现代制造装备及其自动化第6章_主轴组件2007

现代制造装备及自动化 1 第六章主轴组件 主轴组件由主轴 主轴支承及安装在主轴上的传动件组成 主轴的主要功能是夹持工件或刀具转动进行切削加工 并保证刀具或工件具有准确的运动轨迹 主轴组件是机床的执行件 它带动工件或刀具直接参与表面成形运动 其工作性能对机床的加工质量及生产率有直接影响 现代制造装备及自动化 2 6 1主轴组件的基本要求6 2主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承6 3主轴6 4主轴组件6 5提高主轴组件性能的一些措施6 6主轴的滑动轴承6 7主轴组件的计算6 8润滑和密封 现代制造装备及自动化 3 6 1主轴组件的基本要求 一 旋转精度 二 静刚度 三 抗振性 四 温升和变形 五 耐磨性 现代制造装备及自动化 4 6 1主轴组件的基本要求 如 车床主轴 主轴锥孔 装顶尖外圆锥面 装卡盘 一 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 主轴的旋转精度取决于组成主轴部件的主要零件的加工精度 如主轴 轴承 轴承孔等 装配精度 调整精度 现代制造装备及自动化 5 指机床或部 组 零件承受静态外载荷时 抵抗变形的能力 主轴组件的弯曲刚度k N m 定义为使主轴前端产生单位位移 在位移方向所需施加的力 K F 二 静刚度 1 定义 主轴的尺寸和形状轴承类型及配置 预紧形式前后支承的距离和前端悬伸量传动件的布置方式主轴组件的制造和装配质量等 2 影响因素 注 主轴组件的刚度对加工精度 主轴部件的抗振性 及其上的齿轮啮合条件和寿命均有影响 现代制造装备及自动化 6 影响因素 主轴组件的静刚度 阻尼特性 则不易产生振动 方法 提高主轴组件的固有频率 远离激振频率 三 抗振性 主轴组件抵抗振动的能力 振动 加工精度 表面粗糙度 刀具寿命 生产率 噪声 现代制造装备及自动化 7 如 温度升高会改变轴承间隙 润滑油 脂的粘度 影响轴承的正常工作 摩擦加快 主轴箱的热膨胀使主轴偏离正确位置 四 温升和变形 指机床工作时因相对运动处的摩擦和搅油等耗损而发热造成的温升 使主轴组件在形状和位置上产生的变化 影响加工精度 影响因素 轴承类型和布置 轴承间隙大小 润滑方式和散热条件等 现代制造装备及自动化 8 五 耐磨性 指抵抗磨损 长期保持其原始制造精度的能力 主轴组件的耐磨性主要取决于主轴 轴承的材料及热处理 轴承类型 润滑及密封条件等 现代制造装备及自动化 9 6 1主轴组件的基本要求 一 旋转精度 二 静刚度 三 抗振性 四 温升和变形 五 耐磨性 现代制造装备及自动化 10 6 2 主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承 一 主轴轴承的选择 两大类 滚动轴承和滑动轴承 根据工作要求 载荷条件 制造条件和经济效益综合考虑选择 1 滚动轴承 可在转速和载荷变化很大的条件下稳定工作 可在无间隙 或预紧 少量过盈 的条件下工作 以提高旋转精度 摩擦系数小 有利于减少发热 润滑容易 可用脂润滑 油润滑所需的油量较滑动轴承少 专业厂生产 成本低 质量好 优点 现代制造装备及自动化 11 优点 运动平稳 抗振性好 缺点 滚动体数目有限 旋转中径向刚度发生变化 易引起振动和噪声 阻尼较低 径向尺寸大 2 滑动轴承 静压 轴承的油膜压强靠液压泵提供 旋转精度 承载能力 运动平稳性都很好 但结构制造复杂 要求精度高 动压 多油楔动压轴承 高速 磨床 一般情况下尽量选择滚动轴承 高速精密 卧式采用滑动轴承 现代制造装备及自动化 12 主轴轴承应根据精度 刚度和转速选择 为了提高精度和刚度 主轴轴承的间隙应该可调 机床主轴常用的滚动轴承有以下几种 二 主轴滚动轴承的选型 1 角接触球轴承 2 双列圆柱滚子轴承 3 双向推力角接触球轴承 4 深沟球轴承 5 圆锥滚子轴承 现代制造装备及自动化 13 1 角接触球轴承 15 