1、第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計第第3章章 主軸組件設計主軸組件設計 主軸組件是主運動的執行件，是專機的重要組成主軸組件是主運動的執行件，是專機的重要組成部分。主軸組件由主軸、支承軸承和安裝在主軸上的部分。主軸組件由主軸、支承軸承和安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成。傳動件、密封件等組成。一、主軸組件的基本要求一、主軸組件的基本要求1 1、旋轉精度、旋轉精度 主軸回轉時，其瞬時回轉中心相對于理想回轉中心主軸回轉時，其瞬時回轉中心相對于理想回轉中心在空間位置上的偏差，即為回轉誤差，其范圍為主軸在空間位置上的偏差，即為回轉誤差，其范圍為主軸的旋轉精度。的旋轉精度。第第3 3章章 主軸組件設

2、計主軸組件設計 主軸組件的旋轉精度是指專機在空載低速轉動時，主軸組件的旋轉精度是指專機在空載低速轉動時，在主軸前端定位面上測得的徑向圓跳動、端面圓跳動和在主軸前端定位面上測得的徑向圓跳動、端面圓跳動和軸向竄動值的大小。軸向竄動值的大小。 主軸作旋轉運動時主軸作旋轉運動時,線速度為零的點的連線為主軸線速度為零的點的連線為主軸的理想旋轉中心線。由于制造和裝配等誤差，主軸旋的理想旋轉中心線。由于制造和裝配等誤差，主軸旋轉時幾何中心線的空間位置不斷發生變化的為瞬時回轉時幾何中心線的空間位置不斷發生變化的為瞬時回轉中心。轉中心。 瞬時回轉中心線相對于理想旋轉中心線在空間位瞬時回轉中心線相對于理想旋轉中心

3、線在空間位置上的偏差被稱為回轉誤差；兩線在空間位置上的符置上的偏差被稱為回轉誤差；兩線在空間位置上的符合程度被稱為回（旋）轉精度合程度被稱為回（旋）轉精度。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計 上圖所示上圖所示,瞬時回轉中心線相對于理想旋轉中心線瞬時回轉中心線相對于理想旋轉中心線在空間位置上的偏差被稱為回轉誤差；兩線在空間位在空間位置上的偏差被稱為回轉誤差；兩線在空間位置上的符合程度被稱為回（旋）轉精度置上的符合程度被稱為回（旋）轉精度。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計2 2、靜剛度、靜剛度 K=F/y(N/um) (徑向或軸向剛度）KM=MnL/（N.m2/(0) （扭轉剛度）

4、指主軸在外加載荷下抵抗變形的能力。通常指在指主軸在外加載荷下抵抗變形的能力。通常指在主軸工作端部作用一個靜態力時，靜態力與主軸在力主軸工作端部作用一個靜態力時，靜態力與主軸在力作用方向上所產生的變形之比。作用方向上所產生的變形之比。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計 在額定載荷作用下，主軸組件抵抗變形的能力為在額定載荷作用下，主軸組件抵抗變形的能力為動態剛度。動剛度在高速、變載荷的精密加工機床中，動態剛度。動剛度在高速、變載荷的精密加工機床中，是直接影響加工精度和刀具壽命的主要因素。是直接影響加工精度和刀具壽命的主要因素。3 3、抗振性：、抗振性： 影響主軸組件剛度的主要因素是主軸的結構

5、形式影響主軸組件剛度的主要因素是主軸的結構形式及尺寸；軸承的類型、配置及預緊；傳動件的布置方及尺寸；軸承的類型、配置及預緊；傳動件的布置方式及主軸組件的制造與裝配質量。式及主軸組件的制造與裝配質量。 指機器工作時，主軸組件抵抗振動、保持主軸平指機器工作時，主軸組件抵抗振動、保持主軸平穩運轉的能力。穩運轉的能力。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計4 4、熱變形：、熱變形：5 5、耐磨性：、耐磨性：指長期保持其原始制造精度的能力。指長期保持其原始制造精度的能力。 指機器工作時，因各相對運動處的摩擦和攪油等指機器工作時，因各相對運動處的摩擦和攪油等耗損而發熱造成的溫差使主軸組件在形狀和位置上產

