10-主轴组件

第5章主轴组件机床构造与设计主要内容主轴组件的设计要求；主轴滚动轴承、滑动轴承的选择设计；主轴组件的设计计算；提高主轴组件性能的一些措施。要求：掌握主轴组件的设计方法机床主轴机床主轴是机床在加工时直接带动刀具或工件进行切削和表面成形运动的旋转轴。主轴组件的组成主轴、轴承、传动件(如齿轮、带轮)和固定件(如螺母)等主轴组件的功用•夹持着工件或刀具，完成表面成形运动；•传递运动和转矩；•承受切削力和驱动力等载荷。注意：主轴组件夹持着工件（车床）或刀具（钻床、镗床、铣床、磨床）直接参加表面成形运动，因此它的回转轴心线位置必须准确、稳定，以保证一定的加工精度和表面粗糙度。它的工作性能对加工质量和机床生产率有重要的影响。5.1对主轴组件的基本要求基本要求旋转精度刚度抗振性温升和热变性精度保持性1、旋转精度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。是机床的一项重要精度指标。影响被加工零件的几何精度和表面粗糙度。国家标准已对通用(包括数控)机床的旋转精度已有规定。影响旋转精度的因素：各主要件(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•（1）通常讲的旋转精度是在无载荷、低速转动的条件下。•（2）当主轴以工作转速旋转时，由于润滑油膜的产生和不平衡力的扰动，旋转精度将有所变化。这个差异，对于精密和高精度机床，是不可忽略的。•（3）工作转速下旋转的精度，影响因素还有：主轴的转速、轴承的设计和性能，润滑剂和主轴组件的平衡。2、静刚度•（1）主轴组件静刚度（主轴组件刚度）主轴组件抵抗静态外载荷的能力。•（2）主轴组件的弯曲刚度K(N/um)使主轴前端产生单位位移，在位移方向测量处所需施加的力：K=F／δ（3）主轴组件刚度不足造成的影响•影响加工精度；•传动质量；•工作平稳性，引起振动。（4）可从结构设计等方面,尽可能地提高主轴组件的刚度。影响主轴组件静刚度因素：•主轴的尺寸、形状;•滚动轴承型号、数量、预紧和配置形式；•前后支承的距离；•主轴前端的悬伸量等。3、抗振性指主轴受到交变切削载荷时，能够平稳地运转而不发生振动的能力。造成影响影响工件的表面质量；刀具耐用度；主轴轴承寿命；产生噪声。影响因素主轴组件的静刚度；质量分布（重心偏移）；阻尼(特别是主轴前轴承的阻尼)。主轴的固有频率应远大于激振力的频率，使它不易发生共振。4、温升和热变形热变形：指机床工作时，各相对运动处的摩擦和搅油，其损耗的能量转化为热，造成温升，使主轴组件在形状和位置上产生的畸变。造成影响：温升使润滑油的粘度下降，使润滑脂熔化流失，影响轴承的工作性能；温升产生热变形，使主轴伸长，轴承间隙变化；主轴箱的热膨胀使主轴偏离正确位置；如果前后轴承温度不同，还将使主轴倾斜。影响因素轴承的类型、配置及间隙的调整方式;润滑和密封方式;散热条件。轴承的温升与转速有关。国标规定了轴承允许的温升、最高温度。指长期保持其原始精度的能力，即精度保持性。影响耐磨性的因素材料、热处理、轴承（或衬套）类型、润滑方式等。提高耐磨性的措施易磨损的部位应淬硬。要求高的，应用氮化钢，并经氮化处理。5、耐磨性二、结构上的要求1、定位可靠（承受径向、轴向载荷轴承）2、长期运转（精度、寿命）3、标准设计（头部）4、工艺性好（加工、装配）5.2主轴轴承选择和滚动轴承一、主轴轴承的选择机床主轴轴承类型滚动轴承滑动轴承1滑动轴承在滑动摩擦下工作的轴承。应用场合一般在低速重载工况条件下.或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部位。2滚动轴承将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。3滚动轴承比滑动轴承优点：(1)能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作。(2)能在无间隙，甚至预紧(有一定过盈量)条件下工作。(3)摩擦系数小，有利于减少发热。3滚动轴承比滑动轴承优点：(4)滚动轴承润滑容易。用脂润滑，一次装填一直用到修理时才换脂。用油润滑，单位时间所需的油量也远比滑动轴承小。