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第4章 主轴组件设计 第4章 主轴组件设计 功用：支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。 组成：主轴、支承、主轴上的传动件、密封件。 与其它传动轴的 异同： 相同点：传递运动和扭矩；保证轴上传动件和轴承的正常工作条件。 不同点：主轴直接带动工件或刀具作旋转运动进行切削加工工作；直接承受切削力；能精确稳定地绕其轴心旋转，并长期保持这一性能。 4.1 主轴组件的基本要求 （1）旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动。 旋转精度是机床一项主要精度指标，并直接影响被加工零件的几何精度和表面粗糙度。 影响主轴旋转精度的因素： 主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度； 轴承预紧程度等因素； 工作转速下旋转精度还决定于主轴的转速、轴承的设计和性能，润滑剂和主轴组件的平衡。 （2）刚度 指在外加载荷作用下抵抗变形的能力 ①刚度的概念：通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义，如图4-1所示。 静刚度：由静力引起的变形 动刚度：由交变力引起的变形 柔度：刚度的倒数 刚度越大，柔度越小，主轴端部变形就小。 ②影响主轴部件刚度的主要因素 a. 主轴的结构尺寸 b. 轴承的类型及配置 c. 传动件的布置方式 d. 主轴部件制造装配质量 e. 支承座刚度 主轴组件的刚度是主轴、轴承与支承座等刚度的综合反映。 （3）抗振性 定义：指机床进行切削时，抵抗振动保持平稳运转的工作能力。 危害：影响工件表面质量、刀具耐用度、切削用量和主轴轴承寿命；产生噪声，影响工作环境和劳动生产率。 评价指标：主轴组件的低阶固有频率与振型是其抗振性的主要评价指标。低阶固有频率应远高于激振频率，使其不容易发生共振。 （4）温升和热变形 定义：指机床在工作时，因各相对运动处的摩擦和搅油等发热造成各部分间的温差，使主轴组件在形状和位置上发生畸变。 热源：主轴轴承、润滑油、装在主轴上的电动机 对主轴工作性能的影响： 影响主轴中心位置的变化，直接影响加工精度； 使轴承间隙变化，影响轴承正常工作； 使主轴弯曲，破坏齿轮与轴承的正常工作条件。 轴承允许温度：oC 普通机床：50-55 精密机床： 40-45 高精度机床： 35-40 特高精度机床 ： 28-30 （5）精度保持性 指长期地保持其原始制造精度的能力。主轴组件丧失其原始精度的主要原因是磨损。 磨损部位：主轴、轴承 为此，易磨损部位必须有一定的硬度 影响因素： 主轴、轴承的材料、热处理方式 轴承类型及润滑防护方式等。 综合上述基本要求，可以看出： 主轴组件的旋转精度好，标志着它在无载下运转的工作精度好； 刚度好，标志着它的静态工作精度好； 抗振性好、热变形小，标志着它的动态工作精度好； 耐磨性好，则标志着它的精度保持性好。 主轴组件的基本要求归结为一点，就是要保证在一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心线旋转，并长期地保持这一性能。 4.2 主轴 4.2.1 主轴的构造 主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。 主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。也有实心阶梯轴。 主轴的前端型式取决于机床类型和安装夹具或刀具的型式。主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，主轴端部的结构形状已标准化。图4-2所示为几种机床上通用的结构形式。 图4-2 主轴部件的结构形式 4.2.2 主轴的材料和热处理 主轴的材料应根据载荷特点、耐磨性要求、热处理方法和热处理后变形情况选择。 主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大（2.1?107 N/cm2左右），所以主轴材料首先考虑用钢料。 值得注意的是，钢的弹性模量E的数值和钢的种类及热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢 (如45钢) 。 只有载荷大和有冲击时、或精密机床需要减小热处理后的变形时、或有其它特殊要求时，才考虑选用合金钢。 机床主轴常用材料及热处理要求参见表4-1所示。 表4-1 主轴常用材料及热处理要求 4.2.3 主轴的技术要求 主轴的技术要求应满足主轴精度及