第三章机床主要部件设计1xxkT
第三章 机床主要部件设计
主轴组件设计主轴组件由主轴及其支承轴承、传动件、定位元件等组成。主轴组件是主运动的执行件，是机床重要的组成部分。它的功用是缩小主运动的传动误差并将运动传递给工件或刀具进行切削，形成表面成形运动承受切削力和传动力等载荷。主轴组件直接参与切削，其性能影响加工精度和生产率。因而是决定机床性能和经济性指标的重要因素。15eKkT
主轴组件设计 主轴组件由主轴及其支承轴承、传动件、定位 元件等组成。 主轴组件是主运动的执行件，是机床重要的组 成部分。它的功用是缩小主运动的传动误差并将运 动传递给工件或刀具进行切削，形成表面成形运动； 承受切削力和传动力等载荷。 主轴组件直接参与切削，其性能影响加工精度 和生产率。因而是决定机床性能和经济性指标的重 要因素
主轴组件设计1-1主轴组件应满足的基本要求1.旋转精度主轴的旋转精度，是机床几何精度的组成部分。旋转精度是主轴组件装配后，静止或低速空载状态下，刀具或工件安装基面上的全跳动值。它取决于主轴、主轴的支承轴承、箱体孔等的制造精度，装配和调整精度。15ekT
主轴组件设计 1-1主轴组件应满足的基本要求 1．旋转精度 主轴的旋转精度，是机床几何精度的组成部分。 旋转精度是主轴组件装配后，静止或低速空载状态 下，刀具或工件安装基面上的全跳动值。它取决于 主轴、主轴的支承轴承、箱体孔等的制造精度，装 配和调整精度
主轴组件设计静刚度（简称为刚度），是主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴端部产生单位位移弹性变形时，位移方向上所施加的力表示当外伸端受径向作用力（N），受力方向上的弹性位移为8（μm）时，主轴的刚度为FK=S15KkeT
主轴组件设计 静刚度（简称为刚度），是主轴组件在静载荷 作用下抵抗变形的能力，通常以主轴端部产生单位 位移弹性变形时，位移方向上所施加的力表示。 当外伸端受径向作用力（N），受力方向上的弹 性位移为δ（μm）时，主轴的刚度为 F K =
主轴组件设计弹性位移8是位移方向上的力、主轴组件结构参数（如尺寸、支承跨矩、支承刚度等）的函数。为简化刚度计算，引入柔度（μm/N），即刚度的倒数主轴组件刚度与主轴自身的刚度和支承轴承的刚度相关。E主轴自身的刚度取决于主轴的惯工性矩、主轴端部的悬伸量和支承图3-1主组件所定南图跨距：支承轴承刚度由轴承的类型、精度、安装形式、预紧程度等因素决定。15exkeT
主轴组件设计 弹性位移δ是位移方向上的力、主轴组件结构参 数（如尺寸、支承跨矩、支承刚度等）的函数。为简 化刚度计算，引入柔度（μm/N），即刚度的倒数。 主轴组件刚度与主轴自身 的刚度和支承轴承的刚度相关。 主轴自身的刚度取决于主轴的惯 性矩、主轴端部的悬伸量和支承 跨距；支承轴承刚度由轴承的类 型、精度、安装形式、预紧程度 等因素决定
主轴组件设计3.动刚度机床在额定载荷下切削时，主轴组件抵抗变形的能力，称为动态刚度。主轴组件的动刚度直接影响加工精度和刀具的而用度，是机床重要的性能指标。但目前，抗振性的指标尚无统一标准，设计时可在统计分析的基础上，结合实验进行确定。动态刚度与静刚度成正比，在共振区，与阻尼（振动的阻力）近似成正比。可通过增加静刚度、增加阻尼比来提高动刚度15ek
主轴组件设计 3．动刚度 机床在额定载荷下切削时，主轴组件抵抗变形的 能力，称为动态刚度。 主轴组件的动刚度直接影响加工精度和刀具的耐 用度，是机床重要的性能指标。但目前，抗振性的指 标尚无统一标准，设计时可在统计分析的基础上，结 合实验进行确定。动态刚度与静刚度成正比，在共振 区，与阻尼（振动的阻力）近似成正比。可通过增加 静刚度、增加阻尼比来提高动刚度
主轴组件设计4.温升与热变形主轴组件工作时，轴承的摩擦形成热源，切削热和齿轮啮合热的传递，导致主轴部件温度升高产生热变形。主轴热变形可引起轴承间隙变化，轴心位置偏移，定位基面的形状尺寸和位置产生变化：润滑油温度升高后，粘度下降，阻尼降低：因此主轴组件的热变形，将严重影响加工精度室温不是20C时，温升Tt的许可值按下式计算T, = T2o + K,(t - 20)15ekT
