第3章_典型部件设计(主轴、支承件、导轨)

3.1主轴部件设计功用：支承并带动工件或刀具选择进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封环及定位元件等组成。3.1.1主轴部件应满足的基本要求(1)旋转精度主轴的旋转精度是指主轴在低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动、端面跳动和倾角摆动。主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。(2)刚度主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图所示，即K=F/y(单位为N/im)，刚度的倒数y/F称为柔度。动刚度指机床在额定载荷下切削时，主轴组件抵抗变形的能力。动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，故可通过增加静刚度、增加阻尼比来提高动刚度。主轴组件的刚度是综合刚度，它与主轴结构尺寸、所选用的轴承类型和配置及其预紧、支承跨距和主轴前端悬伸量、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等有关。(3)抗振性主轴部件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。主轴部件不仅受静载荷的作用，同时也受冲击载荷和交变载荷的作用，使主轴产生振动。随着机床向高精度、高效率方向发展，对抗振性要求越来越高。影响抗振性的主要因素有：主轴部件的刚度、固有频率、阻尼特性等。(4)温升和热变形主轴部件工作时由于摩擦形成热源以及切削热和齿轮啮合热的传递使主轴组件出现温度升高的情况。温升使主轴部件的形状和位置发生变化，称之为热变形。主轴热变形会引起轴承间隙变化，轴心位置偏移，严重影响加工精度。各类机床对温升都有一定限制，在室温为20℃，连续运转时：高精度机床允许温升为8~10℃；精密机床为15~20℃；普通机床为30~40℃。在室温不是20℃时，温升的计算公式为：Tt=T20+Kt(t-20)影响主轴部件温升、热变形的主要因素有：轴承的类型和布置方式，轴承间隙及预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。(5)耐磨性（精度保持性）主轴部件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。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。3.1.2主轴部件的传动方式1．齿轮传动齿轮传动的特点是结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。它的缺点是线速度不能过高，通常小于12～15m／s，不如带传动平稳。2．带传动由于各种新材料及新型传动带的出现，带传动的应用日益广泛。常用有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等。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。带传动在过载中会打滑，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。3.1.2主轴部件的传动方式同步齿形带的齿形有两种：梯形齿和圆弧齿。圆弧齿形受力合理，较梯形齿同步带能够传递更大的扭矩。同步齿形带无相对滑动，传动比准确，传动精度高；厚度小、重量轻、传动平稳、噪声小,适于高速传动，传动效率高；不需要润滑，耐水耐腐蚀，能在高温下工作，维护保养方便；传动比大，可达1：10以上。缺点是制造工艺复杂，安装条件要求高。3.1.2主轴部件的传动方式3.电动机直接驱动方式电动机转子轴就是主轴，电动机座就是机床主轴单元的壳体。主轴单元大大简化了结构，有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和扭矩；便于组织专业化生产。广泛地用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。3.1.3主轴部件结构设计3.1.3.1主轴部件的支承数目(1)前后两个支承优点：构造简单，制造装配方便，容易保证精度。缺点：主轴刚度和抗振性不高。3.1.3主轴部件结构设计3.1.3.1主轴部件的支承数目(2)三个支承缺点：对三个支承孔的同心度要求较高，制造装配复杂。