2022年12月23日機械制造裝備設計

模塊三機床主要部件的結構設計2022年12月17日機械制造裝備設計模塊三機床主要

模塊三機床主要部件設計模塊三機床主要部件設計組成機床的部件很多，本模塊僅就其比較重要的部件如主軸部件、支承部件和導軌等的結構、作用及設計的敏感性問題進行介紹。組成機床的部件很多，本模塊僅就其比較重要的部件項目一主軸部件的設計

主軸組件包括主軸、支承軸承、傳動件、定位元件、密封件。功用

支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削；承受切削力和驅動力，完成表面成形運動。

項目一主軸部件的設計

主軸組件包括主軸、支承軸承、傳動

任務一主軸部件的性能要求及傳動方式基本要求旋轉精度剛度抗振性溫升和熱變性精度保持性任務一主軸部件的性能要求及傳動方１.旋轉精度旋轉精度指主軸裝配后，在空載、低速轉動狀態下，安裝刀具或工件的主軸部位的徑向跳動和軸向跳動。旋轉精度取決于主軸、軸承、箱體孔的制造、裝配和調整精度。

主軸組件的旋轉精度直接影響工件的加工精度。１.旋轉精度旋轉精度指主軸裝配后，在空載、低速

剛度

指主軸組件在外載荷作用下抵抗變形的能力。

2.剛度

剛度的量化以主軸前端產生單位位移的彈性變形時，在位移方向所施加的作用力大小來表示。當主軸外伸端受徑向作用力F，主軸受力方向上的彈性位移為δ時，其剛度K

的表達式為剛度指主軸組件在外載荷作用下抵抗變形的能力。主軸主件的剛度不足直接影響零件的加工精度和機床的性能（2）動剛度

主軸組件在交變載荷作用下抵抗變形的能力，表示為

Kd=Fd/δd。（1）靜剛度

主軸組件在靜載荷作用下抵抗變形的能力，表示為

Kj=Fj/δj。主軸組件的剛度受主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的類型、數量、預緊和配置形式，傳動件的布置方式，主軸組件的制造精度和裝配質量等因素影響。主軸主件的剛度不足直接影響零件的加工精度和機床的性在切削過程中，主軸部件受到靜態力的作用，也受到沖擊力和交變力的作用而產生振動。沖擊力和交變力是由材料硬度不均勻、加工余量的變化、斷續切削、主軸部件不平衡、軸承或齒輪存在缺陷以及切削過程中的顫振等引起。

抗振性

是指機床在額定載荷切削時，主軸組件抵抗受迫振動和自激振動的能力。

3.抗振性主軸振動直接影響工件的表面加工質量和刀具的使用壽命，并產生噪聲。在切削過程中，主軸部件受到靜態力的作用，也受到

熱變形

是主軸組件運動時，各相對運動處的摩擦，切削區的切削熱等使主軸組件的溫度升高，造成形狀、尺寸及位置變化。

4.溫升和熱變形熱變形會引起軸承間隙變化，潤滑油粘度降低，影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。熱變形是主軸組件運動時，各相對運動處的摩擦，切削區精度保持性影響機床使用壽命內的加工精度和工作穩定性。

精度保持性

指主軸組件長期保持其原始制造精度的能力。

5.精度保持性

精度保持性決定于主軸組件的耐磨性能。影響耐磨性的因素有主軸、軸承的材料、熱處理方法、軸承類型及潤滑防護措施等。明確：主軸組件喪失原始制造精度的原因——磨損。如主軸軸承、主軸軸頸表面、裝夾工件或刀具的定位表面的磨損。精度保持性影響機床使用壽命內的加工精度

1.傳動方式

（1）齒輪傳動

輪齒的嚙合傳動，結構簡單、緊湊；能傳遞較大的扭矩，適應變轉速、變載荷工作。

不足：線速度需<12~15m/s，且不如帶傳動平穩。（2）帶傳動

靠摩擦力傳遞動力。結構簡單，皮帶有彈性可吸振，傳動平穩，噪聲小；過載時打滑，具有過載保護作用。適用于中心距較大的兩軸間傳動。

不足：傳動速比不夠準確。

二、主軸組件的傳動方式及結構設計齒輪傳動、帶傳動、同步齒形帶傳動、電動機直接驅動1.傳動方式（1）齒輪傳動輪齒的（4）電動機直接驅動對于轉速小于3000r/min的主軸，采用異步電動機和聯軸器直接驅動主軸。如高速內圓磨床的磨頭。

對于轉速小于8000r/min的軸，采用變頻調速電動機直接驅動。此傳動無相對滑動，傳動比大且準確，傳動精度高；可傳遞較大動力，傳動平穩；不需特別張緊，對軸和軸承壓力小，傳動效率高；不需潤滑，耐腐蝕，耐高溫。

不足：制造工藝復雜，安裝條件高。

（3）同步齒形帶傳動通過帶上的齒與帶輪上的輪齒傳遞傳動（4）電動機直接驅動此傳動無相對滑動三支承方式對三支承孔的同心度要求較高，制造裝配較復雜。要求“主”支承應該消除間隙或預緊，“輔助”支承應保留一定的徑向間隙或選用較大游隙的軸承。以免發生干涉，惡化主軸的工作性能，使空載功率大幅度上升和軸承溫升過高。（1）主軸的支承數目

2）三個支承

①前、后支承為主要支承，中間支承為輔助支承；②前、中支承為主要支承，后支承為輔助支承。

1）前、后兩個支承結構簡單，制造方便，應用廣泛。為提高剛度，前后支承應消除間隙或預緊。

2.結構設計三支承方式對三支承孔的同心度要求較高，制造裝配

①前端配置（前端定位）指推力軸承布置在前支承處。該配置在前支承處軸承較多，發熱大，溫升高，但主軸受熱后向后伸長，不影響軸向精度，精度高。用于軸向精度和剛度要求較高的高精度機床或數控機床。主軸軸向定位指為使主軸具有足夠的軸向剛度和軸向位置精度，推力軸承在主軸前后支承的配置形式。它影響主軸的剛度、熱變形方向和大小。（2）主軸軸向定位①前端配置（前端定位）指推力軸承布置在前支承處。

②后端配置（后端定位）推力軸承布置在后支承處。主軸前支承處軸承較少，發熱少，溫升低；但主軸受熱后向前伸長，影響軸向精度。常用于軸向精度要求不高的普通機床，如立銑、多刀車床。

③兩端配置（兩端定位）推力軸承布置在前后兩個支承處。主軸受熱伸長后，影響主軸軸承的軸向間隙。故需采用彈簧消除間隙和補償熱變形。常用于較短主軸或軸向間隙變化不影響正常工作的機床。如組合機床主軸。②后端配置（后端定位）推力軸承布置在后支承處。

布置原則

應使由傳動力引起的主軸彎曲變形小，引起主軸前端在影響加工精度的敏感方向上的位移小。

方法傳動件軸向布置盡量靠近前支承，有多個傳動件時，最大傳動件應靠近前端。

傳動件在前支承內側齒輪在兩支承中間靠近前支承。前支承直徑大，剛度高，大齒輪靠前可減少主軸的彎曲變形，而且轉矩傳遞長度短，扭轉變形小，使用最普遍。（3）傳動件的軸向布置布置原則應使由傳動力引起的主軸彎曲變形小，引

