第三章主轴支承件.ppt

一、主轴组件设计基本要求,主轴组件（或主轴轴系）是机电一体化产品主要装置之一，其主要作用是支承带动旋转件（工件、刀具等）传递转矩和运动。主轴组件组成：轴、轴承、传动件、密封件、定位件等。,1、回转精度用径向跳动、端面跳动、轴向窜动的大小即误差表示,影响回转精度的因素：加工误差、装配误差、受力变形、滚动体误差等,径向漂移,角向漂移,轴向漂移,2、刚度,在外加负载作用下，主轴抵抗变形的能力。定义式为：,静态外力,转矩,或,刚度不足的不良影响,影响加工精度,影响传动质量,影响工作平稳性,形位精度,表面粗糙度,3.8主轴组件设计,3、抗振性,产生原因,强迫振动：外部引起，如联接方式、受力方向、运动均匀性等,自激振动：在工作过程中本身引起并维持,4、热变形,热变形表示,温升,位置变化量,5、耐磨性,即长期保持原始制造精度的能力,回转精度好，标志着静态工作精度好,抗振性、热变形小，标志着动态工作精度好,耐磨性好，标志着精度保持性好,二、主轴组件结构设计,1、结构要求,主轴的可靠定位，工件装夹定位可靠,保证长期可靠运转,结构工艺性好，拆装方便,2、结构布局,主轴前后支承间的跨距,跨距是决定主轴组件刚度的重要因素之一主轴端部位移（挠度）y由两部分组成：y1:弹性主轴位移（刚性支承）y2:刚性主轴位移（弹性支承）,其中：为两支承间的截面惯性矩为悬伸部分的截面惯性矩K1、K2分别为前、后支承的刚度,图3-62,提高主轴刚度的措施,合理选择L/a,增大轴的直径,缩短主轴悬伸长度a,提高轴承刚度,主轴上传动件的布置,图a:主轴前端受切削力Fc后端受传动力Ft，前端变形不能抵消,图b:主轴前端受切削力Fc和传动力Ft，前端变形部分抵消,图c、d:主轴前端受切削力Fc,两支承间受传动力Ft,力同向，前支承承载大,力反向，前支承受力小,图3-63,主轴上传动件一般装在主轴支承之间，如图c、d为了减少弯曲和扭转变形，传动件尽量靠近主轴前支承处；当有两个传动件时，传递转矩大的更应靠近主轴前支承。,三、几种典型的主轴配置形式,1、速度型,角接触球轴承具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，因而适用于高速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速CNC车床等。,2、刚度型,适应于中等转速、切削负载较大、刚度要求高的主轴,该类主轴轴径大，主轴刚度高,前支承采用,双列短圆柱滚子轴承径向载荷,60角接触双列调心推力球轴承轴向载荷,后支承采用：双列短圆柱滚子轴承,这种轴承配置的主轴部件，适用于中等转速和切削负载较大，要求刚度高的机床。如数控车床主轴、镗削主轴单元等。,该图是采用圆锥滚子轴承的主轴部件，结构比采用双列短援助滚子轴承简化，承载能力和刚度比角接触球轴承高。但是因为圆锥滚子轴承发热大、温升高，允许的极限转速要低些。适用于载荷较大、转速不太高的普通精度的机床主轴。,3、速度刚度型,适用于径向刚度好、并有较高的转速场合,该类主轴动力从后端传入,前支承采用：角接触推力球轴承,后支承采用：双列短圆柱滚子轴承承受较大传动力,图3-66,前轴承的配置特点是：外侧的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要的轴相力；第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承跨，以提高承受颠覆力矩的刚度。如卧式铣床的主轴要求径向刚度好、有较高转速。,返回,4、三支承主轴,当主轴长度较大大时，增加中间支承（第三支承）有利于提高刚度和抗振性。,矛盾：受制造工艺限制，三个支承座孔中心完全一致是困难的,解决方法：采用两个支承（其中一个为前支承）起主要作用，另一个支承（为中间支承或后支承）起辅助作用即浮动状态。,图3-67,辅助支承选用：刚度和承载能力较小的轴承，且外圈与支座孔的配合比主要支承松12级。,前、中支承为主要支承：传动力对主轴作用点靠近中支承,前、后支承为主要支承：传动力对主轴作用点靠近后支承,统计表明：80%以上的三支承主轴采用前、中支承为主要支承,三支承主轴虽然提高主轴组件的刚度，但增加了零件，并使支座孔的加工困难，应尽量少采用。,四、其他形式主轴,1.密珠主轴,图3-67小模数渐开线齿形仪轴系,图3-68精密分度头主轴系统,2.