接触角 用于轴向载荷小 转速较高的场合 如磨床主轴 25 接触角 用于轴向载荷大的场合 如车床和加工中心的主轴 可同时承受径向和轴向载荷 内 外圈相对轴向位移 可以调整间隙 实现预紧 多用于高速主轴 现代制造装备及自动化 14 角接触球轴承通常以组合方式使用 a 背靠背 承受双向载荷 角刚度大 支反力臂大 轴向膨胀使过盈减小 b 面对面 承受双向载荷角刚度小 支反力臂小 轴向膨胀使过盈增大 c 同向组合 承载能力较大 轴向刚度较高 d 三联组配 主轴上 应选择背靠背组合 现代制造装备及自动化 15 角刚度 轴承的支反力矩与倾角之比 称为角刚度 N m rad 主轴受弯 希望轴承上产生一个尽量大的支反力矩以抵抗弯曲变形 在主轴上 角接触球轴承常采用背靠背组合方式 背靠背组合的力臂比面对面的长 运转时 由于轴承的外圈散热条件比内圈好 内圈的温度将高于外圈 径向膨胀的结果将使过盈量增加 但是 背靠肯组合时轴间膨胀将使过盈减少 因此 过盈的增知比面对面少 支反力矩的力臂就是接触线与轴线交点间的距离AB 现代制造装备及自动化 16 内孔1 12锥孔 与主轴的锥形轴颈相配合 轴向移动内圈 可以把内圈胀大 以消除间隙或预紧 只能承受径向力 用于径向载荷大 刚度要求较高 中等转速的地方 2 双列圆柱滚子轴承 现代制造装备及自动化 17 与双列圆柱滚子轴承相配套使用 承受两个方面的轴向力 修磨隔套的厚度就能消除间隙和预紧 因为外径公差带在零线下方 与壳体孔之间是间隙配合 不承受径向载荷 专作推力轴承用 3 双向推力角接触球轴承 现代制造装备及自动化 18 4 深沟球轴承 这种轴承一般不能调整间隙 常用于精度和刚度要求不太高的地方 如钻床主轴 轴向载荷由配套的推力轴承承受 现代制造装备及自动化 19 5 圆锥滚子轴承 这种轴承能承受径向和轴向强荷 承载能力和刚度都比较高 但是 滚子大端与内圈挡边之间是滑动摩擦 发热较多 故允许的转速较低 现代制造装备及自动化 20 注 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 轴承越 轻 同样的内径 其外径越小 座圈越薄 孔的形状误差越易反映到轴承上 影响精度 但同样外径 内径 轴粗 主轴组件的综合刚度有所提高 现代制造装备及自动化 21 二 主轴滚动轴承的选型 1 角接触球轴承 2 双列圆柱滚子轴承 3 双向推力角接触球轴承 4 深沟球轴承 5 圆锥滚子轴承 现代制造装备及自动化 22 三 精度 机床主轴滚动轴承精度通常采用P2 P4 P5三级 相当于ISO标准的2 4 5级 前后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的 1 若前轴承轴心偏移 a 反映到主轴端部轴心的偏移 2 若后轴承有偏移 现代制造装备及自动化 23 轴承的精度不仅影响主轴组件的旋转精度 而目 精度越高 各滚动体受力越均匀 有利于提高刚度和抗振性 减少磨损 提高寿命 因此 目前普通机床主轴轴承有取P4级的趋势 现代制造装备及自动化 24 四 转速 五 寿命 六 刚度 现代制造装备及自动化 25 6 3主轴 一 主轴的构造 主轴头部 安装刀具和夹具 定位准确等 安装方式应保证刀具或夹具的定心准确 连接可靠 装卸方便 悬伸量短以及能够传递足够的转矩 主轴的结构取决于 机床的类型 主轴上所安装传动件 轴承和密封件等等的类型 数目 位置和安装定位方法等 主轴加工和装配的工艺性 阶梯形 为便于装配和满足轴承 传动件等轴向定位的需要 直径从前 后 或中间 两端逐段缩小 现代制造装备及自动化 26 注 为 刚度 主轴的直径尽量大些 悬伸量尽可能小些 空心主轴 车 铣等 为使主轴刚度不受太大的影响 孔径 70 外径 现代制造装备及自动化 27 二 主轴材料及热处理 强度 主轴载荷较小 引起的应力远远小于钢的强度极限 刚度 刚度取决于材料的弹性模量E 各种钢材的弹性模量相差无几 与热处理无关 强度 刚度不是选材依据 主轴材料 根据耐磨性 