傳動件在前支承外側齒輪在主軸的前懸伸端，用于具有大轉盤的機床，如:立式車床、鏜床。

傳動件在后支承外側

傳動件放在主軸的后懸伸端，使前后支承獲得較好的支承跨距。多用于主軸的帶傳動。使更換傳動帶方便，防止油液的侵蝕。傳動件在前支承外側齒輪在主軸的前懸伸端，用于具有

3.主軸前端懸伸量a

取決于主軸端部的結構、前支承軸承的配置和密封裝置的型式和尺寸。在滿足結構要求的前提下，盡量縮短懸伸量a

。

1.前支承軸頸D1主軸直徑越大其剛度越大，主軸組件尺寸越大。在保證主軸組件剛度的同時，盡量減小軸頸D1的尺寸。五、主軸主要尺寸參數的確定

2.主軸內孔直徑d

內孔直徑d與主軸的用途有關。在保證主軸剛度的同時，參考主軸直徑和刀桿直徑確定d。3.主軸前端懸伸量a取決于主軸端部的結構、跨距L減小時，主軸彎曲變形較小，但支承變形又引起主軸前端的位移量增大；跨距L增大時，主軸彎曲變形也增大，也會引起主軸前端較大的位移。通常參考值為

L≥(2~3.5)a設計時，要確定一個最佳支承垮距L，使主軸彎曲變形和支承變形引起的主軸前端總位移量最小。4.主軸支承間垮距L垮距的大小影響主軸彎曲和前端位移量。跨距L減小時，主軸彎曲變形較小，但支承變形又引起三、主軸滾動軸承

◆

滾動軸承能在轉速和載荷變化幅度很大的條件下穩定工作。

◆

滾動軸承能在無間隙，甚至在預緊（有一定過盈量）的條件下工作。故滾動軸承的摩擦系數小，有利于減小發熱。

1.滾動軸承的特點

◆

滾動軸承潤滑容易，可以用油脂，一次填裝可用到修理時再換脂。如用油潤滑，單位時間用油量也比滑動軸承少。

◆滾動軸承由軸承廠生產，質量穩定，成本低，經濟性好。滾動軸承的缺點：滾動軸承的滾動體數量有限，其徑向剛度是變化的，易引起振動，阻尼低，振幅較大。滾動軸承的徑向尺寸比滑動軸承大。三、主軸滾動軸承◆滾動軸承能在轉速和載荷變化幅

1）轉速較高，負載不大，而旋轉精度要求較高，采用球軸承。

2）轉速較低，負載大或有沖擊負載，采用滾子軸承。

3）徑向載荷和軸向載荷都較大時，如果轉速高，采用角接觸球軸承。如果轉速不高，采用圓錐滾子軸承。

2.選擇滾動軸承選擇的基本原則

4）軸向載荷比徑向載荷大得多，但轉速較低時，采用兩種不同類型的軸承組合，分別承受軸向和徑向負載。

5）徑向載荷比軸向載荷大得多，且轉速較高，采用深溝球軸承。

6）支承剛度要求較高時，可采用成對角接觸型軸承。1）轉速較高，負載不大，而旋轉精度要求較高，采用球軸承。

“背靠背組合”，使軸承的接觸線與軸線的交點間距大，抵抗彎曲變形的支反力矩大，支承剛度比“面對面組合”高，應用廣泛。

3.角接觸球滾動軸承組合安裝

機床主軸常選用“背靠背組合”，為什么？“背靠背組合”，使軸承的接觸線與軸線的交點間距大與鋼軸承相比具有：①高速下重量輕，作用在滾動體上的離心力較小，壓力和滑動摩擦小；②滾動體熱膨脹系數小，溫升較低，軸承在運轉中預緊力變化緩慢，運動平穩；③彈性模量大，軸承的剛度增大。

4.陶瓷滾動軸承

1）特點

2）陶瓷軸承的應用

①陶瓷鋼混制軸承其滾動體和外圈采用不同材料，運轉時分子親合力很小，摩擦系數小，有一定的自潤滑性能，可在供油中斷的無潤滑時正常工作。適用于高速、超高速、精密機床的主軸組件。

②全陶瓷軸承適用于耐高溫、耐腐蝕、非磁性、電絕緣、要求減輕重量和超高速場合。與鋼軸承相比具有：①高速下重量輕，作用在滾動體磁浮軸承是利用磁力來支承運動部件，使其與固定部件脫離接觸來實現軸承功能。

①無機械磨損，運轉無噪聲，溫度低，能耗小；不需要潤滑，不污染環境；能在超低溫、高溫、真空、蒸氣腐蝕性環境中正常工作。

②磁力軸承主軸可以自適應控制，通過監測定子線圈電流，靈敏地控制切削力，并可通過檢測切削力微小變化來控制機械運動，加工精度高。特別適用于高速、超高速加工。

5.磁浮軸承（磁力軸承）磁浮軸承的特點：磁浮軸承是利用磁力來支承運動部件，使其與固定部件脫

主軸的結構取決于主軸上安裝的刀具、夾具、工件、傳動件、軸承的類型、數量、位置和安裝定位方法。三、主軸

1.主軸的結構

主軸前端形式取決于機床的類型和安裝夾具或刀具的形式。通用機床已有標準化的形式。

主軸整體結構是空心階梯軸，外徑從前端到尾部逐漸減小。主軸的結構取決于主軸上安裝的刀具、夾具、工件、

（2）精密、大載荷、有沖擊的機床主軸

采用中碳或低碳合金鋼，如40Cr，20Cr。進行高頻淬火或滲碳淬火，提高耐磨性，硬度52~65HRC。2.主軸的材料及熱處理主軸的選材依據：載荷類型、耐磨性、熱處理方法。（3）主軸材料的攻關點怎樣減小高速、高效、高精密機床主軸的熱變形、振動。已誕生的新型材料有玻璃陶瓷材料。

（1）普通機床主軸

采用45#或60#優質結構鋼。在主軸支承軸頸及裝卡刀具的定位基面進行局部高頻淬火，提高耐磨性，硬度為50~55HRC。（2）精密、大載荷、有沖擊的機床主軸采用中碳或低碳合金

（1）滿足主軸旋轉精度要求

①

主軸前后軸承軸頸的同軸度，

②

錐孔相對于前后軸頸中心連接線的徑向跳動，

③定心軸頸及其定位軸肩相對于前后軸頸中心連線的徑向和軸向跳動等。

3.主軸的技術要求

（2）其它性能要求

表面粗糙度，表面硬度等。（1）滿足主軸旋轉精度要求3.主一、支承件的基本要求四、提高支承件靜剛度的措施二、支承件的受力分析方式三、支承件的截面形狀設計原則五、支承件的材料項目二支承件設計一、支承件的基本要求四、提高支承件靜剛度的措

接觸剛度

指支承件的結合面在外載作用下抵抗接觸變形的能力。如導軌面產生接觸變形。

功用：相互連接構成機床基礎，支承機床工作部件，承受載荷，以保證機床各部件的相對運動。任務一支承件的功能和應滿足的基本要求1.具有足夠靜剛度和較高固有頻率整體剛度（自身剛度）

床身承受載荷產生整體彎曲變形。整體剛度與支承件材料以及截面形狀、尺寸等影響慣性矩的參數有關。局部剛度

指支承件載荷集中的局部結構處抵抗變形的能力。如導軌承受載荷產生局部變形。如臥式車床床身與導軌間的靜剛度關系接觸剛度指支承件的結合面在外載作用下抵抗接觸變形的能機械制造裝備設計3--機床主要部件設計課件

