主軸部件設(shè)計(jì)課件

1、1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)主軸部件設(shè)計(jì)2第六節(jié) 主軸部件設(shè)計(jì)基本要求旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動精度剛度抗振性溫升和熱變形(熱穩(wěn)定性 )精度保持性3旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動精度旋轉(zhuǎn)精度:指裝配后的部件在無載或低速轉(zhuǎn)動條件下，主軸前端工作部位的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動的大小。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度直接影響機(jī)床的加工精度。運(yùn)動精度指主軸在工作狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度，這個(gè)精度通常和靜止或低速狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)精度有較大差別，它表現(xiàn)在工作時(shí)主軸回轉(zhuǎn)中心位置的不斷變化，即“主軸軸心漂移”現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)精度主要取決于主軸及其軸承的制造、裝配、調(diào)整的精度；運(yùn)動狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度取決于主軸的工作速度、軸承性能和主軸部件的平衡等因素。 5抗振性抗振性包括抵抗受迫

2、振動的能力和抵抗自激振動的能力。有時(shí)也把抵抗受迫振動的能力稱為動剛度，此時(shí)，抗振性僅指抵抗自激振動的能力。若主軸組件抗振性差，工作時(shí)容易產(chǎn)生振動，不僅降低加工質(zhì)量，而且限制了機(jī)床生產(chǎn)率的提高，使刀具耐用度下降。主要影響因素:部件的靜態(tài)剛度、質(zhì)量分布和阻尼，特別是主軸前軸承的阻尼。設(shè)計(jì)時(shí)，要使主軸的固有頻率遠(yuǎn)大于工作時(shí)的激振頻率，使之不易發(fā)生共振。6溫升和熱變形(熱穩(wěn)定性 )溫升過高會引起兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其他件的相對位置會發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會因溫度過高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。嚴(yán)重

3、時(shí)甚至?xí)l(fā)生“抱軸”。提高主軸組件熱穩(wěn)定性的主要措施是減少發(fā)熱、加快散熱、隔離熱源以及采用盡可能合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以使熱變形能得到補(bǔ)償和對加工的影響最小。7主軸系統(tǒng)必須有足夠的耐磨性，以便能長期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬，或者經(jīng)過氮化處理，以提高其硬度增加耐磨性。主軸軸承也需有良好的潤滑，提高其耐磨性。精度保持性8主軸部件的傳動方式 齒輪傳動特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能傳遞較大的扭矩，能適應(yīng)變轉(zhuǎn)速、變載荷工作，應(yīng)用最廣。它的缺點(diǎn)是線速度不能過高，通常小于1215m/s，不如帶傳動平穩(wěn)。 帶傳動常用的有平帶、三角帶

4、、多楔帶和同步齒形帶等。帶傳動的特點(diǎn)是靠摩擦力傳動（除同步齒形帶外）、結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低，特別適用于中心距較大的兩軸間傳動。皮帶有彈性可吸振，傳動平穩(wěn)，噪聲小，適宜高速傳動。帶傳動在過載中會打滑，能起到過載保護(hù)作用。缺點(diǎn)是有滑動，不能用在速比要求準(zhǔn)確的場合。電動機(jī)直接驅(qū)動方式1012推力軸承位置配置型式前端配置 前支承處軸承較多，發(fā)熱大，溫升高；但主軸受熱后向后伸長，不影響軸向精度，對提高主軸部件剛度有利。用于軸向精度和剛度要求較高的高精度機(jī)床或數(shù)控機(jī)床。后端配置 前支承處軸承較少，發(fā)熱小，溫升低；但是主軸受熱后向前伸長，影響軸向精度。用于軸向精度要求不高的普通精度機(jī)床，如立銑、多刀車

5、床等。兩端配置 當(dāng)主軸受熱伸長后，影響主軸軸承的軸向間隙。為避免松動，可用彈簧消除間隙和補(bǔ)償熱膨脹。常用于短主軸，如組合機(jī)床主軸。中間配置 可減少主軸的懸伸量，并使主軸的熱膨脹向后；但前支承結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，溫升也可能較高。14主軸主軸是主軸組件的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、制造精度、材料及其熱處理，對主軸組件的工作性能都有很大影響。主軸的結(jié)構(gòu)形狀 :主軸通常是一個(gè)前粗后細(xì)的階梯軸，即軸徑尺寸從前軸頸起，向后逐漸縮小。這樣的結(jié)構(gòu)，是為了適應(yīng)主軸各段承受的不同載荷，以滿足剛度要求，同時(shí)也為其上的多個(gè)零件提供足夠的安裝、定位及止推面，同時(shí)也有利于加工和裝配。15主軸的材料和熱處理 一般機(jī)床主軸常用

