2017机械制造装备设计v30-第10章

机械制造装备设计（ManufacturingEquipmentDesign）[e-mail]机械类专业必修课机械制造装备设计2机械制造装备设计机床概述运动分析典型机床车床齿轮加工机床其他机床机床设计总体设计运动系统主传动系统设计进给传动系统设计控制系统关键组件主轴组件导轨支承件第十章主轴组件3第十章主轴组件主轴组件（Spindleassembly）由主轴、轴承、传动件（如齿轮、带轮）和固定件（如螺母）等组成。机床工作时，由主轴夹持着工件或刀具直接参加表面成形运动。4第十章主轴组件第一节对主轴组件的基本要求第二节主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承第三节主轴第四节主轴组件第五节提高主轴组件性能的一些措施第六节主轴的滑动轴承第七节主轴组件的计算第八节润滑和密封510.1对主轴组件的基本要求一、旋转精度（Runningaccuracy）主轴的旋转精度，指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动。旋转精度取决于各主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工作转速下旋转的精度还取决于主轴的转速、轴承的设计和性能、润滑剂和主轴组件的平衡。6主轴回转精度的表测法10.1对主轴组件的基本要求二、静刚度（Staticstiffness）指其在静态外载荷的作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示。影响主轴组件刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支承的距离和主轴钱端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。710.1对主轴组件的基本要求二、静刚度（Staticstiffness）8FδδFK=θLMKnM=扭转刚度弯曲刚度KLθΜn比值越大，说明刚度越好。10.1对主轴组件的基本要求三、抗振性（Anti-vibrationcharacteristics）指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运动的能力。用主轴端部测得的最大振幅来衡量的。振幅越小，抗振性越好。受迫振动：是由机床外部的振源或机床其他部件振动及主轴部件本身所引起的。自激振动：是由切削过程引起的。影响抗振性的，是主轴组件的静刚度、质量分布和阻尼（特别是主轴前轴承的阻尼）。910.1对主轴组件的基本要求四、温升和热变形机床在工作时，各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而发热造成的温差，使主轴部件在形状和位置上产生畸变，称为热变形。热变形是用主轴运转一定时间和因发热而造成的各部分的位置上的变化来度量，也可用温升近似的表达。一般滑动轴承的温升３０℃，工作温度６０℃一般滚动轴承的温升４０℃，工作温度７０℃1010.1对主轴组件的基本要求四、温升和热变形主轴轴承在高速空转，连续运转下的允许温升为：1108~10C015~20C030~40C高精度机床精密机床普通机床10.1对主轴组件的基本要求五、耐磨性（Wearingcharacteristics）又叫精度保持性：是主轴组件长期的保持其原始制造精度的能力。所以相对运动部件间都必须有一定的硬度，对摩擦表面要进行热处理和化学处理。综合上述：机床的工作精度----旋转精度静态工作精度----刚度动态工作精度----抗振性精度保持性----耐磨性1210.1对主轴组件的基本要求此外还有结构上的要求：（1）主轴的定位可靠，轴向、径向（在切削力和传动力作用下）。（2）主轴端部的结构要保证工件或刀具的装夹定位可靠及足够的定位精度。（3）保持长期可靠的运转，润滑与密封。（4）结构工艺性好，好造、好装、好拆、好修。并降低成本。1310.2轴承的选择和主轴的滚动轴承一、主轴轴承的选择主轴部件中最重要的组件是轴承。有滚动和滑动轴承两大类。从旋转精度来看，两大类轴承都能满足要求。机床上常用的主轴轴承滚动轴承、液体动压轴承、液体静压轴承、空气静压轴承等。此外还有自调磁浮轴承等适应高速加工的新型轴承。