液体静压主轴,图3-69磁盘车床主轴系统,主轴轴向串动0.2um,3.气体静压主轴,图3-70空气静压转台双半球主轴系统,球的形状误差在亚微米级，空载回转精度0.01um,图3-71美国超精密车床球轴承主轴组件,转速为200r/min时，主轴径向摆振0.03um，轴向串动0.01um，径向刚度25N/um，轴向刚度80N/um，用金刚石刀具加工铝和紫铜零件时可以获得表面最大不平度高度为0.010.02um的镜面。,五、提高主轴组件性能的措施,提高精度。控制温升、提高转速、减小热变形改善动态特性使主轴组建的固有频率避开激振频率调整前轴承的阻尼采用三支承采用消振装置,3.9支承件设计,支承件：床身、立柱、横梁、底座、刀架、工作台、箱体等一、支承件设计要求有足够的刚度足够的抗振性具有较小的热变形和热应力耐磨性结构工艺性,支承件的静刚度和形状选择原则,支承件变形：自身变形、局部变形、接触变形自身刚度：拉压、弯曲、扭转。（材料、形状、尺寸、肋板的布置）局部刚度：发生在载荷集中地方（如导轨），接触刚度：和自身刚度、局部刚度有关；,支承件的设计原则,选择有利的截面形状空心结构比实心结构的刚度大，可加大横截面。采用圆截面提高抗扭刚度，采用正方形提高抗弯刚度。采用封闭截面，提高抗扭刚度设置隔板和加强筋提高连接处的局部刚度和接触刚度提高阻尼：改善抗振性,封闭整体箱形结构,隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板,从而使整个支承件承受载荷,提高支承件的自身刚度,“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上,“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著,“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多,斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易,措施3增加导轨与支承件的连接部分的刚度,提高刚度的措施,连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力,称为支承件的连接刚度.,措施4增加机床各部件的接触刚度和承载能力,提高刚度的措施,采用刮研的方法增加单位面积上的接触点在结合面之间施加足够大的预加载荷,增加接触面积,合理的结构布局,提高刚度的措施,合理的结构布局,提高刚度的措施,采用补偿变形的措施,提高刚度的措施,测出受力点的相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律，就可采取补偿变形的方法消除受力变形的影响,合理选用构件的材料,措施1床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接增加刚度、减轻重量、提高抗振性,提高刚度的措施,铸件:容易获得复杂结构的支承件,铸铁的内摩擦力大,阻尼系数大,振动的衰减性能好,成本低.铸件的周期较长,需做木型模,易产生缩孔、气泡等缺陷,焊接件:钢材的强度比铸铁高，质量可比铸件减轻20%-50%，不需要木模和浇注，生产周期短，不易出现废品,措施2采用封砂床身结构,提高刚度的措施,在铸件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力,人造大理石床身（混凝土聚合物）,措施3采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料,提高刚度的措施,天然大理石床身,提高刚度的措施,2、减少机床的热变形,（1）产生热变形的原因：,内外热源的影响不能人工修正热变形误差,（2）减少热变形的措施：,减少发热将热源从主机中分离出去,措施1主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速减少传动轴和传动齿轮数量减少主传动箱内的发热量,进行热变形补偿,措施2采用低摩擦系数的导轨和轴承采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承,减少热变形的措施：,控制温升,通过散热的方法,改善机床结构,措施1采用对称设计,措施2使