热处理方法和热处理后的变形选择 45 或60 优质中碳钢 调质到220 250HB左右 头部锥孔 定心轴颈或定心锥面等部位 高频淬硬至50 55HRC 支承 滚动轴承 轴颈可不淬硬 滑动 轴颈要淬硬 普通机床主轴 现代制造装备及自动化 28 为减少淬火变形和淬火应力 可选40Cr或20Cr等渗碳淬硬至HRC 60 精密机床主轴 高精度磨床砂轮主轴 镗床 加工中心的主轴 可用渗碳钢38CrMoAIA 进行渗氮处理 表面硬度可达1100 1200HV 69 72HRC 现代制造装备及自动化 29 主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度 主轴和轴承 齿轮等零件组连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度 关系到接触刚度 三 主轴的技术要求 主轴的技术要求主要应满足主轴精度及其他性能的设计要求 技术要求分三类 与工作和测量基准有关的项目 与机床精度检验直接有关的项目 其他各项 现代制造装备及自动化 30 轴颈A和B的圆度 主轴中心线 轴颈A和B的圆心连线 是设计基准和测量基准 轴颈截面不圆 圆心不稳定 中心线不固定 莫氏锥孔和A B面用涂色法检查接触率 保证这两个轴颈的锥度与滚动轴承锥孔的一致性 莫氏锥度必须与标准检规一致 1 与工作和测量基准有关的项目 现代制造装备及自动化 31 2 与机床精度检验有关的项目 莫氏锥孔对轴颈A B的径向跳动 内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面 在检查主轴与其它部件的相互位置精度时 内锥孔是代表主轴中心线的基准 短锥C对轴颈A B的径向跳动 端面D对轴颈A B的端面跳动 3 其他 安装齿轮等传动件的部位与前后轴承颈的同轴度公差 键槽与主轴中心线的平行度和对称度等 现代制造装备及自动化 32 6 4主轴组件 前后径向支承 双列圆柱滚子轴承 推力支承 推力角接触球轴承 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 一 车 镗 铣 加工中心类机床主轴组件 1 中等转速 较高刚度 现代制造装备及自动化 33 支承形式轴承轴向定位和预紧传动布置辅助支承 数控车床 主轴转速14 3550r min 现代制造装备及自动化 34 主轴转速25 1600r min 电动机功率5 5Kw 装圆锥滚子轴承的主轴组件 现代制造装备及自动化 35 三支承主轴 如果支承间跨距大 影响主轴刚度 所以增加辅助支承 为保证主轴部件的刚度和旋转精度 通常只有两个轴承起主要支承作用 称为主支承 另一个起辅助支承作用 装配时使之处于浮动状态 称为辅助支承 三支承的预紧原则 三个轴承不能都预紧 因为三个轴颈和三个壳体孔不可能完全同轴 所以都预紧会发生干涉 使轴承温升过高 P空 辅助支承保持间隙 当主轴受载荷较小时 辅助支承不起作用 当主轴载荷较大时 辅助支承处挠度较大 超过了游隙 辅助支承才参加工作 主支承应预紧 使轴承的滚道与滚动体之间处于过盈状态 辅支承常采用深沟球轴承 保留游隙以至选用游隙较大的轴承 现代制造装备及自动化 36 2 要求转速较高 但刚度略低 如高速型车 镗 铣主轴单元 适应高转速 前轴承用角接触球轴承 为承受轴向载荷 轴承三联组配 1 2同向朝前 承担轴向载荷3与1 2背靠背 实现预紧 现代制造装备及自动化 37 二 磨床类主轴组件 右端 工作端 装砂轮杆 左端 驱动端 平带轮 支承 两对轻系列角接触球轴承 轴向载荷左右对称 轴承的组配方式对称 定压预紧 预紧力靠螺旋弹簧保证 如主轴因运转发热而有所伸长 伸长量 弹簧预压量 预紧力不会有显著变化 现代制造装备及自动化 38 小结 低速 重载 圆柱滚子 圆锥滚子 高速 轻载 角接触球轴承 现代制造装备及自动化 39 预紧 使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量 