6、45鋼，調(diào)質(zhì)到200250HB左右，主軸端部錐孔、定心軸頸或定心圓錐面等部位局部淬硬到50 55 HRC。若支承采用滾動軸承，則軸頸可不淬硬，但是為了防止敲碰損傷軸頸的配合表面，常對主軸軸頸處進(jìn)行淬硬。如果機(jī)床主軸有更高要求時(shí)，宜選用合金鋼，如對耐磨性要求很高的主軸，常選用38CrMoAlA，并經(jīng)氮化處理。 16主軸主要精度指標(biāo) 前支承軸頸的同軸度約5 m左右；軸承軸頸需按軸承內(nèi)孔“實(shí)際尺寸”配磨，且須保證配合過盈15m；錐孔與軸承軸頸的同軸度為35m，與錐面的接觸面積不小于80%，且大端接觸較好；裝NN3000K型調(diào)心圓柱滾子軸承的112錐面，與軸承內(nèi)圈接觸面積不小于85%。17主軸部件中的

7、軸承 滾動軸承液體動壓軸承液體靜壓軸承空氣靜壓軸承磁浮軸承18主軸的滾動軸承角接觸球軸承：既可以承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。常用的接觸角有兩種：=25和=15。角接觸球軸承 20角接觸球軸承(a)背靠背, (b)面對面,（c）同向組配(d)三聯(lián)組配 角接觸球軸承的組配21角接觸球軸承兩個(gè)軸承都能共同承受徑向載荷。背靠背和面對面組配都能承受雙向軸向載荷；同向組配則只能承受單向軸向載荷。背靠背與面對面組配相比，支承點(diǎn)（接觸線與軸線的交點(diǎn)）間的距離AB，前者比后者大，因而能產(chǎn)生一個(gè)較大的抗彎力矩，即支承剛度較大。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸

8、承的過盈加大。軸向膨脹對背靠背組配將使過盈減小，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹，而對于面對面組配，將使過盈進(jìn)一步增加?；谝陨戏治?，主軸受有彎矩，又屬高速運(yùn)轉(zhuǎn)，則主軸軸承必須采用背靠背組配。23圓錐滾子軸承 雙列圓錐滾子軸承1,4一內(nèi)圈；2一外圈；3一隔套 修磨隔套3的厚度來調(diào)整間隙或預(yù)緊。外圈有軸肩，一端抵住箱體或主軸套筒的端面，另一端用法蘭壓緊，以實(shí)現(xiàn)軸向定位。因此，箱體孔可做成通孔，便于加工。 既可以承受徑向載荷，又可以承受雙向軸向載荷。由于滾子數(shù)量多，承載能力和剛度都高，軸承制造精度較高，適用于中低速、中等以上載荷的機(jī)床主軸的前支承。但設(shè)計(jì)選用時(shí)，應(yīng)考慮給予充分的潤滑和冷卻條件24滾動軸承配置

9、 配置形式：速度型、高剛度型和剛度速度型 主軸支承的配置速度型 (a)前、后支承均采用雙聯(lián)角接觸球軸承，該配置適用于高速、高精度、中等負(fù)載的數(shù)控車床。 (b) 采用三聯(lián)或四聯(lián)角接觸球軸承，后支承用雙聯(lián)角接觸球軸承，適用于高速、高精度和較高負(fù)載要求的數(shù)控機(jī)床。26滾動軸承配置主軸支承的配置一速度剛度型 前支承采用三聯(lián)角接觸球軸承，承受徑向和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，具有較高的剛度，適用于要求高速、高精度和較大負(fù)載的數(shù)控機(jī)床。27幾種典型的主軸軸承配置型式速度型 角接觸球軸承具有良好的高速性能，但它的承載能力較小，因而適用于高速輕載或精密機(jī)床，如高速鏜削單元、高速CNC機(jī)床等。28速

