第三章__主轴组件设计

“十一五”国家级规划教材
机械制造装备设计
主 编：李庆余 副主编：张 佳
孟广耀 董 锋
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。
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 （μ m）时，主轴的刚度为
K?
F
?
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（μ m/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。
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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20ο C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。
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
为 f ? 0.002 ~ 0.008 ，阻尼比小， ? 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。
主轴组件设计滚动轴承
2．主轴滚动轴承的类型选择
机床主轴较粗，主轴轴承的直径较大，轴承所承
受的载荷远小于其额定动载荷，约为1/10。 因此，一般情况下，承载能力和疲劳寿命不
是选择主轴轴承的主要依据。
主轴轴承，应根据刚度、旋转精度和极限转 速来选择。
主轴组件设计 滚动轴承
轴承的刚度与轴承的类型有关，线接触的滚子
轴承比点接触的球轴承刚度高，双列轴承比单列的 刚度高，且刚度是载荷的函数，适当预紧不仅能提
高旋转精度，也能提高刚度。 轴承的极限转速与轴承滚动体的形状有关，同 等尺寸的轴承，球轴承的极限转速高于滚子轴承， 圆柱滚子轴承的极限转速高于圆锥滚子轴承；同一 类型的轴承，滚动体的分布圆越小，滚动体越小，
极限转速越高。
主轴组件设计滚动轴承
轴承的轴向承载能力和刚度，由强到弱依次为：
推力球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、 角接触球轴承；
承受轴向载荷轴承的极限转速由高到低为：角接 触球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推
力球轴承。
主轴组件设计 滚动轴承
3．

轴承的精度选择 轴承的精度，应采用P2、P4、P5级和SP、UP级。 SP、UP级轴承的旋转精度相当于P4、P2，内外圈的 尺寸精度比旋转精度低一级，相当于P5、P4级。这 是因为轴承的工作精度主要取决于旋转精度，主轴 支承轴颈和箱体轴承孔可按一定配合要求配作，适
当降低轴承内外圈的尺寸精度可降低成本。
主轴组件设计 滚动轴承
切削力方向固定不变的主轴，如：车床、铣床、
磨床等，通过滚动体，始终间接地与切削力方向上 的外圈滚道表面的一条线（线接触轴承）或一点
（球轴承）接触，由于滚动体是大批量生产，且直 径小，圆柱度误差小，其圆度误差可忽略，因此，
决定主轴旋转精度的是轴承的内圈径向圆跳动，即 内圈滚道表面相对于轴承内径轴线的同轴度。
主轴组件设计 滚动轴承
切削力方向随主轴的旋转同步变化的主轴，主 轴支承轴颈的某一条线或点间接地跟半径方向上的 外圈滚道表面对应的线或点接触，影响主轴旋转精
度的因素为轴承内圈的径向圆跳动、滚动体的圆度 误差、外圈的径向圆跳动。由于轴承内圈滚道直径
小，且滚道外表面磨削精度高，因而误差较小，主 轴旋转精度主要取决于外圈的径向圆跳动，即外圈 滚道表面相对于轴承外径轴线的同轴度；
主轴组件设计 滚动轴承
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a? ? ? 1 ? ?1 ? ? ? a ? l? 前轴承的精度对主轴的影响较大。故前轴承的精 度应比后轴承高一级。
主轴组件设计 滚动轴承
切削力方向固定不变的机床，主轴轴承精度选择 机床精度等级 普通精度级 精密级机床 前轴承 P5或P4 （SP） P4（SP）或P2 （UP） 后轴承 P5或P4 （SP） P4（SP）
高精度机床
P2（UP）
P2（UP）
主轴组件设计 滚动轴承
切削力方向随主轴旋转而同步变化的主轴， 轴承按外圈径向圆跳动选择。 由于外径尺寸较大，相同精度时误差大， 若保持径向圆跳动值不变，可按内圈高一级的 轴承精度选择。
主轴组件设计滚动轴承
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