◆當接觸壓強很小時，結合面存在表面精度誤差，結合面只有幾個高點接觸，實際接觸面積很小，接觸變形大，接觸剛度低。

◆當接觸壓強較大時，結合面上的高點產生變形，接觸面積擴大，故接觸剛度較高。接觸剛度隨接觸壓強的增加而增大。◆結合面間有相對運動的接觸剛度小于固定接觸的接觸剛度。

小結

接觸剛度取決于接合面的表面粗糙度和平面度、結合面的大小，材料硬度，接觸面的壓強等。

接觸剛度用結合面的平均壓強p與變形量δ之比表示。其特性是：◆當接觸壓強很小時，結合面存在表面精度誤差，結

固有頻率

用剛度與質量之比表示，即

◆重點理解：當激振力頻率ω

接近固有頻率ω0時，支承件將產生共振。因此，設計時要求：ωo>1.3ω

◆設計要點：在滿足剛度的前提下，盡量減小支承件的質量m，提高固有頻率ωo。

2.良好的動態特性支承件有較高靜剛度、固有頻率、還應有較大阻尼，薄壁面積應小于400mm×400mm，避免薄壁振動。

3.結構合理通過失效處理，能充分消除內應力，形狀穩定。

4.排屑暢通，工藝性好，成本低，吊運安裝方便。固有頻率用剛度與質量之比表示，即機床支承件要承受切削力、零部件重量、傳動力等載荷。支承件所承受的載荷不同，設計時分析其受力方式不同。

1.中小型機床支承件受力分析以切削力為主。

2.精密和高精度機床支承部件載荷以移動部件的質量和熱應力為主。如：雙柱立式坐標鏜床的橫梁，受力分析考慮主軸箱位于橫梁中部時，橫梁的彎曲和扭轉變形。

3.大型機床支承件受力分析應考慮工件重力，移動部件重力和切削力等。一、支承件的受力分析方式任務二支承件的結構設計機床支承件要承受切削力、零部件重量、傳動力等載荷二、支承件的截面形狀設計原則支承件變形主要是彎扭變形。且抗彎剛度和抗扭剛度隨支承件的截面慣性矩增大而增大。設計原則：

◆

截面積一定時，空心截面比實心截面的慣性矩大，滿足工藝要求時，應盡量減小壁厚，提高抗彎剛度。

◆

承受一個方向彎矩的支承件，當高度方向為受彎方向時，截面形狀應為矩形。

◆

承受彎扭作用的支承件，截面形狀應為方形。

◆

承受純轉矩的支承件，截面形狀應為圓環形。

◆

不封閉截面剛度遠小于封閉截面剛度，盡量將支承件制成封閉形狀。

◆

截面不能封閉的支承件，應采取補償剛度措施。二、支承件的截面形狀設計原則支承件變形三、提高支承件靜剛度的措施

◆

從抗彎剛度、鑄造工藝、支承件功用綜合考慮，支承件截面不能完全封閉，存在剛度損失。

◆

導軌與床身的過渡連接處存在局部剛度損失。

◆

箱體軸承孔處存在剛度損失。為什么要進行剛度補償？三、提高支承件靜剛度的措施◆從抗彎剛縱向隔板應布置在彎曲平面內，即隔板的高度方向與作用力F的方向一致，如圖。縱向隔板能提高抗彎剛度。

1.隔板和加強肋

（1）隔板（肋板）是連接外壁間的內壁。作用是將局部載荷傳遞給其它壁板，使整個支承件較均勻地承受載荷。

縱向隔板縱向隔板應布置在彎曲平面內，即隔板的高度方向與作無橫向隔板時，相對抗扭剛度很低；增加一個端面橫向隔板時，抗扭剛度成倍增加，均勻布置三個橫向隔板后，抗扭剛度又成倍增加。

支承件內增加橫向隔板能提高抗扭剛度。斜板是多個橫隔板和縱隔板組合形成。支承件內增加斜板可提高抗彎和抗扭剛度。

斜向隔板

橫向隔板無橫向隔板時，相對抗扭剛度很低；增加一個端面橫向

（2）加強肋（肋條）配置在外壁內側或內壁上，其作用是加強局部剛度和減少薄壁振動。注意：肋條高應約為支承件壁厚的5倍。

圖a，用加強肋提高導軌與床身過渡連接處的局部剛度。

圖b，用加強肋提高箱體軸承孔處的局部剛度。（2）加強肋（肋條）配置在外壁內側或內壁上

圖c、d、e

為工作臺等板形支承件的加強肋。提高抗彎剛度，避免薄壁振動。圖c、d、e為工作臺等板形支承件的加強肋。

2.支承件開孔后的剛度補償立柱或橫梁中為安裝機件或工藝需要，需要開孔，從而造成抗扭、抗彎剛度的損失。

（1）在孔上加蓋板，用螺栓將蓋板固定在壁上。

（2）也可將孔的周邊加厚（翻邊），再加嵌入式蓋板。剛度補償方法：2.支承件開孔后的剛度補償立柱或橫梁中

3.提高接觸剛度

◆相對滑動的連接面和重要的固定結合面須精磨或配對刮研，以增加接觸面積。

◆

緊固螺栓應使結合面有>2MPa的接觸壓強，以消除結合面的平面度誤差，增大結合面積。

◆結合面承受彎矩時，應使較多的緊固螺栓布置在受拉面，承受拉應力。

◆

結合面承受轉矩時，螺栓遠離扭轉中心，均勻分布在四周。3.提高接觸剛度◆相對滑動的連接面和第二節支承件設計五、支承件的材料

灰口鑄鐵的鑄造、切削性能好，易得到復雜形狀；阻尼大，有良好的抗振性能；加入少量合金元素可提高耐磨性。（1）機床支承件常采用鑄鐵

1.鑄鐵

是加入少量的鉻、硅、稀土等合金元素的灰口鑄鐵。（2）支承鑄件消除應力的方式

◆

鑄件壁厚不均勻，鑄造冷卻中產生鑄造應力，鑄造后應進行自然失效處理。

◆精密機床支承件，粗加工前自然失效，粗加工后人工失效，充分消除鑄造應力。

◆

床身、立柱、橫梁等進行振動時效，消除內應力。第二節支承件設計五、支承件的材料

2.鋼材

特點及應用

◆不用鑄模，制作周期短。

◆鋼件抗彎剛度大于鑄鐵件。

◆滿足剛度要求時，鋼件比鑄件壁厚薄一半，重量減輕20%~30%。但阻尼為鑄件的1/3，抗振性能差。

◆適合于生產數量少，品種多的大型床身的制造。常用Q235-A，20鋼的鋼板和型鋼焊接成支承件。2.鋼材特點及應用常

3.樹脂混凝土◆阻尼比是灰口鑄鐵的8~10倍，抗振性好。◆耐腐蝕性好。與金屬粘接力強，可按結構要求，預埋金屬件，減少金屬加工量。◆

澆注的床身靜剛度比鑄鐵高16%~40%。◆可增加鋼筋或加強纖維，提高抗拉強度。樹脂混凝土即人造花崗巖，是制造床身的新型材料。◆鋼板焊成框架，充入樹脂混凝土，適合構成大、中型機床結構簡單的支承件。特點及應用第二節結束3.樹脂混凝土◆阻尼比是灰口鑄鐵的8~1

◆

移置導軌可調整部件之間的相對位置，在機床中沒有相對運動。如：臥式車床的尾座導軌。項目三導軌的設計任務一導軌的性能要求及分類

1.功用：承受載荷和導向。承受安裝在導軌上的運動部件及工件的質量和切削力，引導運動部件沿一定的軌跡運動。

◆主運動導軌用于刨床、拉床、插齒機的主運動導軌。

◆進給運動導軌用于機床的進給系統中。（1）按運動性質分為

2.分類及應用◆移置導軌可調整部件之間的相對位置，在

（2）按摩擦性質分為滑動導軌、滾動導軌。

靜壓滑動導軌液體摩擦，導軌間有壓力油膜層，靠液壓系統提供壓力油膜。用于高精度機床進給導軌。

動壓滑動導軌液體摩擦，動壓油膜的形成是利用滑移速度帶動潤滑油從大間隙處向狹窄處流動形成的。適用于主運動導軌。

普通滑動導軌混合摩擦，導軌間有一定動壓效應，速度較低，導軌面處于接觸狀態。用于大多數普通機床。

滾動導軌導軌面之間裝有滾動元件（鋼球），靠鋼球的滾動摩擦引導部件運動。廣泛用于數控、精密和高精度機床。（2）按摩擦性質分為滑動導軌、滾動導軌。（3）按結構形式分為開式導軌、閉式導軌。

