第四章--典型部件设计

第四章典型部件设计本章介绍金属切削机床的主轴部件、支承件、导轨等典型部件的设计，主要学习各部件的功能、设计时应满足的要求及各部件的设计方法。第一节主轴部件设计主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。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。本节主要学习主轴部件的功能、主轴部件设计时应满足的要求、主轴部件的结构设计以及主轴轴承的选择等内容。主轴部件是机床的重要部件之一。作为机床的执行件，它的功能是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。一、主轴部件的功能健身增肌二次发育WeiXinTaoBao二、主轴部件应满足的基本要求主轴部件应满足以下基本要求：(1)旋转精度主轴的旋转精度是指装配后，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端面圆跳动。主轴的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。(2)刚度主轴部件的刚度是指主轴所受的力与主轴前端在力的方向上发生的位移之比。刚度是指物体在外加载荷作用下抵抗变形的能力，即K=F/y如果引起弹性变形的作用力是静力Fj，变形为yj，则由此力和变形所确定的刚度称为静刚度，写成Kj=Fj/yj；如果引起弹性变形的作用力是交变力，其振幅为yd，则由该力和变形所确定的刚度称为动刚度，可写成Kd=Fd/yd。静、动刚度的单位均为N/μm。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。因此，主轴的尺寸和形状、轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。(3)抗振性主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。在切削过程中，主轴部件不仅受静态力作用，同时也受冲击力和交变力的干扰（由材料硬度不均匀、加工余量的变化、主轴部件不平衡、轴承或齿轮存在缺陷以及切削过程中的振颤等引起），使主轴产生振动。主轴部件的振动会直接影响工件的表面加工质量、刀具的使用寿命，并产生噪声。(4)温升和热变形主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热、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。主轴热变形可引起轴承间隙变化，温度升高后会使润滑油粘度降低，这些变化都会影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。因此，各种类型机床对温升都有一定限制。如连续运转下的允许温升，高精度机床为8～10℃，精密机床为15～20℃，普通机床为30～40℃。(5)精度保持性主轴部件的精度保持性是指长期保持其原始制造精度的能力。主轴部件丧失其原始制造精度的主要原因是磨损，如主轴轴承、主轴轴颈表面、装夹工件或刀具的定位表面的磨损。要长期保持主轴部件的精度，必须提高其耐磨性。对耐磨性影响较大的因素有主轴的材料、轴承的材料、热处理方式、轴承类型及润滑防护方式等。以上为主轴部件应满足的旋转精度、刚度、抗振性、温升和热变形、精度保持性等性能方面的要求，这些性能与主轴的传动方式、主轴部件结构以及主轴轴承选用等方面因素有关，下面具体介绍。三、主轴的传动方式主轴的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。主轴传动方式的选择，主要决定于主轴的转速、所传递的转矩、对运动平稳性的要求以及结构紧凑、装卸维修方便等要求。(1)齿轮传动齿轮传动的特点是结构简单、紧凑，能传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作，传动比准确，应用最广。它的缺点是线速度不能过高，通常小于12m/s，不如带传动平稳。(2)带传动带传动的特点是结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动。由于带有弹性，可吸振，故传动平稳，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。其缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。同步齿形带通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力，同步齿形带传动的优点是：无相对滑动，传动比准确，传动精度高，其缺点是制造工艺复杂，安装条件要求高。a)同步带传动b)同步带结构1—包布层2—带齿3—带背4—承载绳图4-2同步齿形带传动(3)电动机直接驱动电动机直接驱动主轴这种传动方式的特点是主轴转速与电机转速相同。如果主轴转速不高，可采用普通异步电动机直接带动主轴，如果转速很高，可将主轴与电动机制成一体，成为主轴单元。由于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，因此广泛地用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。四、主轴部件结构设计因为主轴部件是由主轴零件及其支承轴承、传动件等部分组成，所以主轴部件结构设计主要涉及主轴部件的支承数目、推力轴承位置配置形式、主轴传动件位置的合理布置、主轴主要结构参数的确定及主轴零件结构设计等方面内容。(一)主轴部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。为提高主轴部件的刚度，前、后支承应消除间隙或预紧。主轴部件的支承是指轴系中承受径向力的支承轴承。图3-24卧式铣床变速箱为提高刚度和抗振性，有的机床主轴采用三个支承。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。三支承方式对三支承孔的同轴度要求较高，制造装配较复杂。主支承也应消除间隙或预紧，辅支承则应保留一定的径向间隙或选用较大游隙的轴承。由于三个轴颈和三个箱体孔不可能绝对同轴，故三个轴承不能都预紧，以免发生干涉，恶化主轴的工作性能，使空载功率大幅度上升和轴承温升过高。图3-23卧式车床主轴箱展开图(二)推力轴承位置配置形式推力轴承在主轴前、后支承的配置形式，影响主轴轴向刚度和主轴热变形的方向和大小。为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度，并尽量简化结构，应恰当地配置推力轴承的位置。推力轴承位置配置有四种形式：前端配置、后端配置、两端配置和中间配置。a)前端配置b)后端配置c)、d)两端配置e)中间配置图4-4推力轴承配置形式(1)前端配置前端配置是将两个方向的推力轴承都布置在前支承处，如图a所示。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，用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。