第三章主轴组件设计56

1、机械制造装备设计,第,3,章,主轴组件设计,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,?,3.1,主轴组件的基本要求,?,3.2,主轴轴承的选择与配置,?,3.3,主轴,?,3.4,主轴组件的计算,?,3.5,提高主轴组件性能的措施,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.1,主轴组件的基本要求,旋转精度,?,静刚度,?,抗振性,?,热变形,?,耐磨性,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,1,旋转精度,?,主轴的旋转中心线,:,主轴作旋转运动时线速,度为零的点的连线称。,?,在理想状态下，该线即为主轴的几何中心线，,其,位置是不随时间而变化的,。,?,旋转误差,:,由于,制造,和,装配等误差,的

2、影响，主轴旋转时，,该线的空间位置每时每刻都在发生着变化。,瞬时旋转中心线相对于理想旋转中心线在空,间位置上的偏差，即主轴旋转时的瞬时误差,（,旋转误差,）,其范围就为主轴的,旋转精度,.,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,1,旋转精度,主轴组件的旋转精度,:,是指专机在空载低,速转动时，在主轴前端定位面上测得的,径向圆跳动、端面圆跳动,和,轴向窜动,值,的大小。,?,动态的旋转精度,:,主轴组件的旋转精度是在静态无载条件,下测出的。如果在工作条件下，则旋转,精度就会有所不同，这种精度称为运动,精度。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,?,影响主轴组件旋转精度的因素,轴承精度和间隙,?

3、,与轴承相配合零件（箱体、主轴本身）,的精度,?,轴承安装、调整,?,运动精度,?,主轴转速,?,轴承组合设计,?,轴承的性能,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,?,?,?,2.,静刚度,静刚度简称为刚度。,定义：,?,主轴组件的刚度是指在外加载荷作用下抵抗变,形的能力。,指在主轴工作端部作用一个静态力,F,（或扭矩,M,）,时，,F,与主轴在,F,作用方向上所产生的变形,y,之比,?,根据作用力：,?,?,?,径向刚度,轴向刚度,扭转刚度,?,对于大多数专机来说，主轴的径向刚度是,主要的。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,影响主轴组件刚度的主要因素,主轴的结构型式及尺寸,?,轴承的类型

4、、配置及预紧,?,传动件的布置方式,?,主轴组件的制造与装配质量,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3,抗振性,主轴组件的抗振性：指机器工作时主,轴组件抵抗振动、保持主轴平稳运转,的能力。,?,主轴组件的振动的影响：,?,?,工件的表面质量,?,刀具的耐用度,?,主轴轴承的寿命,?,还会产生噪声而影响工作环境。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,4,热变形,主轴组件的热变形,：是指机器工作时，,因各相对运动处的,摩擦,和,搅油,等耗损而,发热造成的温差，使主轴组件在形状和,位置上产生的畸变。,?,主轴组件的热变形的影响：,?,?,使主轴伸长,?,使轴承的间隙发生变化,?,轴心位置偏移等

5、,?,润滑油温度升高后，使黏度下降，从而降,低轴承的承载能力。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,影响主轴组件温升和热变形的主要因素,轴承的类型、配置方式和预紧力的大小,?,润滑方式,?,散热条件,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,一般规定，使用滑动轴承时，主轴轴承温,度不得超过60，对于高精度机床不得超,过室温10。滚动轴承的允许温度可参阅,表,3,1(,在室温为20的条件下）。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,?,5,耐磨性,主轴组件的耐磨性：,是指长期地保持其,原始制造精度的能力，即精度的保持性。,?,滑动和滚动轴承的磨损的影响：,使主轴组件丧失了原有的运转精度，而,且将降低

6、刚度和抗振性，因此必须保证,这些部分的耐磨性和具有调整的可能性。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,?,影响耐磨性的主要因素,主轴、轴承的材料与热处理,?,轴承（或衬套）类型,?,润滑方式,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,?,3.2,主轴轴承的选择与配置,3.2.1,主轴滚动轴承的类型,?,3.2.2,主轴滚动轴承的配置型式,?,3.2.3,滚动轴承的刚度确定,?,3.2.4,滚动轴承间隙的调整和预紧,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.2.2,主轴滚动轴承的配置型式,主轴轴承的选择和配置取决于,承受,载荷,的大小、方向及其性质，,转速,大小，精度高低等因素。,?,承载能力和疲劳寿命

