配的旋转精度、刚度、动态 和热态特性、耐磨性等要求。和热态特性、耐磨性等要求。金属切削机床主轴组件的特点结构上：金属切削机床主轴组件的特点结构上：金属切削机床金属切削机床第一节第一节 主轴组件的基本要求主轴组件的基本要求 保证主轴在一定的载荷与转速下，能带动工件或保证主轴在一定的载荷与转速下，能带动工件或刀具精确而可靠地绕其旋转中心线旋转，并能在其额刀具精确而可靠地绕其旋转中心线旋转，并能在其额定寿命期内稳定地保持这种性能定寿命期内稳定地保持这种性能1 1）旋转精度旋转精度 无载荷、手动或低速转动条件下，主轴前端安装无载荷、手动或低速转动条件下，主轴前端安装刀具或工件的基准面的径向跳动、端面跳动刀具或工件的基准面的径向跳动、端面跳动 取决于主轴、轴承、箱体孔的制造精度和装配、取决于主轴、轴承、箱体孔的制造精度和装配、调整精度。调整精度。金属切削机床第一节金属切削机床第一节 主轴组件的基本要求主轴组件的基本要求 保保 金属切削机床金属切削机床2）静刚度）静刚度主轴抵抗外力引起变形的能力主轴抵抗外力引起变形的能力3）抗振性）抗振性抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运转的能力抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运转的能力主轴组件的静刚度；固有频率；阻尼特性。主轴组件的静刚度；固有频率；阻尼特性。刚度和阻尼比越大越不易产生振动。刚度和阻尼比越大越不易产生振动。影响因素：影响因素：金属切削机床金属切削机床2）静刚度主轴抵抗外力引起变形的能力）静刚度主轴抵抗外力引起变形的能力3）抗振性）抗振性 金属切削机床金属切削机床4）温升和热变形）温升和热变形 主主轴轴组组件件工工作作时时，由由于于摩摩擦擦和和搅搅油油等等而而发发热热，产产生生了了温温升升。温温升升使使主主轴轴组组件件因因热热膨膨胀胀而而变变形形，称称为为热变形。热变形。主轴轴承在最高转速空转、连续运转至热稳态时允许温升为：主轴轴承在最高转速空转、连续运转至热稳态时允许温升为：高精度机床高精度机床 8 10 精密机床和数控机床精密机床和数控机床 15 20 普通机床普通机床 30 40 滚动轴承滚动轴承温度不得超过温度不得超过70 滑动轴承滑动轴承温度不得超过温度不得超过60 轴承间隙和预紧力的大小；润滑方式和散热条件轴承间隙和预紧力的大小；润滑方式和散热条件 金属切削机床金属切削机床4）温升和热变形）温升和热变形 主轴组件工作时，由于摩擦和主轴组件工作时，由于摩擦和 金属切削机床金属切削机床5）耐磨性）耐磨性长期保持原始精度的能力，即精度的保持性。长期保持原始精度的能力，即精度的保持性。磨损后对精度有影响的部位首先是磨损后对精度有影响的部位首先是轴承轴承。其次是安。其次是安装夹具、刀具或工件的装夹具、刀具或工件的定位面和锥孔定位面和锥孔,还有如钻、镗还有如钻、镗床的移动式主轴的内、外床的移动式主轴的内、外导向表面。导向表面。金属切削机床金属切削机床5）耐磨性长期保持原始精度的能力，即精度的保持）耐磨性长期保持原始精度的能力，即精度的保持 金属切削机床金属切削机床第二节第二节 主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承滚动轴承的特点：滚动轴承的特点：能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作；能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作；能在无间隙，甚至预紧的条件下工作；能在无间隙，甚至预紧的条件下工作；摩擦系数小，有利于减少发热；摩擦系数小，有利于减少发热；润滑容易，脂或油；润滑容易，脂或油；由轴承厂专门生产，可以外购。