4滚动轴承的缺点是：(1)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。(2)滚动轴承的阻尼较低。(3)滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。5主轴轴承的选用原则（1）一般情况下应尽量采用滚动轴承。特别是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。（2）加工表面粗糙度数值较小，主轴是水平的机床（如外圆和平面磨床、高精度车床等）才用滑动轴承。（3）主轴前支承用滑动轴承，后支承和推力轴承用滚动轴承。主轴组件的抗振性主要决定于前轴承，因此，采用这种结构，可提高主轴的抗振性。6主轴滚动轴承的主要设计内容•类型的选择与配置；•精度及其选配；•间隙调整；•支承座的结构；•轴承的配合及配合零件的精度；•轴承的润滑与密封等。二、机床主轴常用滚动轴承种类（1）角接触球轴承特点：既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。角接触球轴承多用于高速主轴。接触角越大，轴向承载能力越大。15°接触角多用轴向载荷较小转速较高的地方（磨床主轴）25°接触角常用于轴向载荷较大地方如车床和加工中心主轴。为了提高刚度和承载能力，可以多个组合。其中以背靠背组合为佳（轴向组合将使过盈量减少）。（1）角接触球轴承角接触球轴承的预紧在轴向力Fa0的作用下，使内、外圈产生轴向错位可实现预紧。称为轴向预紧。轴承厂在内圈（背靠背组配）或外圈（面对面组配）的端面根据预紧力磨去δ。装配时挤紧，就可得到预定的预紧力。（2）双列圆柱滚子轴承只能承受径向载荷。内孔为1：12的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合。多用于载荷较大、刚度较高，中等转速的地方。双列圆柱滚子轴承的预紧这种轴承是靠内孔的锥面，轴向移动内圈,使内圈径向胀大实现顶紧的，称为径向预紧。衡量预紧的，是滚子包络圆直径D2，与外圈滚道直径D1之差△=(D2-D1)。△称为径向预紧量或简称“预紧量”，单位为um。预紧量略大于所受载荷下的变形量。（3）双向推力角接触球轴承承受轴向载荷。接触角α越小，允许的转速越高，但轴向刚度越低。修磨隔套6的厚度就能消除间隙和预紧。（4）深沟球轴承承受径向载荷；不能调整间隙；常用于精度和刚度要求不太高的地方，如钻床主轴。轴向载荷则由配套的推力轴承承受。（5）圆锥滚子轴承能承受径向和轴向载荷，承载能力和刚度都比较高。允许的转速较低。三、主轴滚动轴承的选型、预紧1、滚动轴承选择原则：①应根据精度、刚度、转速选择。线接触的滚子轴承，比点接触的球轴承刚度高，但一定温升下允许的转速较低。②主轴轴承常用轻系列、特轻系列和超轻系列，以特轻系列为主。③为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该是可调的。2、滚动轴承的预紧预紧（预载荷）：使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量。适当预紧的作用：提高滚动轴承的精度、寿命、刚度。预紧对滚子轴承的刚度的提高是不明显的；对滚珠轴承的刚度的提高是明显的。过度预紧，由于滚动体和滚道的变形太大，将提高温升和降低寿命。因此，必须根据载荷和转速，正确地选择预紧。1）滚动轴承的间隙量最佳间隙量（或最佳预加载荷量）应考虑机床的工作条件和轴承类型并根据试验和生产经验加以确定，一般原则是：高速、轻载或精密机床主轴组件，间隙量可大些，以减少轴承的发热和磨损。中低速、重载或普通精度级机床主轴组件，间隙量可小些。预紧量应根据试验和生产经验适当地选择。2）轴承间隙调整装置径向预紧轴承的间隙量控制方式（如：双列圆柱滚子轴承）用控制装置。用螺母控制（图10-12）。用剖分式调整垫圈控制。轴向预紧轴承的间隙量控制方式（如：角接触球轴承）修磨轴承内圈。采用内、外隔套（图10-10、11）。用控制装置。弹簧预紧。注意事项（1）调整螺母采用细牙螺纹，易于微量调节，自锁性好。（2）调整螺母应有防松措施。（3）螺纹的中心应与主轴的中心重合。（4）同一支承处有不同类型的轴承时，应用多个螺母分别调整。