对主轴轴承的要求旋转精度高、刚度高、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等。1410.2轴承的选择和主轴的滚动轴承滚动轴承相比滑动轴承的优点：滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作。滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧（有一定过盈量）的条件下工作。滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。滚动轴承是由轴承厂生产的，可以外购。滚动轴承的缺点：滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋转中的径向刚度是变化的。这是引起振动的原因之一。滚动轴承的阻尼较低。滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。1510.2轴承的选择和主轴的滚动轴承二、机床主轴常用的滚动轴承1.圆锥孔双列圆柱滚子轴承这种轴承具有径向尺寸较小、制造精度较高、承载能力较大、静刚度好以及允许的转速高等优点，并能够调整轴承的径向间隙，因此在机床主轴组件上得到广泛应用。1610.2轴承的选择和主轴的滚动轴承2.60°接触角双向推力向心球轴承这种轴承的优点是制造精度高，允许转速高，温升较低，抗振性高于推力球轴承8000型，装配调整简单，精度稳定可靠。与双列圆柱滚子轴承相配套，用于承受轴向载荷。1710.2轴承的选择和主轴的滚动轴承3.单列圆锥滚子轴承普通单列圆锥滚子轴承（7000型），能同时承受径向和轴向载荷，承载能力和刚度较高，价格便宜，支承简单，间隙调整方便。可用于中速、中载、一般精度的主轴组件。1810.2轴承的选择和主轴的滚动轴承4.双列圆锥滚子轴承通双列圆锥滚子轴承（2697100型）能够同时承受径向载荷和双向轴向载荷，承载能力、刚度及抗振能力较高，适用于中速、径向载荷大，轴向载荷中等、一般精度的机床主轴组件。1910.2轴承的选择和主轴的滚动轴承主轴滚动轴承可按下列原则选择：中等转速，较大载荷，要求刚度较高时，可用线接触的轴承；双列向心短圆柱滚子轴承允许的转速更高一些，使用时最好配以60度角接触双向推动向心球轴承；高速时可用向心推力球轴承，载荷加大时，可用两个以上的轴承以轴向力为主。要求精度不太高的主轴，可用单列向心球轴承，配推力轴承。尺寸受到限制时，可用滚针轴承。2010.2轴承的选择和主轴的滚动轴承三、精度主轴轴承精度应采用P2、P4、P5级，前后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。由于轴承的工作精度主要决定于旋转精度。因此，内外圈的尺寸精度即使较低，也不影响工作，但可以降低成本。前轴承的精度对主轴精度影响大一些，因此前轴承的精度应选高一些。轴承的精度不仅影响主轴组件的回转精度，而且精度越高，各滚动体受力越均匀，有利于提高刚度，提高抗振性、减少磨损和提高寿命。2110.2轴承的选择和主轴的滚动轴承四、转速轴承的最高转速，决定于轴承的类型，负荷，间隙的调整，允许的温升，选用的润滑剂和润滑方式。可通过实验决定。2210.2轴承的选择和主轴的滚动轴承五、寿命（1）表层疲劳发生点蚀：重载和高速主轴（2）因磨损降低精度当轴承精度因磨损而降低时，我们认为它失效。决定主轴滚动轴承寿命的是精度，失效原因是磨损。什么是极限转速？广义上讲，普通精度级轴承，在轻负荷下运转，达到规定稳定温度时的转速。2310.2轴承的选择和主轴的滚动轴承六、刚度2410.3主轴一、主轴的构造主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位方法。为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴径起向后递减，主轴是实心还是空心的，主要取决于机床类型。由于夹具和刀具都已标准化，因此通用机床主轴端的形状和尺寸也已标准化。设计时具体尺寸可参考《机床设计手册》。2510.3.1主轴的构造中孔对主轴刚度是有影响的J空=1/64π×(D4平-d4)J实=1/64π×D4平J空/J实=1-(d/D平)4当d/D≤0.5时J空/J实＞0.9对刚度影响不大;当d/D＞0.7时，则影响大。为了不致使主轴的刚度受太大的影响，孔径不应超过外径70%。