由轴承厂专门生产，可以外购。滚动体数量有限，在旋转中径向刚度变化，同时引滚动体数量有限，在旋转中径向刚度变化，同时引起振动；起振动；阻尼较低；阻尼较低；径向尺寸较大。径向尺寸较大。金属切削机床第二节金属切削机床第二节 主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承滚动轴主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承滚动轴 金属切削机床金属切削机床角接触球轴承角接触球轴承圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承推力球轴承推力球轴承深沟球轴承深沟球轴承圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承滚针轴承滚针轴承角接触球轴承角接触球轴承接触角接触角=15 转速高、转速高、轴向刚度低，轴向刚度低，多用于轴向载荷小，转速多用于轴向载荷小，转速较高的地方（磨床主轴）较高的地方（磨床主轴）或不受轴向载荷的车、镗、或不受轴向载荷的车、镗、铣床的主轴后轴承铣床的主轴后轴承 金属切削机床角接触球轴承金属切削机床角接触球轴承圆柱滚子轴承角接触球轴承接触角圆柱滚子轴承角接触球轴承接触角 金属切削机床金属切削机床接触角接触角=25轴向刚度高；轴向刚度高；径向刚度和允许的转速略低；径向刚度和允许的转速略低；多用于轴向载荷大的地方；多用于轴向载荷大的地方；如车、镗、铣床和加工中心主轴。如车、镗、铣床和加工中心主轴。把内外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧；把内外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧；多用于高速主轴；多用于高速主轴；为为适适应应数数控控机机床床转转速速的的提提高高，国国外外已已开开发发了了超超高高速速角接触球轴承，采用陶瓷滚珠和减小滚珠直径。角接触球轴承，采用陶瓷滚珠和减小滚珠直径。金属切削机床接触角金属切削机床接触角=25轴向刚度高；把内外圈相对轴向位轴向刚度高；把内外圈相对轴向位双列圆柱滚子轴承双列圆柱滚子轴承特轻型；常用；特轻型；常用；滚道环槽开在内圈上；滚动滚道环槽开在内圈上；滚动体、保持架、内圈为一体。体、保持架、内圈为一体。外圈可分离；外圈可分离；内圈锥度内圈锥度1:12。金属切削机床金属切削机床双列圆柱滚子轴承特轻型；常用；双列圆柱滚子轴承特轻型；常用；金属切削机床金属切削机床 金属切削机床金属切削机床 金属切削机床金属切削机床 金属切削机床金属切削机床17 特特 点点滚子数多（滚子数多（5060个），两列滚子交错排列，与其个），两列滚子交错排列，与其它轴承相比在大小相同时，这类轴承刚度较高、承载能它轴承相比在大小相同时，这类轴承刚度较高、承载能力大、允许转速较高。力大、允许转速较高。内圈有内圈有1:12的锥孔与主轴的锥形轴颈相配轴向移动，的锥孔与主轴的锥形轴颈相配轴向移动，内圈胀大以消除间隙并预紧。内圈胀大以消除间隙并预紧。轴承内外圈可分离，只能承受径向载荷。轴承内外圈可分离，只能承受径向载荷。适用于载荷和刚度较高、中等转速的场合。适用于载荷和刚度较高、中等转速的场合。金属切削机床金属切削机床17 特特 点滚子数多（点滚子数多（5060个），两列滚个），两列滚 金属切削机床金属切削机床18 双向推力角接触球轴承双向推力角接触球轴承234400（2268100）系列系列60双向推双向推力角接触深沟球轴承；力角接触深沟球轴承；特轻型特轻型234400与与NN3000K；（3182100）系列、超轻型）系列、超轻型234900与与NNU4900BK系列轴承配套使用，以承系列轴承配套使用，以承受双向轴向载荷。