開式導軌

是利用部件質量和載荷，使導軌副在全長上始終保持接觸的導軌。開式導軌不能承受較大顛覆力矩。用于大型機床的水平導軌。閉式導軌能保持導軌副始終接觸，故能承受較大的顛覆力矩。

如圖，壓板和床身導軌下底面a組成的輔助導軌。閉式導軌

是在開式導軌上增加輔助導軌而構成。（3）按結構形式分為開式導軌、閉式導軌。任務二

、滑動導軌結構設計

1.導軌的截面形狀選擇要使動導軌嚴格按規定的軌跡運動，必須限制五個自由度。因導軌的摩擦面寬度較小，故導軌可視為窄定位板。兩個窄支承平面a、b構成一個定位面，限制3個自由度窄支承平面c限制2個自由度①雙矩形導軌導軌制造容易，剛度和承載能力大，安裝調整方便。但側導向需用鑲條調整間隙補償導軌面的磨損。廣泛用于普通精度的中型車床、組合機床、升降臺銑床、數控機床等。任務二、滑動導軌結構設計1.導軌的截面形狀選擇②

三角形和矩形導軌的組合導軌的導向性好，制造方便、剛度高。廣泛用于車床、磨床、龍門銑床、龍門刨、滾齒機、坐標鏜床的床身導軌。對于三角形導軌，減小其頂角α，導軌的導向性能提高，但承載能力下降。一般機床取α=900，重型機床取α≥900，精密機床和滾齒機取α

<900。②三角形和矩形導軌的組合導軌的導向性好③雙三角形導軌這種導軌不需要鑲條調整間隙，接觸剛度好，導向性和精度保持性好。但工藝性差，加工、檢驗和維修不方便，只能配加工。多用于精密機床，如絲杠車床、導軌磨床、齒輪磨床等。③雙三角形導軌這種導軌不需要鑲條調整

④燕尾形和矩形導軌的組合這組導軌調整方便，承載力矩大。廣泛用在機床的橫梁、立柱、搖臂導軌中。④燕尾形和矩形導軌的組合這組導軌調整方便，⑤雙燕尾形導軌是一種不用輔助導軌副的閉式導軌。導軌高度小，可承受顛覆力矩。燕尾導軌是過定位，必須用鑲條調整摩擦面的間隙。由于結構原因，此導軌剛度差，加工、檢驗、維修不方便。用于受力小，結構層數多，間隙調整方便處，如牛頭刨床滑枕導軌、臥式車床的刀架導軌等。⑤雙燕尾形導軌是一種不用輔助導軌副的

2.導軌間隙的調整

（1）輔助導軌間隙調整

采用壓板調整輔助導軌面間隙，承受顛覆力矩。

圖a：通過精磨或刮削壓板厚度調整間隙。

圖b：通過改變墊片層數和墊片厚度調整間隙。

圖c：通過壓板和導軌間的平鑲條調節間隙。2.導軌間隙的調整（1）輔助導軌間隙調整

（2）矩形導軌和燕尾導軌的間隙調整

圖a、圖b：平鑲條較薄，全長只由幾個螺釘調整間隙，鑲條在幾個點上受力，因此鑲條易變形，剛度較低。

圖c：間隙調整后，再擰緊緊固螺栓。平鑲條調整方便。采用鑲條來調整矩形導軌和燕尾導軌的側面間隙。鑲條應裝在導軌受力較小的一側，以提高剛度。①平鑲條調整間隙（2）矩形導軌和燕尾導軌的間隙調整圖a、②斜鑲條調整間隙調整方式：將動導軌的一面做成與鑲條斜度相同，方向相反的斜面，通過斜面配合，縱向移動鑲條來調整導軌橫向間隙。

缺點：螺釘的凸肩和鑲條溝槽間的間隙會引起鑲條在運動中竄動。

圖a：用螺釘推動鑲條縱向移動，結構簡單，調整方便。②斜鑲條調整間隙調整方式：將動導軌的一面做

圖c：將螺釘凸肩變為帶圓柱銷的調整套，圓柱銷與圓孔配作，通過配合精度控制鑲條的竄動。調整方便，但縱向尺寸較長。

圖b：用雙螺釘調節，能避免鑲條竄動，性能較好。圖c：將螺釘凸肩變為帶圓柱銷的調整套，圓柱銷與孕育鑄鐵廣泛應用在臥式車床、轉塔車床、升降臺銑床及磨床等機床上。任務三

、滑動導軌的材料及選擇

（1）鑄鐵導軌常用的有灰鑄鐵、孕育鑄鐵、耐磨鑄鐵等。

1.滑動導軌的材料

1）對耐磨性能要求高、精加工為磨削、且與床身做成一體的導軌，廣泛采用孕育鑄鐵HT300。

孕育鑄鐵是在鐵水中加入少量孕育劑硅、錳、鋁、稀土等，以獲得均勻的珠光體和細片狀石墨組織，而提高強度和硬度。并通過電接觸淬火或高頻淬火，進一步提高耐磨性。孕育鑄鐵廣泛應用在臥式車床、轉塔車床、升降臺銑

鉻鉬銅耐磨鑄鐵可用于制造中、小型精密機床、儀表機床的床身導軌。

2）耐磨鑄鐵是在灰鑄鐵中添加磷、銅、鈦、鉬、釩等細化晶粒的元素，其耐磨性比HT300提高1~2倍以上。

高磷耐磨鑄鐵可用于普通機床的床身、溜板、工作臺及其導軌，且應用日趨廣泛。

釩鈦耐磨鑄鐵適用于制造各類中、小型機床的導軌，其機械性能好，優于高磷耐磨鑄鐵，溶鑄工藝簡單，耐磨性能比孕育鑄鐵HT300提高近2倍。磷銅鈦耐磨鑄鐵

鑄件質量較高，適用于制造坐標鏜床、螺紋磨床等精密機床的床身、立柱和工作臺等導軌。鉻鉬銅耐磨鑄鐵可用于制造中、小型精密機床、儀

（2）鑲鋼導軌是將淬硬的碳素鋼或合金鋼導軌，分段地鑲裝在鑄鐵和或鋼制的床身上。以提高導軌的耐磨性。鑲鋼導軌工藝復雜、加工較困難。主要用于數控機床和加工中心的導軌中。在鑄鐵床身上，鑲裝鋼導軌常用螺釘或楔塊擠緊固定。在鋼制床身上，鑲裝鋼導軌一般用焊接方法連接。（2）鑲鋼導軌是將淬硬的碳素鋼或合金鋼導軌適用于中小型精密機床和數控機床，特別是潤滑不良（如立式導軌）或無法潤滑的導軌。

（3）塑料導軌

是用粘結法或噴涂法覆蓋在導軌面上。以提高耐磨性。粘貼軟帶以聚四氟乙烯為基體，添加各種無機物和有機粉末等填料制成。

1）

粘貼塑料軟帶導軌聚四氟乙烯軟帶導軌的特點是：①摩擦系數小，耗能低；②動靜摩擦系數接近，低速運動平穩性好；③阻尼特性好，抗振性好；④耐磨性好，能自身潤滑，使用壽命長；⑤結構簡單，維修方便，磨損易更換，經濟性好。⑥剛性較差，受力后產生變形，對高精度的機床有影響。適用于中小型精密機床和數控機床，特別是潤滑不良（塑料涂層都是以環氧樹脂為基體，加入固體潤滑劑和膠體石墨及其它鐵粉填充劑混合而成。