6、耗損而發熱造成的溫差使主軸組件在形狀和位置上產生的畸變。生的畸變。二、主軸軸承的選擇與配置二、主軸軸承的選擇與配置1 1、主軸滾動軸承的類型、主軸滾動軸承的類型（1 1）雙列圓柱滾子軸承：）雙列圓柱滾子軸承：第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計雙列圓柱滾子軸承雙列圓柱滾子軸承因只能承受徑向載因只能承受徑向載荷，故，常和推力荷，故，常和推力軸承配套使用，以軸承配套使用，以同時承受較大的徑同時承受較大的徑向載荷和軸向載荷。向載荷和軸向載荷。適用于載荷和剛度適用于載荷和剛度較高、中等轉速的較高、中等轉速的主軸組件前支承上。主軸組件前支承上。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計（2 2）雙向推

7、力角接觸）雙向推力角接觸球軸承：球軸承： 因只能承受軸向載荷，因只能承受軸向載荷，故常與雙列圓柱滾子軸承故常與雙列圓柱滾子軸承配套使用，用于主軸組件配套使用，用于主軸組件的前支承。的前支承。 這類軸承的接觸角為這類軸承的接觸角為600,由外圈由外圈3、左右內圈、左右內圈1和和6、左右兩列滾珠、左右兩列滾珠2和和5及保持架、隔套及保持架、隔套4組成。組成。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計（3 3）雙列圓錐滾子軸承：）雙列圓錐滾子軸承： 可承受徑向和軸向兩個方向的可承受徑向和軸向兩個方向的載荷，其承載能力和剛度都較高，載荷，其承載能力和剛度都較高，且結構簡單，適用于中低速、中等且結構簡單，

8、適用于中低速、中等以上載荷的主軸組件的前支承。以上載荷的主軸組件的前支承。 這類軸承有一個公用外圈和兩這類軸承有一個公用外圈和兩個內圈，外圈的凸肩靠住箱體或主個內圈，外圈的凸肩靠住箱體或主軸套筒的端面，實現軸向定位，用軸套筒的端面，實現軸向定位，用法蘭壓緊另一端面。凸肩上的缺口法蘭壓緊另一端面。凸肩上的缺口可插入螺釘防止外圈轉動。修磨中可插入螺釘防止外圈轉動。修磨中間隔套可以調整間歇或預緊。間隔套可以調整間歇或預緊。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計（4 4）加梅軸承：）加梅軸承： 這類軸承是由法國加梅公司開發生產的。其中，這類軸承是由法國加梅公司開發生產的。其中，H系列用于前支承、系列

9、用于前支承、P系列用于后支承的配套使用。該系列用于后支承的配套使用。該軸承與一般圓錐滾子軸承的不同是其滾子制為中空，軸承與一般圓錐滾子軸承的不同是其滾子制為中空，轉動時在離心力的作用下形成良好的循環潤滑作用。轉動時在離心力的作用下形成良好的循環潤滑作用。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計2 2、主軸滾動軸承的配置形式：、主軸滾動軸承的配置形式：選用和配置兩支承主軸軸承的一般原則：選用和配置兩支承主軸軸承的一般原則：（1 1）載荷較大，轉速較高時）載荷較大，轉速較高時: : 用雙列圓柱滾子軸用雙列圓柱滾子軸承和接觸角為承和接觸角為600的雙向推力角接觸球軸承組合。的雙向推力角接觸球軸承組合

10、。 主軸軸承的選擇和配置取決于所承受載荷的大主軸軸承的選擇和配置取決于所承受載荷的大小、方向性質，轉速大小，精度高低等因素。小、方向性質，轉速大小，精度高低等因素。（2 2）載荷較大，轉速為中、低速時：）載荷較大，轉速為中、低速時：采用雙列采用雙列圓柱滾子軸承和推力球軸承或圓錐滾子軸承的組合。圓柱滾子軸承和推力球軸承或圓錐滾子軸承的組合。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計（3 3）載荷中等，轉速較高時）載荷中等，轉速較高時：用雙列圓柱滾子軸用雙列圓柱滾子軸承和角接觸球軸承組合或前后支承都是角接觸球軸承承和角接觸球軸承組合或前后支承都是角接觸球軸承組合。組合。（4 4）載荷較小，轉速較高時

11、）載荷較小，轉速較高時：用前后都是單列角用前后都是單列角接觸球軸承組合等。接觸球軸承組合等。推力軸承的配置形式：推力軸承的配置形式：有前端定位、后端定位和兩端定位三種形式。有前端定位、后端定位和兩端定位三種形式。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計 前端定位：前端定位：兩個方向的推力軸承都安排在前支承兩個方向的推力軸承都安排在前支承處。主軸發熱后向后伸長，軸前端的軸向精度較高，處。主軸發熱后向后伸長，軸前端的軸向精度較高，但前支承結構復雜（結構如表但前支承結構復雜（結構如表3.3序號中序號中2、5所示）。所示）。 適用場合：適用場合：用于軸向精度和剛度都要求較高的高用于軸向精度和剛度都要求