受双向轴向载荷。组成：组成：外圈外圈3、内圈、内圈1和和6、隔套、隔套4消除间隙和预紧：消除间隙和预紧：修磨隔套修磨隔套4的厚度的厚度 金属切削机床金属切削机床18 双向推力角接触球轴承双向推力角接触球轴承234400（226 金属切削机床金属切削机床特特 点点 接触角大，钢球直径较小而数量较多，轴接触角大，钢球直径较小而数量较多，轴承承载能力和精度较高。承承载能力和精度较高。极限转速比一般推力球轴承高出极限转速比一般推力球轴承高出1.5倍，与倍，与同孔径的双列圆柱滚子轴承同孔径的双列圆柱滚子轴承 NN3000K（3182100）型轴承相同。）型轴承相同。适用于高转速、较大轴向力、中等以上载适用于高转速、较大轴向力、中等以上载荷的主轴前支承处。荷的主轴前支承处。2024年5月17日 金属切削机床特金属切削机床特 点点 接触角大，钢球直径较小而数量较多，轴承接触角大，钢球直径较小而数量较多，轴承 金属切削机床金属切削机床深沟球轴承深沟球轴承一般不能调整间隙；一般不能调整间隙；常用于精度和刚度要求不太大的地方，如常用于精度和刚度要求不太大的地方，如钻床主轴；钻床主轴；轴向载荷由配套的推力轴承承受。轴向载荷由配套的推力轴承承受。金属切削机床深沟球轴承一般不能调整间隙；金属切削机床深沟球轴承一般不能调整间隙；金属切削机床金属切削机床21 圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承 能承受径向和轴向载荷，承载能力和刚度较高；能承受径向和轴向载荷，承载能力和刚度较高；滚子大端与内圈挡边之间是滑动摩擦，发热较滚子大端与内圈挡边之间是滑动摩擦，发热较 多，多，允许的转速较低。允许的转速较低。金属切削机床金属切削机床21 圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承 能承受径向和能承受径向和22 双列圆锥滚子轴承双列圆锥滚子轴承轴承组成：外圈轴承组成：外圈2、两个内圈、两个内圈1和和4、隔套、隔套3；调整间隙或预紧：修磨隔套调整间隙或预紧：修磨隔套3的的厚度；厚度；外圈轴肩，一端抵住箱体或主轴外圈轴肩，一端抵住箱体或主轴套筒的端面，另一端用法兰压紧，套筒的端面，另一端用法兰压紧，实现轴向定位。因此，箱体孔可做实现轴向定位。因此，箱体孔可做成通孔，便于加工。成通孔，便于加工。金属切削机床金属切削机床22 双列圆锥滚子轴承轴承组成：外圈双列圆锥滚子轴承轴承组成：外圈2、两个内圈、两个内圈1和和4、隔套、隔套 金属切削机床金属切削机床它既可以承受径向载荷，又可以承受双向轴向载荷。它既可以承受径向载荷，又可以承受双向轴向载荷。滚锥数量多，承载能力和刚度大，轴承制造精度高。滚锥数量多，承载能力和刚度大，轴承制造精度高。适用于中低速、中等以上载荷的机床主轴的前支承适用于中低速、中等以上载荷的机床主轴的前支承处。处。注意润滑和冷却条件。注意润滑和冷却条件。金属切削机床它既可以承受径向载荷，又可以承受双向轴向载荷。金属切削机床它既可以承受径向载荷，又可以承受双向轴向载荷。金属切削机床金属切削机床主轴滚动轴承的精度主轴滚动轴承的精度 SP级和级和UP级作为补充；级作为补充；旋转精度旋转精度，相当于，相当于P4级和级和P2级；级；(高高)内外圈的内外圈的尺寸精度尺寸精度，则相当于，则相当于P5级和级和P4级级 (低低)轴承的工作精度主要决定于旋转精度轴承的工作精度主要决定于旋转精度“成套轴承的内圈径向跳动成套轴承的内圈径向跳动”Kia“成套轴承的外圈径向跳动成套轴承的外圈径向跳动”Kea“轴圈滚道对底面的变动量轴圈滚道对底面的变动量”Si 金属切削机床主轴滚动轴承的精度金属切削机床主轴滚动轴承的精度 SP级和级和UP级作为补级作为补 金属切削机床金属切削机床表表10-3 金属切削机床表金属切削机床表10-3 金属切削机床金属切削机床转速转速 以以dmn值（值（mmr/min）作为衡量转速性能的指标的。）