1 使滚动体受力均匀 2 均化误差 提高轴承的精度和寿命 根据载荷和转速 正确地选择预紧 双列圆柱滚子轴承的预紧靠内径的锥面 使内圈径向胀大实现预紧 径向预紧 预紧量 三 滚动轴承的预紧 现代制造装备及自动化 40 轴向预紧 在轴向力作用下 使内 外圈产生轴向错位实现预紧的 预紧方式 在内圈 背靠背 或外圈 面对面组配 的端面根据预紧力磨去 装配时挤紧 就可得到预定的预紧力 2 角接触球轴承的预紧 预紧力 N 现代制造装备及自动化 41 轴承预紧时 应兼顾刚度和温升两个指标 轻预紧 高速主轴中预紧 中 低速主轴重预紧 分度主轴 在轴向载荷下 不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触 双联 温升曲线 三联 现代制造装备及自动化 42 四 主轴组件的传动 1 传动方式 主轴传动件的类型取决于主轴传递动力 转速 运动平稳性及结构等要求 3 电主轴 无中间传动环节 主轴不受传动弯距的影响 1 齿轮传动 优点 传递较大的转矩 缺点 线速度不能很高 传动不够平稳 斜齿轮 注 主轴上不要有滑移齿轮或其他活装零件 以免引起振动 齿轮与主轴 最好用圆锥配合 2 带传动 运转平稳 适用于转速较高且表面加工质量要求较高的场合及中心距较大的两轴间的传递 缺点是易拉长和磨损 传动比不准确 设计时必须注意能调节中心距 磨损后易更换 现代制造装备及自动化 43 2 主轴传动件的布置 齿轮 1 位于前 后轴承之间 应尽量靠近前轴承 以减少弯曲变形 若装多个齿轮 大齿轮应靠近前轴承 以减少弯曲变形 2 传动齿轮位于后支承之后的主轴悬伸处 此时 后支承的负荷较大 应考虑采用承载能力较大的轴承 带 通常安装在后支承后部主轴的悬伸处 便于防护 以免油类侵蚀皮带 而且更换皮带容易 现代制造装备及自动化 44 6 5提高主轴组件性能的一些措施 以莫氏锥孔对轴颈A B的径向圆跳为例 三项误差是有一定方向的 装配前 测出三项误差的大小和方向 装配时 可同向装配或角度装配 一 提高旋转精度 提高主轴组件的精度 除保证主轴和轴承的精度外 还可采用下述方法 1 定向装配法 现代制造装备及自动化 45 a 同向装配 三个误差方向调整到一条直线上 较小的两个朝一个方向 较大的朝相反的方向 则径向跳动为 b 角度装配法 若进行角度定向装配 则误差可基本抵消 较小 但不能完全消除 精密和高紧密机床如拆卸轴承 拆卸前必须在轴承外圈与壳体之间 内圈与主轴之间做记号 装配时按记号装配 否则重装后精度会降低 现代制造装备及自动化 46 特别精密的主轴部件 如坐标镗床的主轴部件 主轴轴承装在套筒内 主轴锥孔的跳动允差只有1 2um 为了保证主轴部件的精度 可采用装配后精加工的方法 即先将主轴部件装配好 以主轴两端锥孔为基准精磨主轴套的外圆 再以套筒外圆为基准 精磨主轴锥孔 2 装配后精加工 现代制造装备及自动化 47 润滑 油气 油雾润滑的轴承转速高于脂润滑的轴承 冷却方式 轴承外套装在套筒内 螺旋沟槽 冷却油 电主轴定子冷却 二 控制温升 提高转速 减少热变形 合理选择轴承 轴承的预紧 轴承的润滑和冷却方式 n 发热 需控制温升 1 减少发热 轴承类型 球轴承允许的转速 滚子轴承 角接触球轴承中 接触角小的转速高 预紧 轻预紧比中预紧转速高 2 加强散热 高速轴承 采用陶瓷球 3 均热 现代制造装备及自动化 48 内圆磨床主轴的振型图 两端支承简化为两个弹簧 a 平移振型 平移主轴作为一个刚体在弹性支承上作平移振动 b 摇摆振型 主轴作为刚体在弹性支座上摇摆 c 弯曲振型 主轴作弯曲振动 振型 固有频率 合称模态 三 改善动态特性 现代制造装备及自动化 49 第一 二阶模态态的弹性环节主要是轴承 第三阶则主要是主轴 当轴承的刚度提高时 第一 二阶模态的固有效率也随之提高 但第三阶横态则提高不多 现代制造装备及自动化 50 1 使主轴组件的固有频率避开激振力的频率 使固有频率高于激振频率30 以上若发生共振的模态是刚体振动 则提高轴承刚度 