(2)后端配置后端配置是将两个方向的推力轴承都布置在后支承处，如图b所示。这类配置方案前支承处轴承较少，发热小，温升低，但是主轴受热后向前伸长，影响轴向精度，用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣床、车床等。(3)两端配置两端配置是将两个方向的推力轴承分别布置在前、后两个支承处，如图c、d所示。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。两端配置常用于短主轴，如组合机床主轴。(4)中间配置中间配置是将两个方向的推力轴承配置在前支承的后侧，如图e所示。这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并使主轴受热膨胀后向后伸长，但前支承结构较复杂，温升也可能较高。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，减小主轴变形，提高主轴的抗振性。合理布置的原则是传动力引起的主轴弯曲变形要小，引起主轴前轴端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。因此，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。(三)主轴传动件位置的合理布置传动件轴向布置的几种情况如图4-5所示。a)位于主轴前支承内侧b)位于主轴前悬伸端c)位于主轴后悬伸端图4-5主轴上传动件的轴向布置方案图4-5a的传动件放在两个支承中间靠近前支承处，受力情况较好，用得最为普遍；图4-5b的传动件放在主轴前悬伸端，主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床等，传动齿轮直接安装在转盘上；图4-5c的传动件放在主轴的后悬伸端，较多地用于带传动，为了更换传动带方便，如台式钻床。(四)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，以及主轴内孔直径d、主轴前端悬伸量a和主轴主要支承间的跨距L，如图4-6所示。这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。图4-6主轴结构简图(1)主轴前轴颈直径D1和后轴颈直径D2的选取主轴前轴颈直径D1一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径，参考表4-1选取。表4-1主轴前轴颈的直径D1(单位：mm)车床和铣床后轴颈的直径D2≈(0.7~0.85)D1。(2)主轴内孔直径d的确定很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。例如，车床主轴内孔用来通过棒料或安装夹紧机构；铣床主轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆等。1—主轴2—端面键3—套筒4—铣刀5—刀杆6—螺母7—吊架铣刀的安装为保证主轴的刚度，卧式车床的主轴孔径d通常不小于主轴平均直径的55％～60％；铣床主轴孔径d可比刀具拉杆直径大5～10mm。(3)主轴前端悬伸量a的确定主轴前端悬伸量a是指主轴前端面到前轴承径向反力作用中点(或前径向支承中点)的距离。由于主轴前端悬伸量a对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大，因此其确定原则是，在满足结构要求（主轴端部的结构、前支承轴承配置和密封装置的形式和尺寸）的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。(4)主轴主要支承间跨距L的确定合理确定主轴主要支承间的跨距L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。支承跨距过小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前轴端的位移量增大；反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变形增大，也会引起主轴前轴端较大的位移。因此，存在一个最佳跨距L0，在该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般取L0=(2~3.5)a。但是在实际结构设计时，由于结构上的原因，以及支承刚度因磨损会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距L往往大于上述最佳跨距L0。(五)主轴设计主轴零件涉及的问题主要有主轴的构造、主轴的材料和热处理、主轴的技术要求等几个方面。(1)主轴的构造主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。主轴的前端形式取决于机床类型和安装夹具或刀具的形式。主轴头部的形状和尺寸已经标准化，应遵照标准进行设计。主轴的构造和形状主要决定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。设计时还应考虑主轴的加工工艺性和装配工艺性。(2)主轴的材料和热处理主轴的材料应根据载荷特点、耐磨性要求、热处理方法和热处理后变形情况选择。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、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频感应加热淬火，以提高其耐磨性。当载荷大且有冲击时，或精密机床需要减小热处理后的变形时，或有其他特殊要求时，可以考虑选用合金钢。当支承为滑动轴承时，则轴颈也需淬硬，以提高耐磨性。机床主轴常用材料及热处理要求见表4-2。表4-2主轴常用材料及热处理要求(3)主轴的技术要求主轴的技术要求应根据机床精度标准有关项目制订。首先制订出满足主轴旋转精度所必需的技术要求，如主轴前、后轴承轴颈的同轴度，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等；再考虑其他性能所需的要求，如表面粗糙度、表面硬度等。主轴的技术要求要满足设计要求、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。五、主轴滚动轴承主轴部件中最重要的组件是轴承。轴承的类型、精度、结构、配置方式、安装调整、润滑和冷却等状况，都直接影响主轴部件的工作性能。(一)主轴部件常用滚动轴承主轴部件常用滚动轴承有角接触球轴承、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等，下面逐一介绍。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。因此，在选用主轴轴承时，应根据对该主轴部件的主要性能要求、制造条件、经济效果综合进行考虑。a、b)双列短圆柱滚子轴承c)双