2）塑料涂層導軌根據涂層材料的組織和性能不同，可分別適用于大、中、小型精密機床導軌和數控機床導軌。涂塑導軌在西歐國家，普遍用于數控機床的制造中。環氧樹脂塑料涂層的特點：①有較高的耐磨性、硬度、強度和熱導率；②在無潤滑情況下，能防止爬行，改善導軌的運動特性，特別是低速運動平穩性較好。塑料涂層應用較多的有環氧涂層、含氟涂層和HNT涂層。塑料涂層都是以環氧樹脂為基體，加入固體潤滑劑

5）精密和高精度機床，導軌面需刮削，可采用耐磨鑄鐵導軌副，但動導軌的硬度比支承導軌的硬度低15~45HB。

1）導軌副應采用不同的材料制造，以提高導軌副的耐磨性，防止粘結磨損。導軌副材料的選用原則：

2）采用相同的材料，應采用不同的熱處理，使其雙方具有不同的硬度。

3）滑動長導軌各處的使用機率不等，磨損不勻。因此，長導軌應采用耐磨性好、硬度較高的材料制造。

4）普通機床的動導軌多采用聚四氟乙烯導軌軟帶，支承導軌采用淬硬的孕育鑄鐵。5）精密和高精度機床，導軌面需刮削，可采用耐磨

靜壓導軌是依靠液壓系統產生的壓力油，形成承載油膜的導軌任務四、靜壓導軌

靜壓導軌的優點：

①摩擦系數小，機械效率高；②導軌面被油膜隔開，不產生粘結磨損，導軌精度保持好；③導軌的油膜較厚，有均化表面誤差的作用；④油膜的阻尼比大，導軌的抗振性能良好；⑤導軌低速運動平穩，防爬行性能良好。

靜壓導軌結構復雜，需要一套完整的液壓系統。工作原理能夠將具有一定壓強的潤滑油，經節流器通入動導軌的縱向油槽中，形成承載油膜，使導軌副的摩擦面隔開，實現液體摩擦。靜壓導軌是依靠液壓系統產生的壓力油，形成承載

應用：

靜壓導軌適用于具有液壓傳動系統的精密機床和高精度機床的水平進給運動導軌。導軌面的油腔形成一個個獨立的液壓支承點，在液壓的作用下，動導軌及其運動部件便浮動起來，形成液體摩擦。如圖：常用的閉式靜壓導軌，液壓泵產生的壓力油，經可變節流器節流后，通入導軌面油腔A和輔助導軌面油腔B應用：靜壓導軌適用于具有液壓傳動系統的精密機

1）爬行是進給傳動機構的一種低速運動的不均勻現象，即在傳動件以很低的速度勻速轉動時，工件臺出現速度不均勻的跳躍式運動，或出現間歇式運動，速度時快時慢，時走時停。任務五、低速運動平穩性

1.爬行現象及產生原因1）爬行是進給傳動機構的一種低速運動的不均勻現

①運動不均勻的低速爬行，影響機床的加工精度、定位精度，使工件表面精度降低。

②爬行嚴重時會導致機床不能正常工作。特別是在精密機床、數控機床及大型機床中，爬行危害極大。2）爬行現象的危害通常，爬行的臨界速度是評價機床性能的一個重要指標。爬行是一種摩擦自激振動。主要原因是摩擦面上的動摩擦系數小于靜摩擦系數，且由于摩擦阻尼，動摩擦系數隨滑移速度的增加而減小，以及傳動系統的彈性變形。3）爬行的產生原因①運動不均勻的低速爬行，影響機床的加工精度、定

2）提高傳動系統的剛性（適當加大絲杠直徑以提高拉壓剛度，軸承適度預緊。縮短傳動鏈，合理分配傳動比。防止液壓傳動進給機構的氣穴、沖擊現象）。2.消除爬行的措施降低爬行臨界速度的措施有：

1）減少靜動摩擦系數之差，改變動摩擦系數隨速度變化的特性（滾動摩擦代替滑動摩擦，液體摩擦代替滑動摩擦，減摩材料，專用導軌油）。

3）盡量減少動導軌及工作臺的質量。第三節結束2）提高傳動系統的剛性（適當加大絲杠直徑以提高拉2.工作原理項目四滾珠絲杠螺母副機構任貿一、滾珠絲杠副的工作原理及特點1.結構滾珠絲杠副是將絲杠和螺母都加工成凹半圓弧形螺紋，且圓弧半徑略大于鋼珠半徑。在螺紋副間放入鋼珠，使絲杠和螺母之間的運動成為滾動的傳動機構。當絲杠、螺母相對轉動時，鋼珠沿螺旋滾道滾動，使螺紋摩擦為滾動摩擦。滾珠通過螺母兩端的回程導引裝置，自動返回入口而循環流動。從而實現高精度、高效率的傳動。軸承鋼，淬硬磨削2.工作原理項目四滾珠絲杠螺母副機構任貿一、3.特點及應用

◆

傳動效率高達85%~98%，是普通滑動絲杠副的2~4倍，摩擦損失小，功率消耗小。

◆

適當預緊，能消除反向螺紋間隙，定位精度、剛度高。

◆運動平穩，無爬行現象，傳動精度高。

◆摩擦角小于10，不能自鎖。如果驅動升降運動，必須增加制動裝置。滾珠絲杠螺母副常用于數控機床行程不太長的進給系統中，以提高進給系統的靈敏度、定位精度和防止爬行。3.特點及應用◆傳動效率高達85%~98%

1.滾珠循環方式如圖，絲杠螺母之外置有插管式回珠器5，螺母之內裝有擋珠器。

（1）外循環滾珠絲杠副任務二、滾珠循環方式及軸向間隙調整鋼珠每一個循環稱為一列，每一列內每個導程稱為一圈，外循環每列有1.5圈、2.5圈、3.5圈，剩下的半圈用作回珠。絲杠勻速轉動時，擋珠器能迫使滾珠轉幾圈后，經回珠器返回入口，完成一個滾動循環，同時準備開始新的循環。1.滾珠循環方式如圖，絲杠螺母之外置有插管內循環滾珠絲杠副的螺母內孔中，裝有接通相鄰滾道的返向回珠器，迫使滾珠翻越螺紋的牙頂進入相鄰滾道。內循環滾珠絲杠的每一個循環（每列）只有一圈，一個螺母有3列、4列、5列等幾種。第四節滾動絲杠螺母副機構（2）內循環滾珠絲杠副如圖，絲杠勻速運動時，絲杠副中的鋼珠從A點走向B點、C點和D點，然后經反向回珠器4從內螺紋的頂上回到A點。螺紋每一圈形成一個鋼珠的循環閉路。內循環滾珠絲杠副的螺母內孔中，裝有接通相鄰滾道的

2.軸向間隙的調整和施加預緊力的方法為什么滾珠絲杠軸向間隙要能夠調整？怎樣調整？滾珠絲杠副的軸向間隙會造成：

①

滾珠絲杠啟動、停止以及受沖擊載荷時運動不平穩；

②

反向時存在空行程，影響傳動精度和定位精度。

調整方法:

采用雙螺母裝置消除軸向間隙。

2.軸向間隙的調整和施加預緊力的方法為什么滾（1）墊片調隙式用螺釘連接兩個螺母的凸緣，在凸緣間加墊片。

特點：結構簡單、可靠性好、剛度高，裝卸方便。

不足點：調整復雜。

調整方式：調整墊片厚度使螺母產生軸向位移，來消除間隙和產生預拉緊力。（1）墊片調隙式用螺釘連接兩個螺母的凸（2）螺紋間隙式

特點：結構緊湊、調整方便；應用較廣泛。

不足點：雙螺母調整間隙欠精確。

調整方法：旋轉螺母，消除間隙和產生預拉緊力，調整后，用另一個螺母鎖緊。螺母1的端面有凸臺，螺母2的右端有螺紋，用雙圓螺母固定。（2）螺紋間隙式特點：結構緊湊、調整方便；應用（3）齒差調隙式兩螺母凸緣皆為圓柱齒輪，兩齒輪相差一齒。分別與兩內齒輪嚙合。兩內齒輪用螺釘或定位銷固定在套筒上。