主轴组件设计 4．温升与热变形 主轴组件工作时，轴承的摩擦形成热源，切削 热和齿轮啮合热的传递，导致主轴部件温度升高， 产生热变形。主轴热变形可引起轴承间隙变化，轴 心位置偏移，定位基面的形状尺寸和位置产生变化； 润滑油温度升高后，粘度下降，阻尼降低；因此主 轴组件的热变形，将严重影响加工精度。 室温不是20οC时，温升Tt的许可值按下式计算 Tt = T20 + Kt (t − 20)
主轴组件设计5.精度保持性主轴组件的精度保持性是指长期保持其原始制造精度的能力，主轴组件主要的失效形式是磨损，所以精度保持性又称为耐磨性。主要磨损有：主轴轴承的疲劳磨损，主轴轴颈表面、装卡刀具的定位基面的磨损等。磨损的速度与摩擦性质，摩擦副的结构特点，摩擦副材料的硬度、摩擦面积、摩擦面表面精度，以及润滑方式等有关。如普通机床主轴，一般采用45或60号优质结构钢，主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面，G50～55HRC。15ek
主轴组件设计 5．精度保持性 主轴组件的精度保持性是指长期保持其原始制造 精度的能力，主轴组件主要的失效形式是磨损，所以 精度保持性又称为耐磨性。主要磨损有：主轴轴承的 疲劳磨损，主轴轴颈表面、装卡刀具的定位基面的磨 损等。磨损的速度与摩擦性质，摩擦副的结构特点， 摩擦副材料的硬度、摩擦面积、摩擦面表面精度，以 及润滑方式等有关。如普通机床主轴，一般采用45或 60号优质结构钢，主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基 面，G50～55HRC
主轴组件设计主轴滚动轴承1.轴承的选择机床主轴最常用的轴承是滚动轴承。这是因为：①适度预紧后，滚动轴承有足够的刚度，有较高的旋转精度，能满足机床主轴的性能要求，能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作：②由专门生产厂大批量生产，质量稳定，成本低经济性好。特别是轴承行业针对机床主轴的工作性质研制生产了NN3000K、234400及Gamet（加梅）轴承，更使滚动轴承占稳主轴轴承的主导地位：③滚动轴承容易润滑。15ek
主轴组件设计 主轴滚动轴承 1．轴承的选择 机床主轴最常用的轴承是滚动轴承。这是因为： ①适度预紧后，滚动轴承有足够的刚度，有较高 的旋转精度，能满足机床主轴的性能要求，能在转速 和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作； ②由专门生产厂大批量生产，质量稳定，成本低， 经济性好。特别是轴承行业针对机床主轴的工作性质， 研制生产了NN3000K、234400及Gamet（加梅）轴承， 更使滚动轴承占稳主轴轴承的主导地位； ③滚动轴承容易润滑
主轴组件设计滚动轴承滚动轴承与滑动轴承相比，缺点为：①滚动体的数量有限，因此滚动轴承旋转中的径向刚度是变化的：②滚动轴承摩擦力大，摩擦系数f=0.002～0.008阻尼比小三=0.02～0.04；③滚动轴承的径向尺寸较大。因此，在动刚度性能高的卧式精密机床（如：外圆磨床、卧轴平面磨床、精密车床）中，滑动轴承仍有一定应用领域。主轴组件的抗振性主要取决于前轴承，因而，有的机床前支承采用滑动轴承，后支承采用滚动轴承tE1SKk
主轴组件设计 滚动轴承 滚动轴承与滑动轴承相比，缺点为： ①滚动体的数量有限，因此滚动轴承旋转中的径 向刚度是变化的； ②滚动轴承摩擦力大，摩擦系数 ， 阻尼比小 ； ③滚动轴承的径向尺寸较大。因此，在动刚度性能 高的卧式精密机床（如：外圆磨床、卧轴平面磨床、 精密车床）中，滑动轴承仍有一定应用领域。 f = 0.002 ~ 0.008 = 0.02 ~ 0.04 主轴组件的抗振性主要取决于前轴承，因而，有 的机床前支承采用滑动轴承，后支承采用滚动轴承