典型部件设计PPT演示课件

3.1主轴部件设计3.2支承件设计3.3导轨设计3.4机床刀架和自动换刀装置设计,第三章典型部件设计,3.1主轴部件设计,3.1.1主轴部件应满足的基本要求3.1.2主轴部件的传动方式3.1.3主轴用滚动轴承3.1.4主轴用滑动轴承3.1.5主轴部件结构设计,2,主轴组件的组成,大多数机床都具有主轴组件有的机床有一个主轴组件有的有多个，如磨床、组合机床组成主轴、支承轴承、传动件、定位元件、紧固件、密封件等。,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,3,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,机床的主轴箱是一个比较复杂的部件，在分析主轴箱中各传动件的结构和装配关系时，一般采用展开图。图为CA6140型普通车床的主轴箱展开图，它是按主轴箱中各传动轴传递运动的先后顺序，沿其轴心线剖开，并将其展开在一个平面上而形成的图。展开图反映了各传动件(轴、齿轮、离合器等)的传动关系、各传动轴有关零件的结构形状、装配关系和尺寸以及主轴箱体有关部分的轴向结构和尺寸。,主轴组件的组成,4,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,要清楚表示出主轴箱内各传动件的空间位置关系，仅有展开图是不够的，还须有必要的向视图和剖面图。图为CA6140型普通车床主轴箱的一个向视图和一个剖面图。,主轴组件的组成,5,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,主轴组件:主轴的结构CA6140型普通车床的主轴是一个空心的阶梯轴，主轴的内孔可用来通过棒料，拆卸顶尖，也可用于通过气动、电动或液压夹紧装置的机构。主轴前端的锥孔为莫氏6号锥度，用来安装前顶尖或心轴，主轴后端的锥孔为工艺孔。,6,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,主轴的前端采用短圆锥法兰式结构，用来安装卡盘或拨盘，如图所示。主轴前端的短圆锥面是安装卡盘或拨盘的定位面，法兰上凹形孔中的端面键用来传递转矩。安装拨盘或卡盘时，首先通过双头螺柱5及螺母6将拨盘或卡盘4和卡口垫(锁紧盘)2连接，再用螺钉1固定卡口垫(锁紧盘)。主轴前端的这种结构有利于提高主轴组件的刚度，且装卸卡盘或拨盘方便，工作可靠，定心精度高，所以得到了广泛的应用。,7,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,主轴的支承。近年来，CA6140型普通车床的主轴组件已由原来的三支承结构改为两支承结构，这种结构不仅可以满足刚度和精度方面的要求，而且使结构简化，降低了成本。主轴的前支承是P5(旧标准D)级精度的NN3021K（旧标准3182121)型双列短圆柱滚子轴承，用于承受径向力。这种轴承具有刚性好、精度高、承载能力大等优点。轴承的内环很薄，而且与主轴的配合面有1:12的锥度，因此当内环与主轴有相对位移时，内环产生径向弹性膨胀，从而调整了轴承径向间隙或预紧的程度。调整妥当后用螺母锁紧。为了减小振动，提高加工精度，在主轴前支承外安装了阻尼套筒。套筒由内、外套组成，内套与主轴一起转动，外套固定在主轴箱前支承座上，内、外套之间有0.2mm的径向间隙，并充满润滑油。主轴的后支承是由一个P5(旧标准D)级精度的向心推力球轴承和一个P5(旧标准D)级精度的推力球轴承组成，分别承受两个方向的轴向力和径向力。后支承的两个轴承也需要调整间隙和预紧力，推力球轴承需调整轴向间隙，向心推力球轴承需调整径向间隙。两个轴承的调整由后部的螺母同时进行，具体的调整方法和前支承一样。主轴前后支承的润滑都是由油泵供油，润滑油通过进油孔对轴承进行充分的润滑，并带主轴前后两端采用了油沟式密封,油沟为轴套外表面上锯齿形截面的环形槽。主轴旋转时，由于离心力使油液沿着斜面被甩回，经回油孔流回箱底，最后流回到床腿内的油池中。,8,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,主轴上的传动齿轮。主轴上共装有三个齿轮.右端的斜齿圆柱齿轮空套在主轴上。采用斜齿轮传动可以使主轴的运动比较平稳，而且由于在传动时该齿轮作用在主轴上的轴向分力与切削力的轴向分力方向相反，还可以减少后支承推力轴承所受的轴向载荷。主轴上中间的齿轮可以在主轴的花键上滑移，共有三个位置。当该齿轮在中间位置时.主轴空挡，此时可以用手转动主轴来测扭主轴的旋转精度及装夹找正工件;当该齿轮在右边位时.通过内齿离合器与斜齿轮连在一起，使主轴得到18种中、低转速;当该齿轮处于左位时，运动由第三轴直接传给主轴.使主轴得到6种高转速。主轴上左端的齿轮固定在主轴上，用于将运动和动力传给进给传动链。,9,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,主轴组件机床的执行件功能：支承并带动工件或刀具，完成表面成型运动;传递运动和转矩;承受切削力和驱动力等载荷;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。,静态、动态和热态特性直接影响加工质量转速影响机床的切削生产率机床的一个重要部件,10,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,主轴和传动轴的共同点两者都传递运动、转矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工作条件。