10、度型高速CNC車床主軸部件 30剛度型CNC型車床主軸 31剛度速度型 前軸承的配置特點(diǎn)是：外側(cè)的兩個(gè)角接觸球軸承大口朝向主軸工作端，承受主要方向的軸向力；第三個(gè)角接觸球軸承則通過軸套與外側(cè)的兩個(gè)軸承背靠背配置，使三聯(lián)角接觸球軸承有一個(gè)較大支承跨，以提高承受顛覆力矩的剛度。 32剛度速度型33配置圓錐滾子軸承的機(jī)床主軸 結(jié)構(gòu)比采用雙列短圓柱滾子軸承簡化，承載能力和剛度比角接觸球軸承高。但是，因?yàn)閳A錐滾子軸承發(fā)熱大、溫升高，允許的極限轉(zhuǎn)速要低些。適用于載荷較大、轉(zhuǎn)速不太高的普通精度的機(jī)床主軸。34臥式鏜銑床主軸部件 1一齒輪 2-鏜主軸 3-銑主軸 4一雙鍵 5, 6-鏜主軸套 7-前軸承 銑主

11、軸3的前軸承采用雙列圓錐滾子軸承，可以承受雙向軸向力和徑向力，承載能力大，剛性好，結(jié)構(gòu)簡單。主運(yùn)動傳動齒輪1裝在銑主軸3上。銑主軸軸端可裝銑刀盤或平鏇盤，進(jìn)行銑削加工或車削加工。鏜主軸可在銑主軸內(nèi)軸向移動，通過雙鍵4傳動，用于孔加工。35搖臂鉆床主軸部件 1一主軸 2 一主軸套筒 3-鍵4-擋油蓋 5-螺母 6一進(jìn)給齒輪 采用推力球軸承承受兩個(gè)方向軸向力的主軸部件，其軸向剛度很高，適用于承受軸向載荷大的機(jī)床主軸。 36滾動軸承精度等級的選擇 a）前軸承偏移量的影響b）后軸承偏移量的影響c)前、后軸承的綜合影響 前支承的精度比后支承對主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度影響大。因此軸承精度選取時(shí)，前軸承的精度要選

12、得高一點(diǎn)，一般比后軸承精度高一級。 37思考題左圖中：1、a)、b)所示情形下，前后軸承偏移引起主軸端部的偏移總量是多少？2、c)中的2是多少？38滾動軸承精度等級的選擇 機(jī)床主軸軸承的精度除P2, P4, P5, P6（相當(dāng)于舊標(biāo)準(zhǔn)的B, C, D, E）四級外，新標(biāo)準(zhǔn)中又補(bǔ)充了SP和UP級。SP和UP級的旋轉(zhuǎn)精度，分別相當(dāng)于P4和P2級，而內(nèi)、外圈尺寸精度則分別相當(dāng)于P5級和P4級。隨著機(jī)床向高速、高精度發(fā)展，目前普通機(jī)床主軸軸承都趨向于取P4 (SP）級，P6（舊E級）級軸承在新設(shè)計(jì)的機(jī)床主軸部件中已很少采用。 主軸軸承精度 39主軸滾動軸承的預(yù)緊適當(dāng)預(yù)緊可提高軸承的剛度和壽命。但是，過

13、度預(yù)緊會使?jié)L動體和滾道的變形太大，將導(dǎo)致軸承溫升的提高，并降低軸承壽命。角接觸球軸承的預(yù)緊 :角接觸球軸承一般必須在軸向有預(yù)加載荷條件下才能正常工作。預(yù)載荷分為輕、中、重三種，代號為A,B,C。輕預(yù)緊適用于高速主軸，中預(yù)緊適用于中、低速主軸；重預(yù)緊用于分度主軸。 40雙列短圓柱滾子軸承 用螺母軸向移動軸承內(nèi)圈，因內(nèi)圈孔1:12的錐孔，使內(nèi)圈徑向漲大，而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊；采用過盈套替代螺母實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。 過盈套的結(jié)構(gòu) 41角接觸球軸承的預(yù)緊a)修磨軸承內(nèi)圈側(cè)面 b）修磨調(diào)整環(huán) c)由彈簧自動預(yù)緊42主軸滑動軸承 滑動軸承因具有良好的抗振性，旋轉(zhuǎn)精度高，運(yùn)動平穩(wěn)等特點(diǎn)，應(yīng)用于高速或低速的精密、高精密機(jī)床和數(shù)控

