第三章+主轴组件设计

1、机械制造装备设计,第,三,章,主轴组件设计,2020,年,4,月,5,日,主轴组件设计,主轴组件,包括,主轴、支承轴承、传动件、定位元件、密封件,功用,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，完成表面成形运动,一、主轴组件应满足的基本要求,基,本,要,求,旋,转,精,度,刚,度,抗,振,性,温,升,和,热,变,性,精,度,保,持,性,主轴组件设计,旋转精度,旋转精度,指主轴装配后，在空载、低速转动状态下，安装刀具,或工件的主轴部位的径向跳动和轴向跳动,旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔的制造、装配和调整精度,主轴组件的旋转精度直接影响工件的加工精度,主轴组件设计,2,刚度,刚度,

2、指主轴组件在外载荷作用下抵抗变形的能力,刚度的量化,以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移,方向所施加的作用力大小来表示,当主轴外伸端受径向作用力,F,主轴受力方向上的弹性位移,为,时，其刚度,K,的表达式为,K,F,N,m,主轴组件设计,1,静刚度,主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力，表,示为,K,j,F,j,j,2,动刚度,主轴组件在交变载荷作用下抵抗变形的能力，表,示为,K,d,F,d,d,主轴组件的刚度受主轴的尺寸和形状，滚动轴承的类型、数量,预紧和配置形式，传动件的布置方式，主轴组件的制造精度和装配,质量等因素影响,主轴主件的刚度不足直接影响零件的加工精度和机床,的性能,主轴组

3、件设计,3,抗振性,抗振性,是指机床在额定载荷切削时，主轴组件抵抗受迫振动,和自激振动的能力,在切削过程中，主轴部件受到静态力的作用，也受到冲击力和,交变力的作用而产生振动。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,主轴振动直接影响工件的表面加工质量和刀具的使用,寿命，并产生噪声,主轴组件设计,4,温升和热变形,热变形,是主轴组件运动时，各相对运动处的摩擦，切削区的,切削热等使主轴组件的温度升高，造成形状、尺寸及位置变化,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,主轴组件设

4、计,5,精度保持性（耐磨性,精度保持性,指主轴组件长期保持其原始制造精度的能力,明确,主轴组件丧失原始制造精度的原因磨损,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,精度保持性决定于主轴组件的耐磨性能。影响耐磨性的因素有,主轴、轴承的材料、热处理方法、轴承类型及润滑防护措施等,精度保持性影响机床使用寿命内的加工精度和工作,稳定性,主轴组件设计,二、主轴滚动轴承,1,滚动轴承的特点,滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作,滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧（有一定过盈量）的条件,下工作。故滚动轴承的摩擦系数小，有利于减小发热,滚动轴承润滑容易，可以用油脂，一次填装可用到修理

5、时再,换脂。如用油润滑，单位时间用油量也比滑动轴承少,滚动轴承由轴承厂生产，质量稳定，成本低，经济性好,滚动轴承的缺点,滚动轴承的滚动体数量有限，其径向刚度是变化的，易引起振,动，阻尼低，振幅较大。滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大,主轴组件设计,2,选择滚动轴承选择的基本原则,1,转速较高，负载不大，而旋转精度要求较高，采用球轴承,2,转速较低，负载大或有冲击负载，采用滚子轴承,3,径向载荷和轴向载荷都较大时，如果转速高，采用角接触球,轴承。如果转速不高，采用圆锥滚子轴承,4,轴向载荷比径向载荷大得多，但转速较低时，采用两种不同,类型的轴承组合，分别承受轴向和径向负载,5,径向载荷比轴向载荷大得

6、多，且转速较高，采用深沟球轴承,6,支承刚度要求较高时，可采用成对角接触型轴承,主轴组件设计,3,角接触球滚动轴承组合安装,机床主轴常选用,背靠背组合”，为什么,背靠背组合,使轴承的接触线与轴线的交点间距大，抵抗弯,曲变形的支反力矩大，支承刚度比,面对面组合,高，应用广泛,主轴组件设计,4,陶瓷滚动轴承,1,特点,与钢轴承相比具有,高速下重量轻，作用在滚动体上的离心,力较小，压力和滑动摩擦小,滚动体热膨胀系数小，温升较低,轴承在运转中预紧力变化缓慢，运动平稳,弹性模量大，轴承的,刚度增大,2,陶瓷轴承的应用,陶瓷钢混制轴承,其滚动体和外圈采用不同材料，运转时分子,亲合力很小，摩擦系数小，有一定

7、的自润滑性能，可在供油中断的,无润滑时正常工作。适用于高速、超高速、精密机床的主轴组件,全陶瓷轴承,适用于耐高温、耐腐蚀、非磁性、电绝缘、要求,减轻重量和超高速场合,主轴组件设计,5,磁悬浮轴承（磁力轴承,磁悬浮轴承,是利用磁力来支承运动部件，使其与固定部件脱,离接触来实现轴承功能,磁悬浮轴承的特点,无机械磨损，运转无噪声，温度低，能耗小；不需要润滑,不污染环境；能在超低温、高温、真空、蒸气腐蚀性环境中正常工,作,磁力轴承主轴可以自适应控制，通过监测定子线圈电流,加工精度高。特别适用于高速、超高速加工,灵敏地控制切削力，并可通过检测切削力微小变化来控制机械运动,主轴组件设计,三、主轴,1,主轴