7、不是选择主轴,轴承的主要依据。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.2.2,主轴滚动轴承的配置型式,?,载荷较大,转速较高时，采用,双列圆柱滚子轴承,和接触角为,60,的,双向推力角接触球,轴承组合,?,转速为中、低速时，,采用双列圆柱滚子,轴承和深沟球轴承,或圆锥滚子轴承的,组合,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.2.2,主轴滚动轴承的配置型式,?,载荷中等,转速较高时，采用,双列圆柱滚子轴承,和角接触球轴承的,组合或采用前后支,承都是角接触球轴,承的组合,?,转速为中、低速时，,可采用两个圆锥滚,子轴承做前后支承,轴承,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.2.2,

8、主轴滚动轴承的配置型式,?,载荷较小,转速较高时，可采,用前后支承都是单,列角接触球轴承的,组合，如果要提高,轴向刚度可每个支,承并列两个轴承,?,转速为中、低速时，,可采用深沟球轴承,和推力球轴承的组,合,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.2.3,滚动轴承的刚度确定,?,滚动轴承的刚度一般是指径向刚度。,?,径向刚度,:,轴承的径向载荷与径向位,移之比值。,?,径向位移包括轴承本身的弹性位移,和轴承环与主轴轴颈及箱体孔的配,合表面间的接触变形。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.2.4,滚动轴承间隙的调整和预紧,滚动轴承具有合适的间隙或过盈量。,?,因此，主轴组件中应设有间隙

9、调整机,构，以保证主轴轴承保持合理的间隙,或过盈量。,?,主轴轴承在装配时要进行预紧、调整,间隙的必要性,?,要求：力求调整方便、可靠。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,常见的滚动轴承间隙调整的结构：,1.,对于带锥孔的双列圆柱滚子轴承,（,NN3000K ),?,移动轴承内圈使内圈产生径向弹性变形,来调整轴承的间隙或过盈量。,2.,对于角接触轴承,?,通过使其内、外圈产生相对位移来实现,间隙调整的。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,?,3.3,主轴,3.3.1,主轴的结构,?,3.3.2,主轴的技术要求,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.3.1,主轴的结构,?,在一般情况下

10、，轴的设计取决于,刚度,，,而不是其机械强度。,?,主轴的,构造和形状,如何确定？,?,对于通用机床主轴端部的形状和尺寸,已标准化，可参见“金属切削机床设,计手册”得出。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,?,3.3.2,主轴的技术要求,主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转,精度。,?,保证锥孔中心和轴颈中心的同轴度，工,艺基准如何选择？,?,具体的技术要求可参阅有关的主轴组件,而确定。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,?,3.4,主轴组件的计算,3.4.1,主轴组件计算时支承的简化,?,3.4.2,主轴结构参数的确定,?,3.4.3,传动件的布置,?,3.4.4,主轴组件的两支承的最佳跨

11、距的计,算,?,3.4.5,主轴组件采用三支承的跨距的确定,?,3.4.6,主轴组件的刚度校核,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.4.1,主轴组件计算时支承的简化,深沟球轴承、单列或,双列圆柱滚子轴承，,简化后的支承点在轴,承中部。,?,圆锥滚子轴承或角接,触球轴承，则支承点,在接触线与轴线交点,处，如图,3.9b,c,。,?,这类轴承应使大口朝,外，以使主轴前端的,悬伸量减少。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.4.1,主轴组件计算时支承的简化,?,?,如一支承上安装两个轴,承时，对于角接触轴承,采用反装法可以提高其,支承刚度，而支承点应,在前端轴承的接触线与,轴线交点处，如

12、图,3.9d,所,示。,对于接触角为,0,o,的向心轴,承，则支承点在前端一,个轴承中部，如图,3.9e,所,示。其理由为预紧发生,在前面一列滚子（或滚,珠）与后轴承之间。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.4.1,主轴组件计算时支承的简化,如三联角接触球轴承，,前两轴承为同向组合，,接触线朝前（大口朝,外），后轴承与之背,靠背（反装）,?,支承点应在前面第一,个轴承的接触线与轴,线交点处,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.4.2,主轴结构参数的确定,主轴结构参数主要包括,?,主轴前后支承轴颈,D,1, D,2,、,?,主轴内孔直径,d(,指空心主轴）、,?,前端的悬伸量,a,

