主轴部件设计课件

1、1金属切削机床设计主轴部件设计2第六节 主轴部件设计基本要求旋转精度和运动精度刚度抗振性温升和热变形(热稳定性 )精度保持性3旋转精度和运动精度旋转精度:指装配后的部件在无载或低速转动条件下，主轴前端工作部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。主轴组件的旋转精度直接影响机床的加工精度。运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低速状态的旋转精度有较大差别，它表现在工作时主轴回转中心位置的不断变化，即“主轴轴心漂移”现象。旋转精度主要取决于主轴及其轴承的制造、装配、调整的精度；运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平衡等因素。 5抗振性抗振性包括抵抗受迫

2、振动的能力和抵抗自激振动的能力。有时也把抵抗受迫振动的能力称为动刚度，此时，抗振性仅指抵抗自激振动的能力。若主轴组件抗振性差，工作时容易产生振动，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。主要影响因素:部件的静态刚度、质量分布和阻尼，特别是主轴前轴承的阻尼。设计时，要使主轴的固有频率远大于工作时的激振频率，使之不易发生共振。6温升和热变形(热稳定性 )温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。严重

3、时甚至会发生“抱轴”。提高主轴组件热稳定性的主要措施是减少发热、加快散热、隔离热源以及采用尽可能合理的结构设计，以使热变形能得到补偿和对加工的影响最小。7主轴系统必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高其硬度增加耐磨性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐磨性。精度保持性8主轴部件的传动方式 齿轮传动特点是结构简单、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。它的缺点是线速度不能过高，通常小于1215m/s，不如带传动平稳。 带传动常用的有平带、三角带

4、、多楔带和同步齿形带等。带传动的特点是靠摩擦力传动（除同步齿形带外）、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。带传动在过载中会打滑，能起到过载保护作用。缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。电动机直接驱动方式1012推力轴承位置配置型式前端配置 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，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。后端配置 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

5、床等。两端配置 当主轴受热伸长后，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。中间配置 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。14主轴主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构形状和尺寸、制造精度、材料及其热处理，对主轴组件的工作性能都有很大影响。主轴的结构形状 :主轴通常是一个前粗后细的阶梯轴，即轴径尺寸从前轴颈起，向后逐渐缩小。这样的结构，是为了适应主轴各段承受的不同载荷，以满足刚度要求，同时也为其上的多个零件提供足够的安装、定位及止推面，同时也有利于加工和装配。15主轴的材料和热处理 一般机床主轴常用

6、45钢，调质到200250HB左右，主轴端部锥孔、定心轴颈或定心圆锥面等部位局部淬硬到50 55 HRC。若支承采用滚动轴承，则轴颈可不淬硬，但是为了防止敲碰损伤轴颈的配合表面，常对主轴轴颈处进行淬硬。如果机床主轴有更高要求时，宜选用合金钢，如对耐磨性要求很高的主轴，常选用38CrMoAlA，并经氮化处理。 16主轴主要精度指标 前支承轴颈的同轴度约5 m左右；轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且须保证配合过盈15m；锥孔与轴承轴颈的同轴度为35m，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好；装NN3000K型调心圆柱滚子轴承的112锥面，与轴承内圈接触面积不小于85%。17主轴部件中的

7、轴承 滚动轴承液体动压轴承液体静压轴承空气静压轴承磁浮轴承18主轴的滚动轴承角接触球轴承：既可以承受径向载荷，又可承受轴向载荷。常用的接触角有两种：=25和=15。角接触球轴承 20角接触球轴承(a)背靠背, (b)面对面,（c）同向组配(d)三联组配 角接触球轴承的组配21角接触球轴承两个轴承都能共同承受径向载荷。背靠背和面对面组配都能承受双向轴向载荷；同向组配则只能承受单向轴向载荷。背靠背与面对面组配相比，支承点（接触线与轴线的交点）间的距离AB，前者比后者大，因而能产生一个较大的抗弯力矩，即支承刚度较大。运转时，轴承外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴

8、承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减小，可以补偿一部分径向膨胀，而对于面对面组配，将使过盈进一步增加。基于以上分析，主轴受有弯矩，又属高速运转，则主轴轴承必须采用背靠背组配。23圆锥滚子轴承 双列圆锥滚子轴承1,4一内圈；2一外圈；3一隔套 修磨隔套3的厚度来调整间隙或预紧。外圈有轴肩，一端抵住箱体或主轴套筒的端面，另一端用法兰压紧，以实现轴向定位。因此，箱体孔可做成通孔，便于加工。 既可以承受径向载荷，又可以承受双向轴向载荷。由于滚子数量多，承载能力和刚度都高，轴承制造精度较高，适用于中低速、中等以上载荷的机床主轴的前支承。但设计选用时，应考虑给予充分的润滑和冷却条件24滚动轴承配置

9、 配置形式：速度型、高刚度型和刚度速度型 主轴支承的配置速度型 (a)前、后支承均采用双联角接触球轴承，该配置适用于高速、高精度、中等负载的数控车床。 (b) 采用三联或四联角接触球轴承，后支承用双联角接触球轴承，适用于高速、高精度和较高负载要求的数控机床。26滚动轴承配置主轴支承的配置一速度刚度型 前支承采用三联角接触球轴承，承受径向和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，具有较高的刚度，适用于要求高速、高精度和较大负载的数控机床。27几种典型的主轴轴承配置型式速度型 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机床等。28速