不同点主轴直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动。,主轴组件有较高的要求,11,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,在结构上：解决工件或刀具在主轴上的定位和装夹主轴与轴承以及轴承与支承座孔的定位和装夹；主轴轴承的润滑与密封以及轴承间隙的调整等问题。,工艺上：便于制造、装配、调整和维修。在使用上：有与机床相匹配的旋转精度、刚度、动态和热态特性、耐磨性等要求,主轴组件共同点,12,各类机床的主轴组件都要保证主轴在一定的载荷与转速下能带动工件或刀具精确而可靠地绕其旋转中心线旋转并能在其额定寿命期内稳定地保持这种性能。,总要求,基本要求,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,耐磨性,13,3.1.1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手动或低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动、端面跳动和轴向窜动值。,当主轴以工作转速旋转时，与低速相比，其旋转精度是不同的，对于精密和高精密机床是不能忽略的。此时，还应测定机床在工作转速时的旋转精度，称为运动精度。,旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔的制造、装配和调整精度。运动精度还取决于主轴转速、轴承的设计和性能以及主轴部件的动态性能。,旋转精度直接影响工件的加工精度-几何精度和表面粗糙度,14,我国已有通用机床统一的检验标准主轴组件工作质量的最基本的指标是机床的一项主要精度指标,旋转精度,当主轴以工作速度旋转时，主轴回转轴线的漂移。运动精度还取决于主轴的转速、轴承的设计和性能以及主轴组件的动态特性。,运动精度：,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,15,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,2刚度：指主轴部件承受外载荷时抵抗变形的能力，刚度的倒数也称为柔度。,刚度常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向施加的作用力表示。,当主轴外伸端受径向作用力F,受力方向上弹性位移为时，则刚度K为：,16,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,1）静刚度主轴部件在静载荷作用下，抵抗变形的能力，表示为：Kj=Fj/j。,2）动刚度主轴部件在交变载荷作用下，抵抗变形的能力，表示为：Kd=Fd/d。,主轴部件的刚度受主轴的尺寸和形状，滚动轴承的类型、数量、预紧和配置方式、传动件的布置方式、主轴部件的制造精度和装配质量等影响。,主轴部件的刚度不足，直接影响加工精度和机床性能。,17,3）扭转刚度,在主轴工作端的静扭矩T的作用下，主轴工作端产生扭转角，L为扭矩T的作用距离，扭转刚度Kt=TL/Nm2rad一般保证了主轴刚度的主轴，则扭转刚度基本上也能保证。对承受扭矩为主的主轴（如立钻），则对扭转刚度应给予足够的重视。,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,18,刚度不足，影响机床的加工精度、传动质量及工作的平稳性。,如外圆磨床主轴刚度不足时，在磨削力作用下主轴变形到位置2，砂轮母线偏移，使被加工表面上出现螺旋形花纹，降低了加工表面的质量。,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,19,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,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。,理论分析和试验结果表明，影响主轴部件抗振性的主要因素是主轴部件的静刚度、阻尼特性和固有频率等。刚度和阻尼比越大越不容易产生振动。,振动直接影响工件的表面加工质量和刀具使用寿命，并产生噪声。,切削过程中，主轴部件受到静态力作用，也受到冲击力和交变力的干扰而产生振动。冲击力和交变力是由材料硬度不均匀、加工余量的变化、断续切削、主轴部件不平衡、轴承或齿轮存在缺陷以及切削过程中的颤振等引起。,20,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,4温升和热变形：主轴部件工作时，由于各相对运动处的摩擦和搅油等耗损而产生热量，切削区的切削热等，出现温升。温升使主轴部件的形状尺寸和位置发生变化（畸变），称之为热变形。,影响主轴部件温升、热变形的主要因素是轴承的类型和布置方式；轴承预紧力大小；润滑方式和散热条件等。,热变形会引起轴承间隙变化，润滑油粘度降低，影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。,21,用滑动轴承，主轴轴承温度不得超过60，对特别精密的机床不得超过室温10.