第二章机床传动设计4.

机械制造装备设计第三章金属切削机床设计第十节结构设计—主轴组件设计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。第十节结构设计—主轴组件设计一、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。第十节结构设计—主轴组件设计2、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（μm）时，主轴的刚度为：FK第十节结构设计—主轴组件设计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。第十节结构设计—主轴组件设计3．动刚度（抗振性）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。第十节结构设计—主轴组件设计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20οC时，温升Tt的许可值按下式计算TTKttt2020第十节结构设计—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.第十节结构设计—主轴组件设计二、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。结构简单、制造装备方便、容易保证精度。为提高主轴组件的刚度，前后支承应消去间隙或预紧。为提高刚度和抗振性，主轴采用三个支承。三个支承主轴有两种方式：前、后支承为主，中间支承为辅的方式和前、中支承为主，后支承为辅的方式。目前多采用后一种方式的三支承。主支承应消去间隙或预紧，辅支承则应留有游隙，选用较大游隙的轴承。注意：不能将三个轴承都预紧。（干涉、空载功率大、温升）第十节结构设计—主轴组件设计第十节结构设计—主轴组件设计2、推力支承位置配置形式⑴前端配置两个方向的推力轴承都布置在前支承处。轴承集中且多，发热多、温升高，主轴受热后向后延伸，不影响轴向精度，提高刚度有利。适用于轴向精度和刚度较高的高精度机床和数控机床。(a)(b)第十节结构设计—主轴组件设计⑵后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支承处。这种配置前支承处轴承数量少，发热少、温升低。但主轴受热后向后延伸，影响主轴精度。用于轴向精度要求不高的普通机床。(a)第十节结构设计—主轴组件设计⑶两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。这方案中，当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙；若推力支承布置在径向支承内侧，主轴可能因热伸长而引起纵向弯曲。用于较短轴。(d)(c)第十节结构设计—主轴组件设计3、主轴传动件的合理布置⑴传动方式的选择主轴采用齿轮、带传动。有的用电机直连。少数低速、小功率的精密机床和自动机床主轴用涡轮蜗杆或链传动。齿轮传动：结构简单、紧凑，能适应大的变速范围和传递大的转矩，最常用。缺点是线速度不能过高。带传动：结构简单、成本低、制造容易。特别适用于中心距较大的两轴间的传动。可吸振、传动平稳、噪音低、适应高速，打滑可自保护。缺点：易拉长、磨损。电动机直接传动：传递转矩，减少主轴弯曲变形、无传动件、适应更高的转速。电主轴单元。适用于精密机床、高速加工中心、数控车床。第十节结构设计—主轴组件设计⑵传动件轴向位置的合理布局合理布置传动件的轴向位置，可以改善主轴和轴承的受力情况及传动件、轴承的工作条件，提高主轴组件的刚度、抗振性和承载能力。传动件位于两支承之间是最常见的布置方式。为了减小主轴的弯曲变形和扭转变形，传动齿轮应尽量靠近前支承处；当主轴上有两个齿轮时，由于大齿轮用于低速传动，作用力较大，应将大齿轮布置在靠近前支承处。主轴两支承间承受传动力第十节结构设计—主轴组件设计主轴尾端承受传动力主轴前端承受传动力第十节结构设计—主轴组件设计4、主轴组件结构参数的确定主轴组件的结构参数主要包括：主轴的前、后轴径D1、D2，主轴内孔直径d，主轴前端部悬伸量a，以及主轴支承跨距L等，这些参数直接影响主轴的旋转精度和刚度。主轴结构简图dD2D1aL第十节结构设计—主轴组件设计⑴主轴前后轴颈直径的选择一般按机床的类型、主轴传递的功率或者最大加工直径查表选择。车床和铣床后轴颈的直径可按下式确定：D2=（0.70～0.85）D1⑵主轴内孔直径的确定空心轴，为部过多的消弱主轴刚度，一般保证d/D﹤0.7，车床用于送料，d不小于主轴平均直径的55～60%，铣床用于拉紧刀杆，d大于拉杆直径5～10mm⑶主轴前端悬伸量的确定指主轴前端面到轴承径向反力作用点（或者前径向支承点）的距离。A值越小，对提高主轴组件的旋转精度、刚度和抗振性有显著效果。⑷主轴支承跨距的确定指两个支承的支承反力作用点之间的距离。L过小，弯曲变形小，但支承变形引起主轴前端位移量增大；反之，弯曲变形大，引起主轴前端位移量增大。