辅助支承一般不预紧。★前后支承为主，中间支承为辅。★前中支承为主，后支承为辅。(使用较多)3.1.3.2推力轴承位置配置形式（重点）切削力→轴向受力→推力轴承(1)前端配置缺点：前支承结构复杂，发热大，温升高优点：主轴受热后向后延伸，不影响轴向精度，精度高，可提高主轴部件刚度应用：高精度机床和数控机床(2)后端配置优点：前支承结构简单，发热小，温升低缺点：主轴受热后向前延伸，影响轴向精度应用：普通立式铣床、多刀车床3.1.3.2推力轴承位置配置形式(3)两端配置缺点：主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙，必须有消隙机构和热膨胀补偿机构应用：常用于短主轴，如组合机床主轴(4)中间配置优点：可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后缺点：前支承复杂，温升大3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置(1)传动件在主轴上轴向位置的合理布置在力Q作用下，主轴上必然存在一个挠度为零的点A，称为节点。根据位移互等定理，若将传动件布置在节点处，则传动力引起的轴端受Q力处的挠度也为零。节点是传动件在主轴上布置的最佳位置。主轴节点通常很靠近前支承，因此前后支承之间的齿轮尽量靠近前支承Q3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置(1)传动件在主轴上轴向位置的合理布置出发点：改善主轴受力情况，减小主轴变形，提高主轴抗振性原则：传动力Q引起的主轴弯曲变形要小；引起主轴前端在误差敏感方向上的位移要小结论：传动件(最大传动件)尽量靠近前支承传动件放在两个支承中间靠近前支承，受力情况好，使用广泛。3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置(1)传动件在主轴上轴向位置的合理布置传动件放在主轴前的悬伸端，主轴刚性好，主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床。传动件放在主轴的后悬伸端，较多用于带传动，可便于传动带的更换，如磨床。3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置(2)驱动主轴的传动轴位置的合理布置★在布置传动轴的位置时，应尽量使传动力Q与切削力P两者引起的主轴轴端位移和轴承受力的影响能互相抵消一部分。3.1.3.4主轴主要结构参数的确定主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈直径D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬伸量a，主轴主要支承间的跨距L。(共5个)这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。3.1.3.4主轴主要结构参数的确定(1)主轴前轴颈直径D1的选取主轴前轴颈D1一般可根据机床类型、主电动机功率以及主参数来选取，见表3-13。车床和铣床主轴后轴颈直径D2≈(0.7～0.9)D1，磨床主轴常为前后轴颈相等，中段较粗。3.1.3.4主轴主要结构参数的确定(2)主轴内孔直径d的确定许多机床都是空心主轴，空心主轴能减轻主轴重量。内孔直径的大小，应在满足主轴刚度的前提下尽量取大值。卧式车床的d通常不小于主轴平均直径的55%~60%；铣床主轴的d可比刀具拉杆直径大5~10mm。但一般情况下，要保证d/D0.73.1.3.4主轴主要结构参数的确定(3)主轴前端悬伸量a的确定主轴前端悬伸量是指主轴前支承径向反力作用点到前端受力作用点之间的距离。在满足结构要求的前提下尽可能取小值，以提高主轴部件的刚性和抗振性。初步取a=D1。为了缩短a，主轴前端部可采用短锥结构。3.1.3.4主轴主要结构参数的确定(4)主轴合理跨距L的确定主轴的跨距是指两支承反力作用点之间的距离，是影响主轴组件刚度的重要尺寸参数。合理确定主轴两主要支承间的跨距，可提高主轴部件的静刚度。支承跨距小，主轴自身的刚度较大，弯曲变形较小，但支承变形引起的主轴前端的位移量将增大；支承跨距大，支承变形引起的主轴前端的位移量较小，但主轴的弯曲变形将增大。3.1.3.4主轴主要结构参数的确定(4)主轴合理跨距L的确定可见，支承跨距过大或过小都会降低主轴部件的刚度。