作为衡量转速性能的指标的。dm（mm）是内、外径平均值；）是内、外径平均值；n 是转速（是转速（r/min）决定轴承寿命的是疲劳点蚀和磨损降低精度。决定轴承寿命的是疲劳点蚀和磨损降低精度。寿命寿命 一一般般机机床床，由由于于主主轴轴较较粗粗，载载荷荷相相对对来来说说不不大大，往往往以磨损后精度下降作为失效的依据的。往以磨损后精度下降作为失效的依据的。“精度寿命精度寿命”金属切削机床转速金属切削机床转速 以以dmn值（值（mmr/min）作）作 金属切削机床金属切削机床刚度刚度球轴承球轴承滚子轴承滚子轴承(10-4)(10-5)(10-6)(10-7)金属切削机床刚度球轴承滚子轴承金属切削机床刚度球轴承滚子轴承(10-4)(10-5)(1 金属切削机床金属切削机床 滚子轴承，刚度与载荷的滚子轴承，刚度与载荷的0.1次幂成正比，载荷对刚次幂成正比，载荷对刚度的影响不大。因此，计算时可不考虑预紧。度的影响不大。因此，计算时可不考虑预紧。球轴承，刚度与载荷的球轴承，刚度与载荷的1/3次幂成正比，预紧力对刚次幂成正比，预紧力对刚度的影响明显，计算时应考虑预紧力。度的影响明显，计算时应考虑预紧力。金属切削机床金属切削机床 滚子轴承，刚度与载荷的滚子轴承，刚度与载荷的0.1次幂成正比次幂成正比 金属切削机床金属切削机床第三节 主 轴主轴的结构主轴的结构主轴材料与热处理方法主轴材料与热处理方法主轴技术要求主轴技术要求 金属切削机床第三节金属切削机床第三节 主主 轴主轴的结构轴主轴的结构 金属切削机床金属切削机床 为为了了便便于于装装配配和和满满足足轴轴承承、传传动动件件等等轴轴向向定定位的需要，主轴一般是位的需要，主轴一般是阶梯形的轴阶梯形的轴。有有些些主主轴轴是是空空心心的的，如如车车床床、铣铣床床、加加工工中中心等的主轴。中孔用以通过棒料等。心等的主轴。中孔用以通过棒料等。d/D0.7时时，惯惯性性矩矩下下降降约约24。为为了了不不致致使使主主轴轴的的刚刚度度受受太太大大的的影影响响，孔孔径径不不宜宜超超过过外外径径的的70。主轴的结构主轴的结构 金属切削机床金属切削机床 为了便于装配和满足轴承、传动件为了便于装配和满足轴承、传动件 金属切削机床金属切削机床 一般机床主轴：常用一般机床主轴：常用45钢，调质到钢，调质到220250HBS，主轴端部锥孔、定心轴颈或定心圆锥面等部位局部淬主轴端部锥孔、定心轴颈或定心圆锥面等部位局部淬硬至硬至HRC5055。滚动轴承轴颈可不淬硬，但是不少主轴为了防止滚动轴承轴颈可不淬硬，但是不少主轴为了防止敲碰损伤轴颈的配合表面，轴颈处仍然进行淬硬；敲碰损伤轴颈的配合表面，轴颈处仍然进行淬硬；滑动轴承轴颈处需高频淬硬，保证耐磨性。滑动轴承轴颈处需高频淬硬，保证耐磨性。若为重负荷，为提高抗疲劳性能，可选若为重负荷，为提高抗疲劳性能，可选40Cr主轴材料与热处理方法主轴材料与热处理方法 金属切削机床金属切削机床 一般机床主轴：常用一般机床主轴：常用45钢，调质到钢，调质到22 金属切削机床金属切削机床 精密机床主轴，要求在长期使用中因内应力引起精密机床主轴，要求在长期使用中因内应力引起的变形要小，故应选用在热处理后残余应力小的材料的变形要小，故应选用在热处理后残余应力小的材料,如如40Cr 或或20Cr、16MnCr5、12CrNi2A等渗碳淬硬等渗碳淬硬 滑动轴承上的高精度磨床的主轴、镗床和坐标镗滑动轴承上的高精度磨床的主轴、镗床和坐标镗床主轴，要求有很高的耐磨性，可选用床主轴，要求有很高的耐磨性，可选用38CrMoAlA，进行氮化处理，使表面硬度达到进行氮化处理，使表面硬度达到HV11001200（相当相当于于HRC6972）金属切削机床金属切削机床 