調整方式：調整時，先取下兩內齒輪，使兩螺母相對套筒同方向轉動，每轉過一個齒，調整軸向位移量為e=Ph/(z1z2)。

特點：調整精確，適用于高精度的傳動機構。

不足點：結構較大，調整、裝配比較復雜。第四節結束（3）齒差調隙式兩螺母凸緣皆為圓柱齒輪，

5.滾珠絲杠副

工作原理、結構及軸向間隙調整方法本模塊主要知識點

①功用、靜剛度、固有頻率及其要求。

②受力分析與機床類型的關系。

③結構設計截面形狀選擇原則，提高靜剛度措施。

2.支承件設計

1.主軸組件

④材料(鑄鐵、鋼材、樹脂混凝土特點及應用，為什么鑄鐵應用最廣泛。)

3.導軌

分類、滑動導軌的截面形狀及應用、間隙調整，材料及其選擇。基本要求、滾動軸承的選用原則、軸向定位及特點

4.低速運動平穩性

爬行現象和機理，消除爬行的措施。5.滾珠絲杠副工作原理、結構及軸向間隙調整方法2022年12月23日機械制造裝備設計

模塊三機床主要部件的結構設計2022年12月17日機械制造裝備設計模塊三機床主要

模塊三機床主要部件設計模塊三機床主要部件設計組成機床的部件很多，本模塊僅就其比較重要的部件如主軸部件、支承部件和導軌等的結構、作用及設計的敏感性問題進行介紹。組成機床的部件很多，本模塊僅就其比較重要的部件項目一主軸部件的設計

主軸組件包括主軸、支承軸承、傳動件、定位元件、密封件。功用

支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削；承受切削力和驅動力，完成表面成形運動。

項目一主軸部件的設計

主軸組件包括主軸、支承軸承、傳動

任務一主軸部件的性能要求及傳動方式基本要求旋轉精度剛度抗振性溫升和熱變性精度保持性任務一主軸部件的性能要求及傳動方１.旋轉精度旋轉精度指主軸裝配后，在空載、低速轉動狀態下，安裝刀具或工件的主軸部位的徑向跳動和軸向跳動。旋轉精度取決于主軸、軸承、箱體孔的制造、裝配和調整精度。

主軸組件的旋轉精度直接影響工件的加工精度。１.旋轉精度旋轉精度指主軸裝配后，在空載、低速

剛度

指主軸組件在外載荷作用下抵抗變形的能力。

2.剛度

剛度的量化以主軸前端產生單位位移的彈性變形時，在位移方向所施加的作用力大小來表示。當主軸外伸端受徑向作用力F，主軸受力方向上的彈性位移為δ時，其剛度K

的表達式為剛度指主軸組件在外載荷作用下抵抗變形的能力。主軸主件的剛度不足直接影響零件的加工精度和機床的性能（2）動剛度

主軸組件在交變載荷作用下抵抗變形的能力，表示為

Kd=Fd/δd。（1）靜剛度

主軸組件在靜載荷作用下抵抗變形的能力，表示為

Kj=Fj/δj。主軸組件的剛度受主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的類型、數量、預緊和配置形式，傳動件的布置方式，主軸組件的制造精度和裝配質量等因素影響。主軸主件的剛度不足直接影響零件的加工精度和機床的性在切削過程中，主軸部件受到靜態力的作用，也受到沖擊力和交變力的作用而產生振動。沖擊力和交變力是由材料硬度不均勻、加工余量的變化、斷續切削、主軸部件不平衡、軸承或齒輪存在缺陷以及切削過程中的顫振等引起。

抗振性

是指機床在額定載荷切削時，主軸組件抵抗受迫振動和自激振動的能力。

3.抗振性主軸振動直接影響工件的表面加工質量和刀具的使用壽命，并產生噪聲。在切削過程中，主軸部件受到靜態力的作用，也受到

熱變形

是主軸組件運動時，各相對運動處的摩擦，切削區的切削熱等使主軸組件的溫度升高，造成形狀、尺寸及位置變化。

4.溫升和熱變形熱變形會引起軸承間隙變化，潤滑油粘度降低，影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。熱變形是主軸組件運動時，各相對運動處的摩擦，切削區精度保持性影響機床使用壽命內的加工精度和工作穩定性。

精度保持性

指主軸組件長期保持其原始制造精度的能力。

5.精度保持性

精度保持性決定于主軸組件的耐磨性能。影響耐磨性的因素有主軸、軸承的材料、熱處理方法、軸承類型及潤滑防護措施等。明確：主軸組件喪失原始制造精度的原因——磨損。如主軸軸承、主軸軸頸表面、裝夾工件或刀具的定位表面的磨損。精度保持性影響機床使用壽命內的加工精度

1.傳動方式

（1）齒輪傳動

輪齒的嚙合傳動，結構簡單、緊湊；能傳遞較大的扭矩，適應變轉速、變載荷工作。

不足：線速度需<12~15m/s，且不如帶傳動平穩。（2）帶傳動

靠摩擦力傳遞動力。結構簡單，皮帶有彈性可吸振，傳動平穩，噪聲小；過載時打滑，具有過載保護作用。適用于中心距較大的兩軸間傳動。

不足：傳動速比不夠準確。

二、主軸組件的傳動方式及結構設計齒輪傳動、帶傳動、同步齒形帶傳動、電動機直接驅動1.傳動方式（1）齒輪傳動輪齒的（4）電動機直接驅動對于轉速小于3000r/min的主軸，采用異步電動機和聯軸器直接驅動主軸。如高速內圓磨床的磨頭。

對于轉速小于8000r/min的軸，采用變頻調速電動機直接驅動。此傳動無相對滑動，傳動比大且準確，傳動精度高；可傳遞較大動力，傳動平穩；不需特別張緊，對軸和軸承壓力小，傳動效率高；不需潤滑，耐腐蝕，耐高溫。

不足：制造工藝復雜，安裝條件高。

（3）同步齒形帶傳動通過帶上的齒與帶輪上的輪齒傳遞傳動（4）電動機直接驅動此傳動無相對滑動三支承方式對三支承孔的同心度要求較高，制造裝配較復雜。要求“主”支承應該消除間隙或預緊，“輔助”支承應保留一定的徑向間隙或選用較大游隙的軸承。以免發生干涉，惡化主軸的工作性能，使空載功率大幅度上升和軸承溫升過高。（1）主軸的支承數目

2）三個支承

①前、后支承為主要支承，中間支承為輔助支承；②前、中支承為主要支承，后支承為輔助支承。

1）前、后兩個支承結構簡單，制造方便，應用廣泛。為提高剛度，前后支承應消除間隙或預緊。

2.結構設計三支承方式對三支承孔的同心度要求較高，制造裝配

①前端配置（前端定位）指推力軸承布置在前支承處。該配置在前支承處軸承較多，發熱大，溫升高，但主軸受熱后向后伸長，不影響軸向精度，精度高。用于軸向精度和剛度要求較高的高精度機床或數控機床。主軸軸向定位指為使主軸具有足夠的軸向剛度和軸向位置精度，推力軸承在主軸前后支承的配置形式。它影響主軸的剛度、熱變形方向和大小。（2）主軸軸向定位①前端配置（前端定位）指推力軸承布置在前支承處。

