机械制造装备设计北科大第三章

第三章典型部件设计第三章典型部件设计第一节主轴部件设计返回主页退出上一页下一页第二节支承件设计第三节导轨设计第四节机床刀架和自动换刀装置设计第三章典型部件设计3.1主轴部件设计一、主轴部件应满足的基本要求二、主轴部件的传动方式三、主轴部件结构设计上一页下一页退出返回主页四、主轴滚动轴承返回本章五、主轴滑动轴承第三章典型部件设计退出返回本节返回主页未完待续……3.1.1主轴部件应满足的基本要求主轴部件是机床的执行件，由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。基本要求：旋转精度指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。刚度指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.1主轴部件应满足的基本要求基本要求：抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力。温升和热变形指主轴部件运转时，因各相对处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变形。精度保持性指长期地保持其原始制造精度的能力。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页未完待续……3.1.2主轴部件的传动方式主轴部件的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。齿轮传动其特点是结构简单、紧凑，能够传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。缺点是线速度不能过高，通常小于12~15m/s，不如带传动平稳。带传动其特点是靠摩擦力传动（除同步齿形带外）、结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动。皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，适宜高速传动，带传动在过载时会打滑，能起到过载保护作用。缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.2主轴部件的传动方式带传动：同步齿形带图2是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。同步齿形带的齿形有两种:梯形齿和圆弧齿。电动机直接驱动方式其特点是主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和转矩；便于组织专业化生产。它广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。高速内圆磨床电主轴图3第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.3主轴部件结构设计1、主轴部件的支承数目多数机床的主轴采用前、后两个支承。为提高刚度和抗振性，有的机床采用三个支承。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，后者应用较多。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页未完待续……3.1.3主轴部件结构设计2、推力轴承的位置配置型式前端配置指两个方向的推力轴承都布置在前支承外。这类配置方案在前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，对提高主轴部件刚度有利。这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。后端配置指两个方向的推力轴承都布置在后支承处。这类配置方案前支承处轴承较少，发热小，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车床等。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.3主轴部件结构设计2、推力轴承的位置配置型式两端配置指两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。这类配置方案当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。这种配置常用于短主轴，如组合机床主轴。中间配置指两个方向的推力轴承在前支承的后侧。这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，温升也可能较高。以上四种推力轴承配置型式图4第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.3主轴部件结构设计3、主轴传动件位置的合理布置传动件在主轴上轴向位置的合理布置合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受力情况，减少主轴变形，提高主轴的抗振性。主轴上传动件轴向布置时，应尽量靠近前支承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。传动件轴向布置的几种情况图5驱动主轴的传动轴位置的合理布置主轴受到的驱动力相对于切削力的方向取决于驱动主轴的传动轴位置。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.3主轴部件结构设计4、主轴主要结构参数的确定主轴的主要结构参数有主轴前、后轴径直径D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬伸量a和主轴主要支承间的跨距L，这些参数将直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。主轴结构简图图6主轴前轴径直径D1的选取主轴内孔直径d的确定主轴前端悬伸量a的确定主轴主要支承间跨距L的确定第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.3主轴部件结构设计5、主轴主轴的构造和形状主要取决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。主轴的材料和热处理是普通机床主轴可选用中碳钢（如45钢），调质处理后，在主轴端部、椎孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬，以提高其耐磨性。主轴的技术要求满足设计要求、工艺要求、检测方法的要求，应尽量做到设计、工艺、检测的基准相统一。车床主轴简图图7第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.4主轴滚动轴承主轴部件中最重要的组件是轴承。机床上常用的主轴轴承有滚动轴承、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。对主轴轴承的要求是旋转精度高、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。