8、的结构,主轴的结构,取决于主轴上安装的刀具、夹具、工件、传动件,轴承的类型、数量、位置和安装定位方法,主轴前端形式,取决于机床的类型和安装夹具或刀具的形式,通用机床已有标准化的形式,主轴整体结构,是空心阶梯轴，外径从前端到尾部逐渐减小,主轴组件设计,2,主轴的材料及热处理,主轴的选材依据：载荷类型、耐磨性、热处理方法,1,普通机床主轴,采用,45,或,60,优质结构钢。在主轴支承轴颈,及装卡刀具的定位基面进行局部高频淬火，提高耐磨性，硬度为,5055HRC,如,40Cr,20Cr,进行高频淬火或渗碳淬火，提高耐磨性，硬度,5265HRC,3,主轴材料的攻关点,怎样减小高速、高效、高精密机床主轴

9、,的热变形、振动,已诞生的新型材料有玻璃陶瓷材料,2,精密、大载荷、有冲击的机床主轴,采用中碳或低碳合金钢,主轴组件设计,3,主轴的技术要求,1,满足主轴旋转精度要求,主轴前后轴承轴颈的同轴度,锥孔相对于前后轴颈中心连接线,的径向跳动,定心轴颈及其定位轴肩相对于前,后轴颈中心连线的径向和轴向跳动等,2,其它性能要求,表面粗糙度，表面硬度等,主轴组件设计,四、主轴组件的传动方式及结构设计,1,传动方式,齿轮传动、带传动、同步齿形带传动、电动机直接驱动,1,齿轮传动,轮齿的啮合传动，结构简单、紧凑；能传递较,大的扭矩，适应变转速、变载荷工作,不足,线速度需,1215m/s,且不如带传动平稳,2,带

10、传动,靠摩擦力传递动力。结构简单，皮带有弹性可吸,振，传动平稳，噪声小；过载时打滑，具有过载保护作用。适用于,中心距较大的两轴间传动,不足,传动速比不够准确,主轴组件设计,3,同步齿形带传动,通过带上的齿与带轮上的轮齿传递传动,此传动无相对滑动，传动比大且准确，传动精度高；可传递较,大动力，传动平稳；不需特别张紧，对轴和轴承压力小，传动效率,高；不需润滑，耐腐蚀，耐高温,不足,制造工艺复杂，安装条件高,4,电动机直接驱动,对于转速小于,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,对于转速小于,8000r/min,的轴，采用变频调速电动机直接驱动,主

11、轴组件设计,2,结构设计,1,主轴的支承数目,1,前、后两个支承,结构简单，制造方便，应用广泛。为提高,刚度，前后支承应消除间隙或预紧,2,三个支承,前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承,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心度要求较高，制造装配较复杂,要求“主”支承应该消除间隙或预紧，“辅助”支承应保留一定的,径向间隙或选用较大游隙的轴承。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,主轴组件设计,2,主轴轴向定位,推力轴承在主轴前后支承的配置形式,它影响主轴的刚度、热变形,方向和大小,前端配置（前端定位,指推力轴承布置在前支承处,主

12、轴轴向定位,指为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度,该配置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,用于轴向精度和刚度要求较,高的高精度机床或数控机床,主轴组件设计,后端配置（后端定位,推力轴承布置在后支承处,主轴前支承处轴承较少，发,热少，温升低；但主轴受热后向,前伸长，影响轴向精度,常用于轴向精度要求不高的普通机床，如立铣、多刀车床,两端配置（两端定位,推力轴承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。故需采用弹簧,消除间隙和补偿热变形,常用于较短主轴或轴向间隙变化不影响正常工作的机床。如组,合机床主轴,主轴组件设计,3,

13、传动件的轴向布置,布置原则,应使由传动力引起的主轴弯曲变形小，引起主轴前端,在影响加工精度的敏感方向上的位移小,方法,传动件轴向布置尽量靠近前支承，有多个传动件时，最大,传动件应靠近前端,传动件在前支承内侧,齿轮在两支承,中间靠近前支承。前支承直径大，刚度,高，大齿轮靠前可减少主轴的弯曲变形,而且转矩传递长度短，扭转变形小，使,用最普遍,主轴组件设计,传动件在前支承外侧,齿轮在,主轴的前悬伸端,用于具有大转盘,的机床，如,立式车床、镗床,传动件在后支承外侧,传动件,放在主轴的后悬伸端，使前后支,承获得较好的支承跨距,多用于,主轴的带传动。使更换传动带方,便，防止油液的侵蚀,主轴组件设计,五、主轴主要尺寸参数的确定,1,前支承轴颈,D,1,主轴直径越,大其刚度越大，主轴组件尺寸越,大,在保证主轴组件刚度的同时,尽量减小轴颈,D,1,的尺寸,按机床类型、主传动功率或主参,数查表计算确定,2,主轴内孔直径,d,内孔直径,d,与主轴的用途有关,在保证主轴,刚度的同时，参考主轴直径和刀杆直径确定,d,3,主轴前端悬伸量,a,取决于主轴端部的结构、前支承轴承的配