L=(2～3.5)a第十节结构设计—主轴组件设计三、主轴1、主轴的构造主要取决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，还有主轴加工和装配的工艺性。主轴上安装的零件较多，主轴设计成阶梯形便于安装止推。主轴前端的形状取决于机床的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠，定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。刀具和夹具标准化，主轴也标准化。2、主轴的材料和热处理主轴材料应根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理后的变形来选择。在结构尺寸一定的情况下，主轴的刚度取决于材料的弹性模量E。E于热处理无关，各种材料的E基本相同。选45钢，调质处理，锥孔、定心轴颈、定心锥面等部位高频淬火，以提高其耐磨性。第十节结构设计—主轴组件设计在载荷特别大和具有较大冲击、或者精密机床主轴需要减小热处理后的变形、或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑使用合金钢。（P86,表3--8）3、主轴的技术要求主轴的精度直接影响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与接触刚度无关。首先，制定能满足主轴旋转精度的必须的技术要求，在制定其他性能的技术要求，如表面粗糙度、表面硬度等。考虑制造的可行性和经济性，检测的方便性和准确性，尽量做到工艺基准与设计基准相统一。现考虑形状位置误差对主轴旋转精度的影响，通过查“机床设计手册”确定。主要根据机床的类型、规格、精度等级及主轴轴承的类型来确定。第十节结构设计—主轴组件设计第十节结构设计—主轴组件设计四、主轴滚动轴承滚动轴承、液体动压轴承、液体静压轴承、空气静压轴承等。主轴轴承基本要求：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、噪音低、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等。一般使用滚动轴承。1、典型的滚动轴承配置形式⑴采用双列短圆柱滚子轴承的组件由于采用刚度和极限转速均较高的轴承，适用于转速较高和切削负载较大的、要求有较大刚度的机床，如车床、铣床、镗床等。第十节结构设计—主轴组件设计第十节结构设计—主轴组件设计⑵采用圆锥滚子轴承的主轴组件轴承同时承受径向和轴向载荷，且成对使用，轴承数量少，支承结构简单，间隙调整方便。图中前、中支承即为此种配置，后支承为辅助支承，用中间支承调节前后轴承的间隙。缺点：主轴受热后，轴承间隙增大，影响支承刚度和旋转精度。第十节结构设计—主轴组件设计⑶采用角接触球轴承的主轴组件角接触球轴承具有良好的高速性能，适用于高速轻载或精密车床。第十节结构设计—主轴组件设计⑷采用推力球轴承的主轴组件主轴承受两个方向的轴向力，轴向刚度高，用于轴向力较大的主轴组件，如钻床。第十节结构设计—主轴组件设计2、滚动轴承精度等级的选择主轴滚动轴承除P2、P4、P5三级外，还有SP和UP级。SP和UP级的旋转精度分别相当于P4和P2级，而内、外圈尺寸精度则分别相当于P5和P4级。3、主轴滚动轴承的预紧预紧即采用预加载荷的方法，使滚动体和滚道之间有一定的过盈量。不预紧，载荷分布在受力方向的少数滚动体上，滚动体和滚道之间产生很大的接触应力和接触变形。轻预紧：高速主轴。中预紧：中、低速主轴。重预紧：分度主轴。第十节结构设计—主轴组件设计⑴双列短圆柱滚子轴承的预紧一是用螺母轴向移动轴承内圈，使内圈径向胀大，实现预紧。二是用调整环的长度实现预紧，采用过盈套轴向固定。第十节结构设计—主轴组件设计第十节结构设计—主轴组件设计⑵角接触球轴承的预紧在轴向力的作用下，使内、外圈产生轴向错位实现预紧。图a中，内圈内侧面面磨去一个调整量。图b中，内外圈中放两个厚度差为调整量的环。图c中，防止弹簧。图d中，外圈防置短套。第十节结构设计—主轴组件设计4、滚动轴承的润滑与密封润滑的作用是降低摩擦力和温升，并与密封装置在一起，保护轴承不受外物的浸入和防止锈蚀。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。合适的润滑方式，可以降低轴承的工作温度和延长轴承的使用寿命。⑴主轴滚动轴承的润滑润滑脂和润滑油⑵密封滚动轴承的密封是防止冷却液、切削灰尘、杂质等进入轴承。并使润滑剂无泄漏的保持在轴承内。非接触式密封：间隙式、曲路式和垫圈式密封。接触式密封：径向密封圈密封和毛毡密封圈密封。选择密封时考虑：轴的转速、轴承润滑方式、轴端结构、轴承工作温度、轴承工作时的外界环境等。第十节结构设计—主轴组件设计五、主轴滑动轴承滑动轴承具有旋转精度高、抗震性能好、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的主轴。主轴滑动轴承按产生润滑膜的方式分为动压轴承和静压轴承；主轴滑动轴承按流体介质的不同分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。