12、較高的高精度機床或數控機床。精度機床或數控機床。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計后端定位：后端定位：兩個方向的推力軸承都安排在后支承處。兩個方向的推力軸承都安排在后支承處。主軸受熱后向前伸長，影響軸前端的軸向位置精度和主軸受熱后向前伸長，影響軸前端的軸向位置精度和剛度，但這種結構便于軸承間隙調整（結構如表剛度，但這種結構便于軸承間隙調整（結構如表3.3序序號號3所示）所示） 。適用場合：適用場合：用于精度要求不高的普通機床，如多刀用于精度要求不高的普通機床，如多刀車床。車床。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計兩端定位：兩端定位：兩個方向的推力軸承分別安排在前后支兩個方向的推力軸承

13、分別安排在前后支承處。支承結構簡單，發熱量小，但主軸受熱產生變承處。支承結構簡單，發熱量小，但主軸受熱產生變形，會改變軸承間隙，影響主軸旋轉精度。常用于短形，會改變軸承間隙，影響主軸旋轉精度。常用于短主軸，如組合機床主軸（結構如表主軸，如組合機床主軸（結構如表3.3序號中序號中4、7、8所示）所示） 。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計 中間配置：中間配置：兩個方向的推力軸承配置在前支兩個方向的推力軸承配置在前支承的后側?？梢詼p少主軸的懸伸量，使主軸的熱膨承的后側?？梢詼p少主軸的懸伸量，使主軸的熱膨脹向后，但前支承結構復雜，溫升較高（結構如表脹向后，但前支承結構復雜，溫升較高（結構如表3

14、.3序號中序號中1所示）所示） 。 第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計4 4、滾動軸承間隙的調整和預緊、滾動軸承間隙的調整和預緊 滾動軸承具有合適的間隙或滾動軸承具有合適的間隙或 過盈量時，可以提高主過盈量時，可以提高主軸組件的工作性能，保證軸承有較長的壽命。因此，軸組件的工作性能，保證軸承有較長的壽命。因此，主軸組件應設間隙調整機構，保證主軸軸承保持合理主軸組件應設間隙調整機構，保證主軸軸承保持合理的間隙和過盈。的間隙和過盈。主軸軸承在裝配和使用時間隙的調整結構如下圖示：主軸軸承在裝配和使用時間隙的調整結構如下圖示： 徑向剛度是軸承的徑向載荷與徑向位移的比值，其徑向剛度是軸承的徑向載荷

15、與徑向位移的比值，其計算公式見計算公式見P543 3、滾動軸承的剛度確定、滾動軸承的剛度確定 滾動軸承的剛度有徑向和軸向兩種。通常滾動軸滾動軸承的剛度有徑向和軸向兩種。通常滾動軸承的剛度是指徑向剛度。承的剛度是指徑向剛度。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計移動軸承內圈，移動軸承內圈，使錐孔與軸頸使錐孔與軸頸外錐面作相對外錐面作相對移動，從而使移動，從而使內圈產生徑向內圈產生徑向彈性變形，達彈性變形，達到調整軸承間到調整軸承間隙或過盈的目隙或過盈的目的的結構最簡單結構最簡單, ,預緊預緊量難控制量難控制, ,軸承拆軸承拆卸不易卸不易軸承右邊螺母控制預緊量、調整方便，軸承右邊螺母控制預緊量、

16、調整方便，但主軸前端處加工螺紋，工藝性差但主軸前端處加工螺紋，工藝性差軸端突緣安裝螺釘控制軸端突緣安裝螺釘控制預緊量，工藝簡單但不預緊量，工藝簡單但不準確，且影響旋轉精度準確，且影響旋轉精度利用對開式環利用對開式環的修磨量來控的修磨量來控制預緊量，半制預緊量，半環的固定用螺環的固定用螺釘，使工作時釘，使工作時不致松開不致松開第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計傳動軸軸向固定方法：傳動軸軸向固定方法：1 1）通過調整）通過調整螺釘、壓蓋和螺釘、壓蓋和鎖緊螺母來調鎖緊螺母來調整圓錐滾子軸整圓錐滾子軸承間隙，調整承間隙，調整較方便。較方便。2 2）改變墊）改變墊圈厚度調整圈厚度調整軸承間隙，軸承