如超，惯性矩将下降24%。这里的刚度包括抗弯和抗扭刚度。2610.3.2材料和热处理一、材料主轴材料主要根据载荷特点、耐磨性和热处理、变形大小等因素决定。由于主轴的载荷相对来说不大，引起的应力通常小于钢的强度极限，因此强度不是选材的依据。2710.3.2材料和热处理1）主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大，所以主轴材料首选钢。值的注意的是：钢的弹性模量E的数值与钢的种类和热处理方式无关，即无论是普通钢还是合金钢，其弹性模量E基本相同，因此在选择钢材时首先选用价格便宜的中碳钢（45#），只有在载荷特别重和有较大冲击时，或者精密机床主轴需要减少热处理变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑用合金钢。2810.3.2材料和热处理2）目前，由于球墨铸铁具有高强度、耐磨、吸振、工艺性好，成本低以及简化主轴深孔加工等优点，开始应用于主轴上，如有些国产铣床的主轴材料已改用球墨铸铁。2910.3.2材料和热处理二、热处理当主轴轴承采用滚动轴承时，轴径可不淬硬。但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴径的配合表面，不少45#（C6150，X62W，C6140）等轴径仍用高频淬火（HRC48-54）。当采用滑动轴承时，为了减少磨损，轴径必须有很高的硬度。45#的主轴通常在滑动轴径处进行高频淬火。对大直径（ф350-ф400）可用火焰淬火来提高其表面硬度。对受较大冲击的主轴可用15#钢或30#钢，并在滑动轴颈表面渗碳，淬火及回火。3010.3.2材料和热处理31钢材热处理用途45调质22～28HRC，局部高频淬硬50～55HRC一般机床主轴、传动轴40Gr淬硬40～50HRC载荷较大或表面要求较硬的主轴20Gr渗碳、淬硬56～62HRC中等载荷、转速很高、冲击较大的主轴65Mn淬硬52～58HRC精密和高精度机床主轴38GrMoAlA氮化处理850～1000HV高精度机床主轴10.3.3主轴的技术要求3210.3.3主轴的技术要求P189AB105mm75mm1:12P5CDmm1ABA=0.003B=0.00252AB≥70%3AB0.005300mm0.0104CAB0.0055CAB0.0103310.3.4主轴组件结构设计1、主轴组件的支承数目多数机床的主轴采用前、后两个支承。这种方式结构简单，制造装配方便，容易保证精度。为提高主轴组件的刚度，前后支承应消除间隙或预紧。34数控车床主轴组件10.3.4主轴组件结构设计1、主轴组件的支承数目机床主轴采用三个支承，为提高刚度和抗振性。三支承方式对三支承孔的同心度要求较高，制造装配较复杂。三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。在三支承主轴部件中，采用前、中支承为主要支承较多，约占80%。3510.3.4主轴组件结构设计1、主轴组件的支承数目36深沟球轴承单列圆柱滚子轴承10.3.4主轴组件结构设计2、推力支承位置配置型式37卧式车床主轴组件加梅H系列的双列圆锥滚子轴承（前端定位）加梅P系列的单列圆锥滚子轴承10.3.4主轴组件结构设计2、推力支承位置配置型式38三联角接触球轴承（前端定位）双列圆柱滚子轴承10.3.4主轴组件结构设计2、推力支承位置配置型式39后端定位10.3.4主轴组件结构设计2、推力支承位置配置型式40角接触双向推力球轴承双列圆柱滚子轴承两端定位10.3.4主轴组件结构设计2、推力支承位置配置型式41摇臂钻床主轴组件单向推力球轴承两端定位10.4主轴组件一、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件4210.4.1车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件（1）采用双列短圆柱滚子轴承的主轴组件43•前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60‘角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。•这种轴承配置的主轴部件，适用于中等转速和切削负载较大，要求刚度高的机床。10.4.1车、镗、铣、加