1、主轴部件主支承常用的滚动轴承角接触球轴承图8，图9、双列短圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承、双向推力角接触球轴承图10陶瓷滚动轴承、磁浮轴承（也称磁力轴承，有转子和定子组成）——原理图11、控制框图12、主轴结构图13第三章典型部件设计退出返回本节返回主页未完待续……3.1.4主轴滚动轴承2、几种典型的主轴轴承配置型式主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见的几种典型配置型式：速度型、刚度型、速度刚度型。速度型：主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。轴向切削力越大，角度应越大，且大角度的刚度也大。具有良好的高速性能，承载能力小，如高速CNC车床图15。刚度型：前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60度角接触双列向心推力轴承承受轴向载荷；后支承采用双列短圆柱滚子轴承，如数控车床主轴图16。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.4主轴滚动轴承2、几种典型的主轴轴承配置型式刚度速度型：前轴承采用三联角接触球轴承，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。前轴承的配置特点是外侧的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的轴向力；第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承跨，以提高承受颠覆力矩的刚度。如卧式铣床主轴图17、第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.4主轴滚动轴承3、滚动轴承精度的选择4、主轴滚动轴承的预紧预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。预紧力通常分为三级：轻预紧、中预紧和重预紧，代号为A、B、C。5、滚动轴承的润滑和密封滚动轴承所用的润滑剂主要有润滑脂和润滑油。密封的方式主要有非接触式和接触式。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.5主轴滑动轴承滑动轴承应有良好的抗振性，旋转精度高，运动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数控机床中。主轴滑动轴承按产生油膜的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。1、动压轴承动压轴承按油楔数分为单油楔和多油楔。多油楔轴承的轴心位置稳定性好，抗振动和冲击性能好。故多采用多油楔轴承。多油楔轴承有固定多油楔图24和活动多油楔图25。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.1.5主轴滑动轴承2、液体静压轴承液体静压轴承系统：一套专用供油系统、节流器和轴承。静压轴承与动压轴承相比具有的优点：承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在低速下工作，也能在高速下工作；摩擦小，轴承寿命长。缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。定压式静压轴承图26节流器有两类：固定节流器和可变节流器。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页进入下一节3.1.5主轴滑动轴承3、气体静压轴承用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴承相同。具有气体静压轴承的主轴结构形式主要有三种：具有径向圆柱与平面止推型轴承的主轴部件采用双半球形气体静压轴承前端为球形，后端为圆柱形或半球形主轴部件参考图库第三章典型部件设计3.2支承件设计一、支承件的功能和应满足的基本要求二、支承件的结构设计三、支承件的材料上一页下一页退出返回主页四、提高支承件结构性能的措施返回本章第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.2.1支承件的功能和应满足的基本要求机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件。支承件应满足的基本要求：（1）应具有足够的刚度和较高的刚度——质量比（2）应具有良好的动态特性，各阶频率不致引起结构共振（3）热稳定性好（4）排屑畅通、调运安全，并具有良好的结构工艺性第三章金属切削机床设计退出返回本节返回主页下一页3.2.2支承件的结构设计1、机床的类型、布局和支承件的形状机床的类型可分为三类：中小型机床、精密和高精密机床、大型和重型机床机床的布局形式直接影响支承件的结构设计。中型卧式车床采用前倾床身、前倾拖板布局形式较多，优点是排屑困难，不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置；创深设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和抗扭强度。支承件的基本形状：箱形类、板块类、梁类第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.2.2支承件的结构设计2、支承件的截面形状和选择支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面面积，其抗弯和扭转惯性矩也不同。比较后可知：空心截面的刚度都比实心的大。圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低。封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度。机床床身截面图32第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.2.2支承件的结构设计3、支承件筋板和筋条的布置筋板是指连接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。布置方式：水平、垂直、斜向。一般将筋条配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。筋条的布置：纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列。肋条布置图35、局部增设肋条图364、合理选择支承件的壁厚为减轻机床重量，壁厚应尽可能选得薄些。焊接支承件一般采用钢板与型钢焊接而成。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.2.3支承件的材料支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等。1、铸铁铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低，适于成批生产。要进行时效处理，以消除内应力。2、钢板焊接结构制造周期短，刚性好，便于产品更新和结构改进，重量轻。3、预应力钢筋混凝土抗振性好，成本低。4、天然花岗岩性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工方便。第三章典型部件设计退出返回本节返回主页下一页3.2.3支承件的材料5、树脂混凝土刚度高，