滚动轴承：,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,22,指主轴组件长期保持其原始制造精度的能力。,主轴组件丧失原始精度的原因磨损。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。,5.精度保持性,精度保持性决定于主轴组件的耐磨性能。对耐磨性影响较大的因素有主轴、轴承的材料、热处理方法、轴承类型及润滑防护措施。,3.1.1主轴部件应满足的基本要求,23,3.1主轴部件设计,3.1.1主轴部件应满足的基本要求3.1.2主轴部件的传动方式3.1.3主轴用滚动轴承3.1.4主轴用滑动轴承3.1.5主轴部件结构设计,24,3.1.2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。缺点：是线速度不能过高，通常小于1215m/s，不如带传动平稳。,齿轮传动、带传动、同步齿形带传动、电动机直驱传动,2带传动靠摩擦力传动、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。过载中会打滑，能起到过载保护作用。缺点：传动比不够准确。,25,3.1.2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同步齿形带,通过带上的齿与带轮上的轮齿传递运动和动力。,26,3.1.2主轴部件的传动方式,4.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。,27,转速小于3000r/min的主轴，采用异步电动机和联轴器直接驱动主轴。如高速内圆磨床的磨头。转速小于8000r/min的主轴，采用变频调速电动机直接驱动。,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扭矩；便于组织专业化生产。广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。,3.1.2主轴部件的传动方式,28,3.1主轴部件设计,3.1.1主轴部件应满足的基本要求3.1.2主轴部件的传动方式3.1.3主轴用滚动轴承3.1.4主轴用滑动轴承3.1.5主轴部件结构设计,29,3.1.3主轴滚动轴承,轴承是主轴部件中最重要的组件。轴承的类型、配置、精度、安装、调整和润滑等都直接影响主轴部件的工作性能。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。主轴轴承分为滚动轴承和滑动轴承，在使用中，应根据主轴部件的工作性能要求、制造条件和经济效益中和考虑，合理选用。,30,3.1.3主轴滚动轴承,一.常用滚动轴承类型,（1）角接触球轴承：接触角,接触角=0，深沟球轴承,接触角045，角接触球轴承,接触角452.5,81,3.1.5主轴部件结构设计,4主轴主要尺寸参数确定,（4）主轴跨距L的确定,受力后，轴端弹性变形y=y1+y2,支承为刚体，主轴弹性变形y1,支承为弹性变形，主轴刚体y2,各当主轴部件的D，a，前后支承刚度一定时，必存在一个能使主轴轴端挠度y=ymin的跨距L0最佳跨距。,82,3.1.5主轴部件结构设计,4主轴主要尺寸参数确定,（3）主轴前端悬伸量L的确定,1)L合理(45)D12)L合理(35)a，用于悬伸长度较小时，如车床、铣床等。3)L合理(12)a，用于悬伸长度较大时，如镗床、内圆磨床等。,83,（1）主轴部件的支承数目前、后两个支承结构简单，制造装配方便，容易保证精度，应用广泛。为提高主轴部件的刚度，前后支承应消除间隙或预紧。三个支承有前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；有前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承，其应用较多。以提高刚度和抗振性能，但是制造装配较复杂。,3.1.5主轴部件结构设计,对于三支承：“主”支承应消除间隙或预紧，“辅”助支承应保留一定的径向间隙或选用较大游隙的轴承。避免发生干涉，恶化主轴的工作性能，使空载功率大幅度上升。,5主轴部件结构设计,84,3.1.5主轴部件结构设计,（2）推力轴承位置配置型式,两个方向的推力轴承都布置在前支承外。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。,两个方向的推力轴承配置在前支承的后侧。这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，温升也可能较高。,两个方向的推力轴承都布置在后支承处。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、多刀车床等。,两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。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。常用于短主轴，如组合机床主轴。,5主轴部件结构设计,后端配置,前端配置,中间配置,两端配置,85,3.1.5主轴部件结构设计,（3）主轴传动件位置的合理布置,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；,传动件放在主轴前悬伸端，主要用于具有大转盘的机