若发生共振的模态是主轴的弯曲振动 主轴的刚度 加粗直径 2 增加系统阻尼 改滚动轴承 滑动轴承提高前轴承的阻尼3 采用三支承 既提高了刚度 又提高了抗振性 4 采用消振装置 高速主轴改善动态特性 可采取下列措施 现代制造装备及自动化 51 加大主轴直径 缩短悬伸量 提高支承刚度 采用三支承 合理选择跨距 四 提高主轴刚度 现代制造装备及自动化 52 主轴动压轴承对刚度和旋转精度要求高 具有以下两个特点 轴承间隙对刚度影响大 所以要可调 多油楔形结构 几个油楔把主轴推向中央 6 6主轴的滑动轴承 从原理上可分为动压轴承和静压轴承 一 液体动压轴承 动压轴承是据轴的转动形成油膜而具有承载能力的 承载能力与滑动速度成正比 因此动压轴承用于高速和转速变化不大的地方 现代制造装备及自动化 53 1 固定多油楔轴承 用于单向 转速变化范围小的情况下 现代制造装备及自动化 54 轴承由三块或五块轴瓦组成 由球头螺钉支承 可稍稍摆动以适应转速或载荷的变化 这种轴承能自动调整油楔中的间隙 达到新的平衡点 承载能力大 用于外圆磨 无心磨床等高速旋转的主轴上 2 活动多油楔轴承 缺点是轴瓦靠螺钉的球形头支承 面积较小 刚度不高 现代制造装备及自动化 55 二 静压轴承 液体静压轴承是由一套专用供油系统 节流器和轴承三部分组成 油膜压力是靠液压泵建立的 与主轴的转速关系不大 所以常用于低速或转速变化较大的地方 又静压轴承的油膜较厚 对轴颈和轴瓦孔的圆度误差能起均化作用 故静压轴承还用于高精度主轴 现代制造装备及自动化 56 工作原理 在轴承内圆柱面上等间隔地开几个油腔 各油腔之间开有回油槽 用过的油一 部分从这些回油槽回油箱 另一部分则由两端回油箱 油腔与回油槽之间以及油腔的两端为封油面 液压泵供给的一定压强的油 经节流器降压后进入各油腔 将轴颈推向中央 油然后经封油面 油压降低到零 流回油箱 这样 不论轴颈是否转动 在轴颈与轴承之间 都由具有油压的润滑油充满 使两摩擦面分隔开 得到液体摩擦 现代制造装备及自动化 57 固定节流器 刚度低 用于轻载或载荷变化不大的地方 可变节流器 用于重载 载荷变化大的场合 静压轴承设计的关键是节流器的选择 节流器必须工作灵敏 不易堵塞 便于制造 常用的有固定节流器和可变节流器 注 由于静压轴承需要一套供油设备 成本高 所以能用动压轴承的场合尽量采用动压轴承 只有动压轴承满足不了要求时 方用静压轴承 现代制造装备及自动化 58 5 7主轴组件的计算 初选直径 选择主轴的跨距 初步结构设计 验算 结果 修改 现代制造装备及自动化 59 磨床 因载荷对称 前 后轴颈相等 中段较粗 前轴颈 可根据主电动机功率进行选取 如下表 一 主轴直径的初选 根据统计资料 初步选择主轴的直径 一般主轴是阶梯形的 车 铣 镗 因装配需要 主轴直径前 后逐渐减少 现代制造装备及自动化 60 缩短悬伸量 可明显提高主轴组件的刚度和抗振性 所以设计时应努力缩短悬伸量 主轴悬伸量取决于主轴端部的结构形状和尺寸 工件或刀具的安装方式 前轴承的类型及组合方式等 可采取下列措施减少悬伸量a 采用短锥法兰式的主轴端部结构 成对安装的圆锥滚子轴承 应采取滚锥小端相对形式角接触球轴承 背对背 提高刚度 二 主轴悬伸量的确定 主轴悬伸量a 主轴前端面到前支承径向支反力作用点之间的距离 现代制造装备及自动化 61 主轴组件的端部作用力F时 1 设轴承为刚性支座 主轴为弹性体 主轴在力F作用下产生挠度 s 三 主轴最佳跨距的选择 主轴的跨距 前 后轴承间的距离 直接影响主轴组件的刚度 2 主轴为刚性体 轴承为弹性体 主轴在力F作用下产生挠度 z 由叠加原理 主轴端部总挠度 现代制造装备及自动化 62 1 主轴为弹性体 直接由材料力学得到 2 主轴为刚性体 设前后支承的刚度为KA和KB 支反力为RA和RB 前后支承变形为 A和 B 由变形协调条件 现代制造装备及自动化 63 则主轴端部的总挠度 由最小挠度条件 可求得最佳跨距为 现代制造装备及自动化 64 则 现代制造装备及