三、主轴滚动轴承的配置大多数机床主轴采用两个支承,也有用三支承。配置时应注意：每个支承点都要承受径向力;两个方向的轴向力应分别有相应的轴承承受；径向力和两个方向的轴向力都应传递到箱体上，即负荷都由机床支承件承受。轴承配置时，除选择轴承的类型不同外，推力轴承的配置是主要差别，布局方式主要有：1)前端定位：承受轴向力的轴承装在前支承。主轴受热后，向前伸长最小，结构复杂。设计精密卧式车床的两支承主轴组件常采用。前端定位：前端定位承受轴向力轴承配置简图后端定位：两端定位：后端定位两端定位2)后端定位：承受轴向力的轴承装在后支承。主轴受热后，向前伸长大，结构简单。设计普通卧式车床的两支承主轴组件常采用。3)两端定位：承受轴向力的轴承装在前后支承。主轴受热伸长时将产生轴向松动。只适用于较短的轴。四、主轴滚动轴承的精度主轴轴承的精度：P2（旧B）、P4（旧C）、P5（旧D）、P6（旧E）、P0（旧G）五级，又规定了SP级和UP级作为补充。P0级轴承设计时一般不用。前轴承对主轴组件的影响较大，故前轴承的精度应选得高一些。前轴承受的载荷较大，容易变形影响加工精度，同时，前轴承对主轴前端变形的影响比后轴承大。前后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。（a）当前轴承轴心有δa的偏移量，后轴承偏移量为0时，反映到主轴端部轴心的偏移为：（b）当后轴承轴心有δb的偏移量，前轴承偏移量为0时，反映到主轴端部轴心的偏移为：主轴的主要设计内容选定结构形状；确定支承数目及结构尺寸；选择材料及热处理方法；制定技术条件和进行必要的验算等。5.3主轴一、主轴的结构形状选定主轴的结构形状必须满足：使用要求、结构要求和加工装配要求等。使用要求包括：主轴头部、尾部（1：20锥孔）和内孔等。1、主轴头部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，装夹可靠、牢固，而且装卸方便。目前，主轴的头部形状已标准化。常见车床主轴头部结构形式a、短锥定心，法兰螺栓紧固，端面键传递扭矩。特点：悬伸短，定心精度比较高，刚度好，主轴制动时不会松脱，装卸快速，但制造困难，使用广泛。b、长锥定心，螺纹紧固，单键传递扭矩。特点：采用长锥增加了定心的稳定性，但悬伸仍较长。c、圆柱定心，螺纹压爪紧固装卸比较方便，但定心直径有间隙，定心精度低，悬伸长，当主轴迅速制动时，盘有自动松脱的可能，必须有防护装置。2、为了提高刚度，主轴的直径应尽量大一些，悬伸量（前轴承至主轴前端面的距离）应尽可能地小些。3、为便于装配，主轴常制成阶梯形的。4、为了不使主轴的刚度受太大的影响，主轴内孔直径不宜超过外径的70%。（D/d≤0.7）二、主轴的材料和热处理1、主轴的材料，主要应根据耐磨性、热处理方法、热处理后的变形选择。2、主轴常用材料①普通机床的主轴，主要为提高强度和韧性。采用45钢，调质T235到220-250HBS左右；主轴头部的锥孔、定心锥面、轴颈等部位高频淬硬至50-55HRC。②精密机床的主轴，要求精度高、精度保持性好，热处理后残余应力小。采用40Cr、20Cr等渗碳、淬硬至HRC≥60。③要求耐磨性很高的主轴，采用渗碳钢如38CrMoAlA渗碳处理。三、主轴的技术要求包括：尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和表面硬度等。1、主轴轴颈、壳体孔的直径公差、形状公差与轴承的精度有关。2、主轴其余的技术条件，应根据机床精度标准制定。3、制定主轴的技术条件应满足的要求：使设计基准、工艺基准和检验基准尽可能一致。若不一致，则应以设计基准为基础来考虑。用较少的检测项目和标注代号来表达技术条件，使图面清晰易懂。（允许用少量的文字说明）5.4主轴组件一、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件1．中等转速，较高刚度（1）这类主轴的前、后径向支承多用双列圆柱滚子轴承，推力支承多用推力角接触球轴承。（2）推力轴承安排在前支承内，尽量靠近前端面，使主轴发热后向后膨胀。（3）三支承主轴，前、中为主，后支承为辅。“主”支承应预紧，使轴承的滚道与滚动体之间处于过盈状态；“