14、機(jī)床中。滑動軸承按產(chǎn)生油膜的方式，可以分為動壓軸承和靜壓軸承兩類。滑動軸承按流體介質(zhì)不同可分為液體滑動軸承和氣體滑動軸承。43動壓軸承 工作原理：當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動潤滑油從間隙大處向間隙小處流動，形成壓力油楔而產(chǎn)生油膜壓力將主軸浮起。動壓軸承按油楔數(shù)分為單油楔和多油楔。 多油楔軸承有固定多油楔和活動多油楔兩類。 44固定多油楔滑動軸承 a)主軸組件b)軸瓦c)軸承工作原理1一軸瓦2, 5一止推環(huán)3一轉(zhuǎn)動螺母4-螺母6一軸承45活動多油楔滑動軸承 a), b)軸承結(jié)構(gòu)示意圖 c)軸承工作原理46液體靜壓軸承液體靜壓軸承系統(tǒng)由一套專用供油系統(tǒng)、節(jié)流器和軸承三部分組成。靜壓軸承由供油系統(tǒng)供給一定壓力

15、油，輸進(jìn)軸和軸承間隙中，利用油的靜壓力支承載荷，軸頸始終浮在壓力油中。軸承油膜壓強(qiáng)與主軸轉(zhuǎn)速無關(guān)，承載能力不隨轉(zhuǎn)速而變化。靜壓軸承與動壓軸承相比有如下優(yōu)點(diǎn)：承載能力高；旋轉(zhuǎn)精度高；油膜有均化誤差的作用，可提高加工精度；抗振性好；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；既能在極低轉(zhuǎn)速下工作，也能在極高轉(zhuǎn)速下工作；摩擦小，軸承壽命長。主要的缺點(diǎn)是需要一套專用供油設(shè)備，軸承制造工藝復(fù)雜、成本較高。47液體靜壓軸承定壓式靜壓軸承 48空氣靜壓軸承用空氣作為介質(zhì)的靜壓軸承稱為氣體靜壓軸承，也稱為氣浮軸承或空氣軸承，其工作原理與液體靜壓軸承相同。由于空氣的粘度比液體小得多，摩擦小，功率損耗小，能在極高轉(zhuǎn)速或極低溫度下工作，振動、噪聲特

16、別小，旋轉(zhuǎn)精度高，（一般0.1m以下），壽命長，基本上不需要維護(hù)，用于高速、超高速、高精度機(jī)床主軸部件中。49空氣靜壓軸承具有徑向圓柱與平面止推型軸承的主軸部件 CUPE高精度數(shù)控金剛石車床1一低膨脹材料 2-聯(lián)軸節(jié)3、5、9、10徑向軸承4驅(qū)動電動機(jī) 11、6一止推軸承7一冷卻裝置 8一熱屏蔽裝置 12一金剛石砂輪50空氣靜壓軸承采用雙半球形氣體靜壓軸承 大型超精加工車床的主軸部件。此種軸承的特點(diǎn)是氣體軸承的兩球心連線就是機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)中心線，它可以自動調(diào)心，前后軸承的同心性好，采用多孔石墨，可以保證剛性達(dá)300N /m以上，回轉(zhuǎn)誤差在0. 1m以下。 CUPE的PG1505空氣靜壓軸承 51空氣靜壓軸承前端為球形，后端為圓柱形或半球形 1一徑向軸承 2一壓縮空氣 3一軸 4-球體 5-壓縮空氣 6一球面軸承 7一球面座52磁浮軸承主要由以下三部分組成：電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)，傳感器，控制器及算法。磁浮軸承的結(jié)構(gòu)與馬達(dá)類似，電磁鐵除了產(chǎn)生力矩以外，還產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子懸浮的吸引力。轉(zhuǎn)子與定子的間隙一般為0.5mm2mm。主軸位置傳感器用于給控制系統(tǒng)提供反饋，一般情況下設(shè)置