②后端配置（后端定位）推力軸承布置在后支承處。主軸前支承處軸承較少，發熱少，溫升低；但主軸受熱后向前伸長，影響軸向精度。常用于軸向精度要求不高的普通機床，如立銑、多刀車床。

③兩端配置（兩端定位）推力軸承布置在前后兩個支承處。主軸受熱伸長后，影響主軸軸承的軸向間隙。故需采用彈簧消除間隙和補償熱變形。常用于較短主軸或軸向間隙變化不影響正常工作的機床。如組合機床主軸。②后端配置（后端定位）推力軸承布置在后支承處。

布置原則

應使由傳動力引起的主軸彎曲變形小，引起主軸前端在影響加工精度的敏感方向上的位移小。

方法傳動件軸向布置盡量靠近前支承，有多個傳動件時，最大傳動件應靠近前端。

傳動件在前支承內側齒輪在兩支承中間靠近前支承。前支承直徑大，剛度高，大齒輪靠前可減少主軸的彎曲變形，而且轉矩傳遞長度短，扭轉變形小，使用最普遍。（3）傳動件的軸向布置布置原則應使由傳動力引起的主軸彎曲變形小，引

傳動件在前支承外側齒輪在主軸的前懸伸端，用于具有大轉盤的機床，如:立式車床、鏜床。

傳動件在后支承外側

傳動件放在主軸的后懸伸端，使前后支承獲得較好的支承跨距。多用于主軸的帶傳動。使更換傳動帶方便，防止油液的侵蝕。傳動件在前支承外側齒輪在主軸的前懸伸端，用于具有

3.主軸前端懸伸量a

取決于主軸端部的結構、前支承軸承的配置和密封裝置的型式和尺寸。在滿足結構要求的前提下，盡量縮短懸伸量a

。

1.前支承軸頸D1主軸直徑越大其剛度越大，主軸組件尺寸越大。在保證主軸組件剛度的同時，盡量減小軸頸D1的尺寸。五、主軸主要尺寸參數的確定

2.主軸內孔直徑d

內孔直徑d與主軸的用途有關。在保證主軸剛度的同時，參考主軸直徑和刀桿直徑確定d。3.主軸前端懸伸量a取決于主軸端部的結構、跨距L減小時，主軸彎曲變形較小，但支承變形又引起主軸前端的位移量增大；跨距L增大時，主軸彎曲變形也增大，也會引起主軸前端較大的位移。通常參考值為

L≥(2~3.5)a設計時，要確定一個最佳支承垮距L，使主軸彎曲變形和支承變形引起的主軸前端總位移量最小。4.主軸支承間垮距L垮距的大小影響主軸彎曲和前端位移量。跨距L減小時，主軸彎曲變形較小，但支承變形又引起三、主軸滾動軸承

◆

滾動軸承能在轉速和載荷變化幅度很大的條件下穩定工作。

◆

滾動軸承能在無間隙，甚至在預緊（有一定過盈量）的條件下工作。故滾動軸承的摩擦系數小，有利于減小發熱。

1.滾動軸承的特點

◆

滾動軸承潤滑容易，可以用油脂，一次填裝可用到修理時再換脂。如用油潤滑，單位時間用油量也比滑動軸承少。

◆滾動軸承由軸承廠生產，質量穩定，成本低，經濟性好。滾動軸承的缺點：滾動軸承的滾動體數量有限，其徑向剛度是變化的，易引起振動，阻尼低，振幅較大。滾動軸承的徑向尺寸比滑動軸承大。三、主軸滾動軸承◆滾動軸承能在轉速和載荷變化幅

1）轉速較高，負載不大，而旋轉精度要求較高，采用球軸承。

2）轉速較低，負載大或有沖擊負載，采用滾子軸承。

3）徑向載荷和軸向載荷都較大時，如果轉速高，采用角接觸球軸承。如果轉速不高，采用圓錐滾子軸承。

2.選擇滾動軸承選擇的基本原則

4）軸向載荷比徑向載荷大得多，但轉速較低時，采用兩種不同類型的軸承組合，分別承受軸向和徑向負載。

5）徑向載荷比軸向載荷大得多，且轉速較高，采用深溝球軸承。

6）支承剛度要求較高時，可采用成對角接觸型軸承。1）轉速較高，負載不大，而旋轉精度要求較高，采用球軸承。

“背靠背組合”，使軸承的接觸線與軸線的交點間距大，抵抗彎曲變形的支反力矩大，支承剛度比“面對面組合”高，應用廣泛。

3.角接觸球滾動軸承組合安裝

機床主軸常選用“背靠背組合”，為什么？“背靠背組合”，使軸承的接觸線與軸線的交點間距大與鋼軸承相比具有：①高速下重量輕，作用在滾動體上的離心力較小，壓力和滑動摩擦小；②滾動體熱膨脹系數小，溫升較低，軸承在運轉中預緊力變化緩慢，運動平穩；③彈性模量大，軸承的剛度增大。

4.陶瓷滾動軸承

1）特點

2）陶瓷軸承的應用

①陶瓷鋼混制軸承其滾動體和外圈采用不同材料，運轉時分子親合力很小，摩擦系數小，有一定的自潤滑性能，可在供油中斷的無潤滑時正常工作。適用于高速、超高速、精密機床的主軸組件。

②全陶瓷軸承適用于耐高溫、耐腐蝕、非磁性、電絕緣、要求減輕重量和超高速場合。與鋼軸承相比具有：①高速下重量輕，作用在滾動體磁浮軸承是利用磁力來支承運動部件，使其與固定部件脫離接觸來實現軸承功能。

①無機械磨損，運轉無噪聲，溫度低，能耗小；不需要潤滑，不污染環境；能在超低溫、高溫、真空、蒸氣腐蝕性環境中正常工作。

②磁力軸承主軸可以自適應控制，通過監測定子線圈電流，靈敏地控制切削力，并可通過檢測切削力微小變化來控制機械運動，加工精度高。特別適用于高速、超高速加工。

5.磁浮軸承（磁力軸承）磁浮軸承的特點：磁浮軸承是利用磁力來支承運動部件，使其與固定部件脫

主軸的結構取決于主軸上安裝的刀具、夾具、工件、傳動件、軸承的類型、數量、位置和安裝定位方法。三、主軸

1.主軸的結構

主軸前端形式取決于機床的類型和安裝夾具或刀具的形式。通用機床已有標準化的形式。

主軸整體結構是空心階梯軸，外徑從前端到尾部逐漸減小。主軸的結構取決于主軸上安裝的刀具、夾具、工件、

（2）精密、大載荷、有沖擊的機床主軸

采用中碳或低碳合金鋼，如40Cr，20Cr。進行高頻淬火或滲碳淬火，提高耐磨性，硬度52~65HRC。2.主軸的材料及熱處理主軸的選材依據：載荷類型、耐磨性、熱處理方法。（3）主軸材料的攻關點怎樣減小高速、高效、高精密機床主軸的熱變形、振動。已誕生的新型材料有玻璃陶瓷材料。

（1）普通機床主軸

采用45#或60#優質結構鋼。在主軸支承軸頸及裝卡刀具的定位基面進行局部高頻淬火，提高耐磨性，硬度為50~55HRC。（2）精密、大載荷、有沖擊的機床主軸采用中碳或低碳合金

（1）滿足主軸旋轉精度要求

①

主軸前后軸承軸頸的同軸度，

②

錐孔相對于前后軸頸中心連接線的徑向跳動，

③定心軸頸及其定位軸肩相對于前后軸頸中心連線的徑向和軸向跳動等。

3.主軸的技術要求

（2）其它性能要求

表面粗糙度，表面硬度等。（1）滿足主軸旋轉精度要求3.主一、支承件的基本要求四、提高支承件靜剛度的措施二、支承件的受力分析方式三、支承件的截面形狀設計原則五、支承件的材料項目二支承件設計一、支承件的基本要求四、提高支承件靜剛度的措