17、間隙，結構簡單。結構簡單。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計三、主軸三、主軸1 1、主軸的結構、主軸的結構 主軸的構造和形狀主要取決于軸上所安裝的傳動件主軸的構造和形狀主要取決于軸上所安裝的傳動件和軸承等零件的類型、數量、位置和安裝方法，以及主和軸承等零件的類型、數量、位置和安裝方法，以及主軸的加工和裝配工藝性等。為便于裝配，主軸常作成階軸的加工和裝配工藝性等。為便于裝配，主軸常作成階梯形。梯形。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計2 2、主軸的材料及熱處理、主軸的材料及熱處理 主軸材料的選擇主要根據耐磨性和熱處理后變形主軸材料的選擇主要根據耐磨性和熱處理后變形的大小等來考慮。通常優

18、先選擇價格便宜的優質結構的大小等來考慮。通常優先選擇價格便宜的優質結構鋼，并在其端部錐孔、定心軸頸或定心錐面等部位采鋼，并在其端部錐孔、定心軸頸或定心錐面等部位采用高頻淬火。用高頻淬火。3 3、主軸的技術要求、主軸的技術要求第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計四、主軸組件的計算四、主軸組件的計算1 1、主軸組件計算時支承的簡化、主軸組件計算時支承的簡化簡化后的深溝球軸承、單簡化后的深溝球軸承、單列或雙列圓柱滾子軸承的列或雙列圓柱滾子軸承的支承點在軸承中部支承點在軸承中部簡化后的圓錐滾子軸承或簡化后的圓錐滾子軸承或角接觸軸承的支承點在接角接觸軸承的支承點在接觸線與軸線交點處觸線與軸線交點處第

19、第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計在一支承上安裝兩個反裝的角接觸在一支承上安裝兩個反裝的角接觸軸承時，其簡化后的支承點在前端軸承時，其簡化后的支承點在前端軸承的接觸線與軸線交點處軸承的接觸線與軸線交點處接觸角為接觸角為00的向心軸承簡化后的向心軸承簡化后的支承點在前端軸承中部的支承點在前端軸承中部三聯角接觸球軸承簡化后的支承點在三聯角接觸球軸承簡化后的支承點在前面第一軸承的接觸線與軸線交點處前面第一軸承的接觸線與軸線交點處第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計2 2、主軸結構參數的確定、主軸結構參數的確定 主軸結構參數主要包括主軸前后支承軸頸、主軸結構參數主要包括主軸前后支承軸頸、內孔直

20、徑、前端懸伸量和主軸的支承跨距。內孔直徑、前端懸伸量和主軸的支承跨距。（1 1） 主軸直徑的確定主軸直徑的確定主軸直徑應在合理范圍內盡量大主軸直徑應在合理范圍內盡量大對主軸結構尺寸有對主軸結構尺寸有決定性影響的直徑決定性影響的直徑根據材料力學可知根據材料力學可知,主軸剛度與慣性主軸剛度與慣性矩成正比矩成正比,而慣性矩與軸的直徑的而慣性矩與軸的直徑的4次方成正比，但增大直徑會使材料次方成正比，但增大直徑會使材料增加、尺寸增大、發熱增加等增加、尺寸增大、發熱增加等第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計主軸前直徑可根據電動機功率并參考主軸前直徑可根據電動機功率并參考同類設備確定，后軸頸可參考前軸頸

21、同類設備確定，后軸頸可參考前軸頸直徑確定。通常直徑確定。通常,D2=（0.70.85)D1第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計（2 2）主軸內孔直徑的確定）主軸內孔直徑的確定 首先，內孔首先，內孔d的大小，應在滿足主軸剛度的前的大小，應在滿足主軸剛度的前提下，盡量取大值；其次，內孔提下，盡量取大值；其次，內孔d大小的確定與大小的確定與用途有關，通常不小于主軸平均直徑用途有關，通常不小于主軸平均直徑55%60%。（3 3）主軸前端懸伸量的確定）主軸前端懸伸量的確定 前端懸伸量是指主軸組件前支承徑向反力前端懸伸量是指主軸組件前支承徑向反力作用點到前端受力作用點之間的距離。作用點到前端受力作用點

22、之間的距離。 前端懸伸量前端懸伸量a的確定主要取決于主軸端部的結的確定主要取決于主軸端部的結構、前支承軸承配置和密封裝置的型式和尺寸，構、前支承軸承配置和密封裝置的型式和尺寸，由結構設計確定。由結構設計確定。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計 L的確定與主軸部件最大靜剛度有關，但過的確定與主軸部件最大靜剛度有關，但過大過小均會引起主軸前端位移量的增大，故有一大過小均會引起主軸前端位移量的增大，故有一個最佳值。個最佳值。縮短懸伸量縮短懸伸量a可以明顯提高可以明顯提高主軸組件的剛度和抗振性主軸組件的剛度和抗振性初步確定時取初步確定時取 a =D1（4 4）主軸跨距的確定）主軸跨距的確定一般為

