铣削组合机床及其主轴组件设计

铣削组合机床及主轴组件设计 第二章 主轴组件设计

2.4 主轴的材料与热处理

主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。 主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大（2.1×107N/cm2左右），所以，主轴材料首先考虑用钢料。钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，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），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减少热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。

当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（HRC48～54）.有关45钢主轴热处理情况如下表2-2所列：

表2-2 使用滚动轴承的45钢主轴热处理等参数

工 作 条 件 轻中负载 轻中负载局部要求高硬度 轻中负载PV≤2 使 用 机 床 材 料 牌 号 常 用 代 用 热 处 理 硬 度 车、钻、铣、磨床主轴 磨床的砂轮轴 车、钻、铣、45 50 调质 HB220～250 45 50 高频淬火 淬火回火高频淬火 HRC52～58 HRC42～50 HRC52～58 400（N·m/cm·s） 磨床的主轴 45 50 此次设计的机床主轴，考虑到主轴材料的选择原则，选用价格便宜的中碳钢（45钢）。查表2-2中，因工作中承受轻、中负荷，且要求局部高硬度，故热处理采用高频淬火，HRC52～58。 2.5 主轴的技术要求

主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度，零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求。

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铣削组合机床及主轴组件设计 第二章 主轴组件设计 2.5.1 轴颈

此次设计的主轴，应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时，以轴颈作为工作基面进行旋转运动；加工主轴时，为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴，一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔；在检查主轴精度时，以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度。采用滚动轴承时，轴颈的精度必须与轴承的精度相适应。轴颈的表面粗糙度和硬度，将影响其与滚动轴承的配合质量。

对于普通精度级机床的主轴，其支承轴颈的尺寸精度为IT5，轴颈的几何形状允差（圆度、圆柱度等）通常应小于直径公差的1/4～1/2。 2.5.2 内锥孔

内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面。在检验机床精度时，它是代表主轴中心线的基准，用来检查主轴与其他部件的相互位置精度，如主轴与导轨的平行度等。由于刀具和顶尖要经常装拆，故内锥孔必须耐磨。

锥孔与轴承轴颈的同轴度，一般以锥孔端部及其相距100～300毫米处对轴颈的径向跳动表示；其形状误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验，此乃综合指标；还要求一定的表面粗糙度和硬度等。 2.6 主轴组件的计算

主轴组件的结构参数主要包括：主轴的平均直径D（初选时常用主轴前轴颈的直径D1来表示）；主轴内孔直径d；主轴前端部的悬伸量a；以及主轴支承跨距L等。一般步骤是：首先根据机床主电机功率或机床的主参数来选取D1，在满足主轴本身刚度的前提下，按照工艺要求来确定d，根据主轴前端部结构形状和前支承的结构型式来确定a,最后根据D、a和主轴前支承的支承刚度来确定L。

主轴轴承的配置型式，对主要结构参数的确定很有关系，故在设计过程中常需交叉进行，最终以主轴组件刚度等性能来衡量其设计的合理性。 2.6.1 主轴直径的选择

主轴直径对主轴组件刚度的影响很大，直径越大，主轴本身的变形和轴承变形引起的主轴前端位移越小，即主轴组件的刚度越高。

但主轴前端轴颈直径D1越大，与之相配的轴承等零件的尺寸越大，要达到相同的公

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铣削组合机床及主轴组件设计 第二章 主轴组件设计 差则制造越困难，重量也增加。同时，加大直径还受到轴承所允许的极限转速的限制，甚至为机床结构所不允许。

通常，主轴前轴颈直径D1可根据传递功率，并参考现有同类机床的主轴轴颈尺寸确定。查《金属切削机床设计》第157页表5-12中，几种常见的通用机床钢质主轴前轴颈的直径D1，可供参考，如下表2-3所示：

已知主电机功率PE=4KW，机床类型是铣床，查上表中对应项，初取D1=80。 主轴后轴颈直径D2和前轴颈直径D1的关系，可根据下列经验公式来定：

D2=（0.7～0.85）D1

因此，有

D2=（0.7～0.85）D1=（0.7～0.85）×80=56～68，取D2=65。

表2-3 主轴前轴颈直径D1的选择

机 床 功 率 （千瓦） 机床 1.47～2.5 2.6～3.6 3.7～5.5 5.6～7.3 车床 铣床 外圆磨床 60～80 50～90 — 70～90 60～90 50～90 70～105 60～95 55～70 95～130 75～100 70～80 7.4～11 11～14.7 110～145 140～165 90～105 75～90 100～115 75～100 2.6.2 主轴前后支承轴承的选择 （1） 主轴前支承轴承的选择

根据前述关于轴承的选择原则，查《金属切削机床设计简明手册》第375页，选取主轴前支承的双列向心短圆柱滚子轴承型号为3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D1=91，D2=117，D3=117，r=1。具体结构参数如图2-4所示：

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图2-4 双列向心短圆柱滚子轴承（GB285-87）结构参数及安装尺寸

再查《金属切削机床设计简明手册》第365页，选取主轴前支承的推力球轴轴承型号为8215。其中，d=75，d1=75.2，D=110，H=27, D1=86, D2=99，rg=1。具体结构参数如图2-5所示：

（2） 主轴后支承轴承的选择

查《金属切削机床设计简明手册》第368页，选取主轴后支承的圆柱滚子轴承型号为2213。其中：d=65，D=120，B=23，D1=77，D2=110，rg=1.5。具体结构参数如图2-6所示：

2.6.3 主轴内孔直径

该组合机床用于铣削加工，其主轴需有一通过铣刀拉杆的孔，该主轴内孔直径应取在一定范围内，才不致影响主轴刚度。一般，主轴内孔直径受到主轴后轴颈的直径所限制。

图2-5 推力球轴承（GB301-84）结构参数及安装尺寸

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