接觸剛度

指支承件的結合面在外載作用下抵抗接觸變形的能力。如導軌面產生接觸變形。

功用：相互連接構成機床基礎，支承機床工作部件，承受載荷，以保證機床各部件的相對運動。任務一支承件的功能和應滿足的基本要求1.具有足夠靜剛度和較高固有頻率整體剛度（自身剛度）

床身承受載荷產生整體彎曲變形。整體剛度與支承件材料以及截面形狀、尺寸等影響慣性矩的參數有關。局部剛度

指支承件載荷集中的局部結構處抵抗變形的能力。如導軌承受載荷產生局部變形。如臥式車床床身與導軌間的靜剛度關系接觸剛度指支承件的結合面在外載作用下抵抗接觸變形的能機械制造裝備設計3--機床主要部件設計課件

◆當接觸壓強很小時，結合面存在表面精度誤差，結合面只有幾個高點接觸，實際接觸面積很小，接觸變形大，接觸剛度低。

◆當接觸壓強較大時，結合面上的高點產生變形，接觸面積擴大，故接觸剛度較高。接觸剛度隨接觸壓強的增加而增大。◆結合面間有相對運動的接觸剛度小于固定接觸的接觸剛度。

小結

接觸剛度取決于接合面的表面粗糙度和平面度、結合面的大小，材料硬度，接觸面的壓強等。

接觸剛度用結合面的平均壓強p與變形量δ之比表示。其特性是：◆當接觸壓強很小時，結合面存在表面精度誤差，結

固有頻率

用剛度與質量之比表示，即

◆重點理解：當激振力頻率ω

接近固有頻率ω0時，支承件將產生共振。因此，設計時要求：ωo>1.3ω

◆設計要點：在滿足剛度的前提下，盡量減小支承件的質量m，提高固有頻率ωo。

2.良好的動態特性支承件有較高靜剛度、固有頻率、還應有較大阻尼，薄壁面積應小于400mm×400mm，避免薄壁振動。

3.結構合理通過失效處理，能充分消除內應力，形狀穩定。

4.排屑暢通，工藝性好，成本低，吊運安裝方便。固有頻率用剛度與質量之比表示，即機床支承件要承受切削力、零部件重量、傳動力等載荷。支承件所承受的載荷不同，設計時分析其受力方式不同。

1.中小型機床支承件受力分析以切削力為主。

2.精密和高精度機床支承部件載荷以移動部件的質量和熱應力為主。如：雙柱立式坐標鏜床的橫梁，受力分析考慮主軸箱位于橫梁中部時，橫梁的彎曲和扭轉變形。

3.大型機床支承件受力分析應考慮工件重力，移動部件重力和切削力等。一、支承件的受力分析方式任務二支承件的結構設計機床支承件要承受切削力、零部件重量、傳動力等載荷二、支承件的截面形狀設計原則支承件變形主要是彎扭變形。且抗彎剛度和抗扭剛度隨支承件的截面慣性矩增大而增大。設計原則：

◆

截面積一定時，空心截面比實心截面的慣性矩大，滿足工藝要求時，應盡量減小壁厚，提高抗彎剛度。

◆

承受一個方向彎矩的支承件，當高度方向為受彎方向時，截面形狀應為矩形。

◆

承受彎扭作用的支承件，截面形狀應為方形。

◆

承受純轉矩的支承件，截面形狀應為圓環形。

◆

不封閉截面剛度遠小于封閉截面剛度，盡量將支承件制成封閉形狀。

◆

截面不能封閉的支承件，應采取補償剛度措施。二、支承件的截面形狀設計原則支承件變形三、提高支承件靜剛度的措施

◆

從抗彎剛度、鑄造工藝、支承件功用綜合考慮，支承件截面不能完全封閉，存在剛度損失。

◆

導軌與床身的過渡連接處存在局部剛度損失。

◆

箱體軸承孔處存在剛度損失。為什么要進行剛度補償？三、提高支承件靜剛度的措施◆從抗彎剛縱向隔板應布置在彎曲平面內，即隔板的高度方向與作用力F的方向一致，如圖。縱向隔板能提高抗彎剛度。

1.隔板和加強肋

（1）隔板（肋板）是連接外壁間的內壁。作用是將局部載荷傳遞給其它壁板，使整個支承件較均勻地承受載荷。

縱向隔板縱向隔板應布置在彎曲平面內，即隔板的高度方向與作無橫向隔板時，相對抗扭剛度很低；增加一個端面橫向隔板時，抗扭剛度成倍增加，均勻布置三個橫向隔板后，抗扭剛度又成倍增加。

支承件內增加橫向隔板能提高抗扭剛度。斜板是多個橫隔板和縱隔板組合形成。支承件內增加斜板可提高抗彎和抗扭剛度。

斜向隔板

橫向隔板無橫向隔板時，相對抗扭剛度很低；增加一個端面橫向

（2）加強肋（肋條）配置在外壁內側或內壁上，其作用是加強局部剛度和減少薄壁振動。注意：肋條高應約為支承件壁厚的5倍。

圖a，用加強肋提高導軌與床身過渡連接處的局部剛度。

圖b，用加強肋提高箱體軸承孔處的局部剛度。（2）加強肋（肋條）配置在外壁內側或內壁上

圖c、d、e

為工作臺等板形支承件的加強肋。提高抗彎剛度，避免薄壁振動。圖c、d、e為工作臺等板形支承件的加強肋。

2.支承件開孔后的剛度補償立柱或橫梁中為安裝機件或工藝需要，需要開孔，從而造成抗扭、抗彎剛度的損失。

（1）在孔上加蓋板，用螺栓將蓋板固定在壁上。

（2）也可將孔的周邊加厚（翻邊），再加嵌入式蓋板。剛度補償方法：2.支承件開孔后的剛度補償立柱或橫梁中

3.提高接觸剛度

◆相對滑動的連接面和重要的固定結合面須精磨或配對刮研，以增加接觸面積。

◆

緊固螺栓應使結合面有>2MPa的接觸壓強，以消除結合面的平面度誤差，增大結合面積。

◆結合面承受彎矩時，應使較多的緊固螺栓布置在受拉面，承受拉應力。

◆

結合面承受轉矩時，螺栓遠離扭轉中心，均勻分布在四周。3.提高接觸剛度◆相對滑動的連接面和第二節支承件設計五、支承件的材料

灰口鑄鐵的鑄造、切削性能好，易得到復雜形狀；阻尼大，有良好的抗振性能；加入少量合金元素可提高耐磨性。（1）機床支承件常采用鑄鐵

1.鑄鐵

是加入少量的鉻、硅、稀土等合金元素的灰口鑄鐵。（2）支承鑄件消除應力的方式

◆

鑄件壁厚不均勻，鑄造冷卻中產生鑄造應力，鑄造后應進行自然失效處理。

◆精密機床支承件，粗加工前自然失效，粗加工后人工失效，充分消除鑄造應力。

◆

床身、立柱、橫梁等進行振動時效，消除內應力。第二節支承件設計五、支承件的材料

2.鋼材

特點及應用

◆不用鑄模，制作周期短。

◆鋼件抗彎剛度大于鑄鐵件。

◆滿足剛度要求時，鋼件比鑄件壁厚薄一半，重量減輕20%~30%。但阻尼為鑄件的1/3，抗振性能差。

◆適合于生產數量少，品種多的大型床身的制造。常用Q235-A，20鋼的鋼板和型鋼焊接成支承件。2.鋼材特點及應用常

3.樹脂混凝土