23、一般為L0=（23.5)a第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計3 3、傳動件的布置、傳動件的布置 主軸組件一般由帶輪或主軸組件一般由帶輪或齒輪傳動。通常，主軸前齒輪傳動。通常，主軸前端受到工作載荷（力或扭端受到工作載荷（力或扭矩）的作用，而主軸中間矩）的作用，而主軸中間或后端受到齒輪或帶傳動或后端受到齒輪或帶傳動的力的作用。的力的作用。 在力或扭矩的作用下，主軸產生彎曲和扭轉變形，各在力或扭矩的作用下，主軸產生彎曲和扭轉變形，各支承受到壓力。因此，合理地布置傳動件的位置和傳動支承受到壓力。因此，合理地布置傳動件的位置和傳動力的方向，可以減少主軸受力變形，提高主軸剛度和抗力的方向，可以減少主

24、軸受力變形，提高主軸剛度和抗振性。振性。 主軸的工作載荷有徑向力、力偶矩、軸向力等。但軸主軸的工作載荷有徑向力、力偶矩、軸向力等。但軸向力很小，忽略不計。故，主要從徑向力角度考慮主軸向力很小，忽略不計。故，主要從徑向力角度考慮主軸的變形。的變形。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計（1 1）傳動件的位置：）傳動件的位置：帶輪安裝在軸承帶輪安裝在軸承的外圈上的外圈上帶輪傳動的徑向帶輪傳動的徑向力由軸承經法蘭力由軸承經法蘭盤傳遞給主軸箱盤傳遞給主軸箱壁壁帶傳動裝置多半裝帶傳動裝置多半裝在后軸承的外側在后軸承的外側兩軸承安裝在與箱兩軸承安裝在與箱體固定的法蘭盤上體固定的法蘭盤上 為改善主軸受力情

25、況的帶傳動裝置為改善主軸受力情況的帶傳動裝置卸荷式帶輪結構。卸荷式帶輪結構。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計（2 2）傳動力的位置和方向）傳動力的位置和方向 主軸受力變形時，端部的擾度和支承上受力的大主軸受力變形時，端部的擾度和支承上受力的大小與作用在主軸上的傳動力的位置和方向有關。小與作用在主軸上的傳動力的位置和方向有關。當作用力當作用力F與傳動力與傳動力FQ作用作用在同一平面在同一平面,方向相同時，主方向相同時，主軸端部上產生的擾度最大。軸端部上產生的擾度最大。帶輪安裝帶輪安裝在主軸后在主軸后支承外側支承外側該布局適用于膠帶拉力較小。該布局適用于膠帶拉力較小。否則，考慮采用卸貨式帶

26、輪否則，考慮采用卸貨式帶輪第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計當作用力當作用力F與傳動力與傳動力FQ均作用在主軸前端均作用在主軸前端,方方向相反時，主軸端部上的變形可部分抵消。向相反時，主軸端部上的變形可部分抵消。前支承支反力較小前支承支反力較小,主軸受扭長度較短主軸受扭長度較短傳動件安裝在前支承外側傳動件安裝在前支承外側,增加了增加了主軸的懸伸量主軸的懸伸量,使結構較復雜。使結構較復雜。第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計傳動力傳動力和和作用力作用力在主軸前支承的兩端，方向相反在主軸前支承的兩端，方向相反角接觸球軸承和雙列圓柱滾子軸承角接觸球軸承和雙列圓柱滾子軸承例：主軸滾動軸承的配置和傳動件的布置例：主軸滾動軸承的配置和傳動件的布置高的承載能力和剛度高的承載能力和剛度FQF第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計 主軸組件兩支承結構主軸組件兩支承結構第第3 3章章 主軸組件設計主軸組件設計4 4、主軸組件兩支承的最佳跨距、主軸組件兩支承的最佳跨距 在忽略傳動力，只考慮主軸前端徑向力情況下的在忽略傳動力，只考慮主軸前端徑向力情況下的主軸最佳跨距的計算。主軸最佳跨距的計算。主軸端部受主軸端部受力力F產生的最產生的最大擾度大擾度YF剛性支承軸承及變形彈