10、度型高速CNC车床主轴部件 30刚度型CNC型车床主轴 31刚度速度型 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，承受主要方向的轴向力；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。 32刚度速度型33配置圆锥滚子轴承的机床主轴 结构比采用双列短圆柱滚子轴承简化，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。34卧式镗铣床主轴部件 1一齿轮 2-镗主轴 3-铣主轴 4一双键 5, 6-镗主轴套 7-前轴承 铣主

11、轴3的前轴承采用双列圆锥滚子轴承，可以承受双向轴向力和径向力，承载能力大，刚性好，结构简单。主运动传动齿轮1装在铣主轴3上。铣主轴轴端可装铣刀盘或平镟盘，进行铣削加工或车削加工。镗主轴可在铣主轴内轴向移动，通过双键4传动，用于孔加工。35摇臂钻床主轴部件 1一主轴 2 一主轴套筒 3-键4-挡油盖 5-螺母 6一进给齿轮 采用推力球轴承承受两个方向轴向力的主轴部件，其轴向刚度很高，适用于承受轴向载荷大的机床主轴。 36滚动轴承精度等级的选择 a）前轴承偏移量的影响b）后轴承偏移量的影响c)前、后轴承的综合影响 前支承的精度比后支承对主轴部件的旋转精度影响大。因此轴承精度选取时，前轴承的精度要选

12、得高一点，一般比后轴承精度高一级。 37思考题左图中：1、a)、b)所示情形下，前后轴承偏移引起主轴端部的偏移总量是多少？2、c)中的2是多少？38滚动轴承精度等级的选择 机床主轴轴承的精度除P2, P4, P5, P6（相当于旧标准的B, C, D, E）四级外，新标准中又补充了SP和UP级。SP和UP级的旋转精度，分别相当于P4和P2级，而内、外圈尺寸精度则分别相当于P5级和P4级。随着机床向高速、高精度发展，目前普通机床主轴轴承都趋向于取P4 (SP）级，P6（旧E级）级轴承在新设计的机床主轴部件中已很少采用。 主轴轴承精度 39主轴滚动轴承的预紧适当预紧可提高轴承的刚度和寿命。但是，过

13、度预紧会使滚动体和滚道的变形太大，将导致轴承温升的提高，并降低轴承寿命。角接触球轴承的预紧 :角接触球轴承一般必须在轴向有预加载荷条件下才能正常工作。预载荷分为轻、中、重三种，代号为A,B,C。轻预紧适用于高速主轴，中预紧适用于中、低速主轴；重预紧用于分度主轴。 40双列短圆柱滚子轴承 用螺母轴向移动轴承内圈，因内圈孔1:12的锥孔，使内圈径向涨大，而实现预紧；采用过盈套替代螺母实现预紧。 过盈套的结构 41角接触球轴承的预紧a)修磨轴承内圈侧面 b）修磨调整环 c)由弹簧自动预紧42主轴滑动轴承 滑动轴承因具有良好的抗振性，旋转精度高，运动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数控

14、机床中。滑动轴承按产生油膜的方式，可以分为动压轴承和静压轴承两类。滑动轴承按流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。43动压轴承 工作原理：当主轴旋转时，带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔而产生油膜压力将主轴浮起。动压轴承按油楔数分为单油楔和多油楔。 多油楔轴承有固定多油楔和活动多油楔两类。 44固定多油楔滑动轴承 a)主轴组件b)轴瓦c)轴承工作原理1一轴瓦2, 5一止推环3一转动螺母4-螺母6一轴承45活动多油楔滑动轴承 a), b)轴承结构示意图 c)轴承工作原理46液体静压轴承液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。静压轴承由供油系统供给一定压力

15、油，输进轴和轴承间隙中，利用油的静压力支承载荷，轴颈始终浮在压力油中。轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。静压轴承与动压轴承相比有如下优点：承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在极低转速下工作，也能在极高转速下工作；摩擦小，轴承寿命长。主要的缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本较高。47液体静压轴承定压式静压轴承 48空气静压轴承用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴承相同。由于空气的粘度比液体小得多，摩擦小，功率损耗小，能在极高转速或极低温度下工作，振动、噪声特

16、别小，旋转精度高，（一般0.1m以下），寿命长，基本上不需要维护，用于高速、超高速、高精度机床主轴部件中。49空气静压轴承具有径向圆柱与平面止推型轴承的主轴部件 CUPE高精度数控金刚石车床1一低膨胀材料 2-联轴节3、5、9、10径向轴承4驱动电动机 11、6一止推轴承7一冷却装置 8一热屏蔽装置 12一金刚石砂轮50空气静压轴承采用双半球形气体静压轴承 大型超精加工车床的主轴部件。此种轴承的特点是气体轴承的两球心连线就是机床主轴的旋转中心线，它可以自动调心，前后轴承的同心性好，采用多孔石墨，可以保证刚性达300N /m以上，回转误差在0. 1m以下。 CUPE的PG1505空气静压轴承 51空气静压轴承前端为球形，后端为圆柱形或半球形 1一径向轴承 2一压缩空气 3一轴 4-球体 5-压缩空气 6一球面轴承 7一球面座52磁浮轴承主要由以下三部分组成：电磁驱动机构，传感器，控制器及算法。磁浮轴承的结构与马达类似，电磁铁除了产生力矩以外，还产生使转子悬浮的吸引力。转子与定子的间隙一般为0.5mm2mm。主轴位置传感器用于给控制系统提供反馈，一般情况下设置