精密机床主轴，要求在长期使用中精密机床主轴，要求在长期使用中 金属切削机床金属切削机床主轴的技术要求主轴的技术要求 金属切削机床主轴的技术要求金属切削机床主轴的技术要求 金属切削机床金属切削机床主轴组件主轴组件中等转速，较高刚度中等转速，较高刚度 金属切削机床主轴组件中等转速，较高刚度金属切削机床主轴组件中等转速，较高刚度 金属切削机床金属切削机床转速较高，刚度略低转速较高，刚度略低 金属切削机床转速较高，刚度略低金属切削机床转速较高，刚度略低 金属切削机床金属切削机床磨床类主轴：特点高转速磨床类主轴：特点高转速 金属切削机床磨床类主轴：特点高转速金属切削机床磨床类主轴：特点高转速滚滚动动轴轴承承的的预预紧紧37 滚动轴承的预紧滚动轴承的预紧37 主轴组件的传动主轴组件的传动1、传动方式（传动件：齿轮和带）、传动方式（传动件：齿轮和带）齿轮齿轮v1215m/s 斜齿轮稳定性好斜齿轮稳定性好 少用滑移齿轮，活装零件，多用圆锥配合少用滑移齿轮，活装零件，多用圆锥配合 带传动带传动 (V：v30m/s 丝带丝带v35m/s)2、主轴传动件的布置、主轴传动件的布置 传动齿轮位于前后轴承之间（图传动齿轮位于前后轴承之间（图109），靠前轴承，），靠前轴承，减少主轴弯曲变形。减少主轴弯曲变形。传动齿轮位于后轴承后（图传动齿轮位于后轴承后（图108、1010）主轴装多个齿轮时，大齿轮靠近前轴承，承载力大。主轴装多个齿轮时，大齿轮靠近前轴承，承载力大。传动件是皮带时，皮带靠后。传动件是皮带时，皮带靠后。主轴组件的传动主轴组件的传动 金属切削机床金属切削机床动态特性动态特性两端支承简化为两个弹簧。三个振型：两端支承简化为两个弹簧。三个振型：（1）平平移移主主轴轴作作为为一一个个刚刚体体在在弹弹性性支支承承上上作作平平移振动，如图移振动，如图b所示。主轴各点振动方向一致。所示。主轴各点振动方向一致。（2）摇摇摆摆主主轴轴作作为为刚刚体体在在弹弹性性支支座座上上摇摇摆摆。左左右振动方向相反。振动线与轴心线交点右振动方向相反。振动线与轴心线交点P称为节点。称为节点。（3）弯弯曲曲主主轴轴作作弯弯曲曲振振动动。主主轴轴中中间间与与两两端端的的振振动动方方向向相相反反。共共有有两两个个节节点点P1、P2。这这两两个个节节点点离离支支承点不远。承点不远。金属切削机床动态特性两端支承简化为两个弹簧。三个振型：金属切削机床动态特性两端支承简化为两个弹簧。三个振型：金属切削机床金属切削机床 金属切削机床金属切削机床 金属切削机床金属切削机床（1）使主轴组件的固有频率避开激振力的频率。）使主轴组件的固有频率避开激振力的频率。（2）主主轴轴轴轴承承，特特别别是是前前轴轴承承的的阻阻尼尼，对对主主轴轴组组件件的的抗抗振振性性影影响响很很大大。如如果果要要求求得得到到很很光光的的加加工工表表面面，主主轴又是水平的，则可用滑动轴承。轴又是水平的，则可用滑动轴承。（3）采采用用三三支支承承 三三支支承承主主轴轴中中，辅辅助助支支承承的的作作用用，与其说是为了提高刚度，毋宁说是为了提高抗振性。与其说是为了提高刚度，毋宁说是为了提高抗振性。（4）采采用用消消振振装装置置 可可以以用用加加消消振振装装置置的的办办法法来来提提高高抗振性。抗振性。改善动态特性的措施改善动态特性的措施 金属切削机床（金属切削机床（1）使主轴组件的固有频率避开激振力的频率。改）使主轴组件的固有频率避开激振力的频率。改 金属切削机床金属切削机床 金属切削机床金属切削机床 金属切削机床金属切削机床主轴悬伸量的确定主轴悬伸量的确定最佳跨距最佳跨距 金属切削机床主轴悬伸量的确定最佳跨距金属切削机床主轴悬伸量的确定最佳跨距