有关资料对合理跨距选择的推荐值可作参考：1)L合理=(4~5)D1。2)L合理=(3~5)a，用于悬伸长度较小时，如车床、铣床、外圆磨床等。3)L合理=(1~2)a，用于悬伸长度较大时，如镗床、内圆磨床等。实际使用中，跨距L往往大于L合理。6.3.5主轴(1)主轴的结构主轴本身的结构和形状主要取决于主轴上所安装的传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等因素。主轴轴端结构形状取决于机床的类型、安装夹具或刀具的方式。要保证夹刀或刀具装卸方便，具有较高的定位精度，并能传递一定的转矩。主轴轴端结构应尽量使悬伸长度短一些。通用机床的主轴轴端形状的尺寸已经标准化。3.1.3.5主轴(2)主轴的材料和热处理主轴材料主要根据耐磨性、载荷特点和热处理后的变形大小来选择。机床主轴常用的材料及热处理要求可参见表3-14。3.1.3.5主轴(3)主轴的技术要求主轴选择精度→技术要求主轴前后轴颈的同轴度(A-B)；锥孔相对于前后轴颈中心连线的径向圆跳动；定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心连线的径向圆跳动和端面圆跳动。设计基准检测基准工艺基准径向圆跳动端面圆跳动3.1.4主轴滚动轴承主轴轴承的类型、配置方式、精度、安装、调整、润滑和冷却等都直接影响主轴部件的工作性能。常用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。轴承的轴向承载能力和刚度，由强到弱依次为：推力球轴承、推力角轴承、圆锥滚子轴承、角接触球轴承；承受轴向载荷轴承的极限转速由高到低依次为：角接触球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承。3.1.4主轴滚动轴承主轴轴承的要求：选择精度高、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。3.1.4.1主轴部件主支承常用滚动轴承(1)角接触球轴承接触角a是球轴承的一个主要设计参数。接触角a是滚动体与滚道接触点处的公法线与主轴轴线垂直平面间的夹角。3.1.4.1主轴部件主支承常用滚动轴承(1)角接触球轴承(向心推力球轴承)角接触球轴承极限转速较高；可以同时承受径向和一个轴向的载荷，a越大，可承受的进给力越大。主轴用的a一般取15o或25o。3.1.4.1主轴部件主支承常用滚动轴承(1)角接触球轴承球轴承为点接触，刚度不高，为提高刚度，同一支承处可多联组配。组配方式有三种：背靠背组合；面对面组合；同向组合。3.1.4.1主轴部件主支承常用滚动轴承(2)双列短圆柱滚子轴承特点：内圈有1:12的锥孔，轴向移动内圈可以调整轴承的径向间隙和预紧；轴承的滚子能承受较大的径向载荷和转速；轴承由两列滚子交叉排列，数量较多，因此刚度很高；不能承受轴向载荷。3.1.4.1主轴部件主支承常用滚动轴承(3)圆锥滚子轴承特点：刚度和承载能力大，既可承受径向力，又可承受双向轴向力。适用于中低速、中等以上载荷机床的主轴前支承，但发热较大，极限转速受限制。Gamet(加梅)轴承:空心滚子，两列滚子数量相差一个，改善了轴承的动态刚度。3.1.4.1主轴部件主支承常用滚动轴承(4)推力轴承特点：只能承受轴向载荷，且承载能力和刚度较大。由于离心力的作用以及滚道深度较小，其极限转速一般较低。3.1.4.1主轴部件主支承常用滚动轴承(5)双向推力角接触球轴承常用的有234400(接触角α=60o)。常与双列圆柱滚子轴承(NN3000K)组配用于主轴前支承，专作推力轴承使用。该轴承的轴向刚度、允许转速均较高。234400型轴承3.1.4.1主轴部件主支承常用滚动轴承(6)陶瓷滚动轴承特点：与钢制轴承相比，重量轻，离心力小；温升较低，刚度较大。(7)磁悬浮轴承利用磁力来支承运动部件使其与固定部件脱离接触来实现轴承功能。特点：无机械磨损，无速度限制，不需要润滑，工作温度范围宽，噪声小，温升低，能耗小。3.1.4.2几种典型的主轴轴承配置形式主轴轴承，应根据刚度、旋转精度和极限转速来选择配置型式。大多数机床主轴部件采用两支承结构，其配置和选用的一般原则如下：(1)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。优点：具有良好的高速性能缺点：承载能力小应用：高速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速CNC车床等。3.1.4.2几种典型的主轴轴承配置形式(1)速度型角接触球轴承