13、?,主轴的支承跨距,L,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,1,主轴直径的确定,根据材料力学可知，主轴的刚度与其惯,性矩成正比，而惯性矩与轴的直径的,4,次,方成正比。,?,主轴直径,D,1,或,D,2,应在合理范围内尽量选,大些，以满足刚度的要求，并兼顾结构,紧凑。,?,为便于安装传动件及支承件，主轴通常,为阶梯形，各段直径向尾端逐渐减小。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,2.,主轴内孔直径,d,的确定,?,对于空心主轴，内孔直径,d,的大小，,应在满足主轴的刚度前提下尽量取大,值。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.,主轴前端部悬伸量的确定,主轴前端悬伸量,a,是指主轴前支承

14、径向支,反力作用点到前端受力作用点之间的距,离。,?,缩短悬伸量,a,可以明显地提高主轴组件的,刚度和抗振性。,?,设计时，在满足结构要求的前提下应尽,可能取小值，以提高主轴的刚度。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.4.3,传动件的布置,主轴组件一般都由,带或齿轮来传动,。,?,主轴前端,受到工作载荷（力或扭矩）的,作用,?,主轴中间或后端,受到齿轮或带传动的力,的作用。,?,在结构允许的条件下，合理地布置这些,传动件的位置和传动力的方向，可以减,少主轴的受力和变形，提高主轴组件的,刚度和抗振性。,?,主轴组件的刚度还与支承跨距,L,有关。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,

15、1,传动件的位置,带传动装置多半装在后轴承的外侧，以,防止胶带沾油和便于胶带更换。,?,主轴上的传动齿轮一般安装在各主轴支,承之间。,?,为了减少主轴的弯曲变形和扭转变形，,应尽可能缩短主轴受扭部分的长度，即,将齿轮安置在靠近主轴前支承处。当主,轴上的传动齿轮有两个时，应使传递扭,矩大的那个齿轮更靠近前支承。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,2.,传动力的位置和方向,?,先假定工作载荷,F,与传动力,F,Q,作用在同一,平面内，这样主轴端部上引起的挠度为,最大，是一种最差的状态。,?,主轴受力变形时，其端部的挠度和支承,上受力的大小与作用在主轴上的传动力,的位置和方向有关,第,3,章,

16、主,轴,组,件,设,计,?,1,）如图,3.10a,所示，带轮安装在主轴后,轴承外侧，,F,Q,与,F,同向，不能使作用力,F,和传动力,F,Q,所引起的主轴前端变形部分,地相互抵消。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,2,）当作用力,F,和传动力,F,Q,均作用在主轴,前端，二者方向相反时，能使引起的主,轴前端变形部分地抵消。,?,前支承支反力也较小，主轴受扭长度也,较短,?,但是传动件需要安装在前支承外侧，增,加了主轴的悬伸长度，结构上也较复杂。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3,）大多数机床或专用机床均采用这种布,局。图,c,所示的,F,与,F,Q,的方向相同，能使,引起的主

17、轴前端变形抵消一部分。,?,图,d,所示的,F,与,F,Q,的方向相反，则主轴前,端的变形较大，而前轴承受力却较小。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.4.5,主轴组件采用三支承的跨距的,确定,大多数的主轴组件采用前后两支承。如,果前后轴承间距太大（,L,远大于,L,0,），可,以加第三支承以提高刚度而成为三支承,主轴组件。,?,三支承主轴有两种情况：,?,?,前、后支承为主，中间支承为辅；,?,前、中支承为主，后支承为辅。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.4.5,主轴组件采用三支承的跨距的,确定,在三支承中，“主”支承应消除间隙或,预紧，“辅”支承则应保留游隙以至选,用较大

18、的游隙，且不能预紧，决不能三,个轴承都预紧，否则会发生干涉。,?,在一般情况下，前支承必须为主支承，,否则会影响到主轴前端的旋转精度。,?,“主”支承既可用圆柱滚子轴承，也可,用圆锥滚子轴承。“辅”支承通常用深,沟球轴承或圆柱滚子轴承。,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.4.6,主轴组件的刚度校核,?,对一般设备中的主轴，主要进行刚度验,算。,?,通常，如果能满足刚度要求，也就能满,足强度要求。只有对重载荷（如粗加工）,的主轴才需进行强度验算；,?,对于高速主轴，有时需要进行临界转速,的验算，以防发生共振。,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.5,提高主轴组件性能的措施,3.5.1,径向圆跳动量的测定,?,3.5.2,滚动轴承的定向误差装配,?,第,3,章,主,轴,组,件,设,计,3.5.1,径向圆跳动量的测定,