典型部件设计课件

1、 第3章 典型部件设计3.1 主轴部件设计 3.1 典型部件设计主轴部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。 基 本 要 求 旋转精度 刚度 抗振性 温升和热变性 精度保持性主轴部件应满足的基本要求基本要求：旋转精度 是指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动（检测方法视频）。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。刚 度 是指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。抗振性 指抵抗

2、受迫振动和自激振动的能力。温升和热变形 主轴部件运转时，因各相对处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变形。精度保持性 是指长期地保持其原始制造精度的能力。3.1 典型部件设计主轴部件设计3.1 典型部件设计主轴部件设计主轴的选材依据：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。（2）精密、大载荷、有冲击的机床主轴 采用中碳或低碳合金钢，如40Cr，20Cr。进行高频淬火或渗碳淬火，提高耐磨性，硬度5265HRC。

3、（3）主轴材料的攻关点 怎样减小高速、高效、高精密机床主轴的热变形、振动。 已诞生的新型材料有玻璃陶瓷材料。主轴的技术要求： 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线径向和轴向跳动等。 3.1 典型部件设计主轴部件设计主轴的传动形式（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

4、。3.1 典型部件设计主轴部件设计主轴的传动形式（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。可达50m/s；传动比可达1:10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。3.1 典型部件设计主轴部件设计主轴滚动轴承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

5、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。 滚动轴承为标准件，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。3.1 典型部件设计主轴部件设计常用滚动轴承的布置角接触球轴承接触角是设计参数：接触角为0，深沟球轴承；接触角在0-45度之间，角接触球轴承；接触角在45到90度之间，推力角接触球轴承角接触球轴承的布置一般多选用15度25度成组安装，以

6、便承受双方向进给力及调整间隙预紧。机床主轴常选用“背靠背组合”，为什么？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3.1 典型部件设计主轴部件设计高速结构3.1 典型部件设计主轴部件设计速度刚度结构3.1 典型部件设计主轴部件设计CA6140车床的主轴箱布置刚度型3.1 典型部件设计主轴部件设计轴承精度等级的选择前轴承与后轴承的精度对主轴旋转精度影响不同前大后小，前轴承精度应高；如前后轴承便宜方向在同一侧，可有效降低主轴端部的偏移。轴承精度影响旋转精度、刚度与抗振性，应选择P4(SP)以上精度。主轴滚动轴承的预紧预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，

7、而且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。预紧力通常分为三级：轻预紧、中预紧和重预紧，代号为A、B、C。3.1 典型部件设计主轴部件设计主轴滑动轴承有良好的抗振性，旋转精度高，运动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数控机床中。按产生油膜的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。1、动压轴承主轴旋转时，带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔，产生油膜压力浮起主轴。承载能力与速度、润滑油粘度、油楔结构等有关。3.1 典型部件设计主轴部件设计2、液体静压轴承一套专用供油系统、节流器

8、和轴承。静压轴承与动压轴承相比具有的优点：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；既能在低速下工作，也能在高速下工作；摩擦小，轴承寿命长。缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。3.1 典型部件设计主轴部件设计主轴部件结构设计之2主轴轴向定位为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度，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。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。 后

9、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。3.1 典型部件设计主轴部件设计主轴部件结构设计之2主轴轴向定位为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度，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。 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。 中间配置 两个方向的推力轴承布置在前支承后侧。 可减少主轴

10、的悬升量，并使主轴受热膨胀后向后伸长，但前支承结构较复杂，温升也可能较高3.1 典型部件设计主轴部件设计主轴部件结构设计之4主轴主要结构尺寸参数的确定1.前支承轴颈D1 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D1的尺寸。 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、前支承轴承的配置和密封装置的型式和尺寸。满足结构要求前提下，尽量缩短悬伸量a 。4.主轴支承间跨距L 跨距的大小影响主轴弯曲和前端位移量。一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径，选取D1

11、。车床和铣床后轴颈的直径D2：(0.70.9)Dl。很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。一般应保证dD1.3设计要点：在满足刚度的前提下，尽量减小支承件的质量 m，提高固有频率o。2.良好的动态特性 支承件有较高静刚度、固有频率、还应有较大阻尼，薄壁面积应小于400mm400mm，避免薄壁振动。3.结构合理 通过失效处理充分消除内应力，形状稳定。4.排屑畅通，工艺性好，成本低，吊运安装方便。3.2 典型部件设计支承件设计二、支承件的受力分析方式机床支承件要承受切削力、零部件重量、传动力等载荷。 支承件所承受的载荷不同，设计时分析其受力方式不同。1.中小型机床 支承件受力分析以切削力为

12、主。2.精密和高精度机床 支承部件载荷以移动部件的质量和热应力为主。如：双柱立式坐标镗床的横梁，受力分析考虑主轴箱位于横梁中部时，横梁的弯曲和扭转变形。3.大型机床 支承件受力分析应考虑工件重力，移动部件重力和切削力等。3.2 典型部件设计支承件设计三、支承件的截面形状设计原则支承件变形主要是弯扭变形。且抗弯刚度和抗扭刚度随支承件的截面惯性矩增大而增大。其设计原则：截面积一定时，空心截面比实心截面的惯性矩大。满足工艺要求时，应尽量减小壁厚，提高抗弯刚度。承受高度方向的弯矩时，支承件截面形状应为矩形。承受弯扭作用的支承件，截面形状应为方形。承受纯转矩的支承件，截面形状应为圆环形。不封闭截面刚度远

13、小于封闭截面，尽量将支承件制成封闭形状。截面不能封闭的支承件，应采取补偿刚度措施。如：a为车床；b为镗床与龙门刨，c为大型和重型机床的床身3.2 典型部件设计支承件设计隔板和加强肋板（1）隔板 是连接外壁间的内壁。作用是将局部载荷传递给其它壁板，使整个支承件较均匀地承受载荷。支承件内增加纵向隔板能提高抗弯刚度。纵向隔板应布置在弯曲平面内，即隔板高度方向与作用力方向一致。支承件内增加横向隔板能提高抗扭刚度。增加一个端面横向隔板时，抗扭刚度成倍增加，均匀布置三个横向隔板后，抗扭刚度又成倍增加。支承件内增加斜板可提高抗弯和抗扭刚度。3.2 典型部件设计支承件设计隔板和加强肋板（2）加强肋（肋条） 配

14、置在外壁内侧或内壁上，其作用是加强局部刚度和减少薄壁振动。可以纵向横向和斜向，常交叉排列米字或井字。肋条高应约为支承件壁厚的5倍。图a用加强肋 提高导轨与床身过渡连接处的局部刚度。图b用加强肋 提高箱体轴承孔处的局部刚度。图 c、d、e 为工作台等板形支承件的加强肋。提高抗弯刚度，避免薄壁振动。3.2 典型部件设计支承件设计支承件的壁厚在满足工艺要求和刚度的前提下，应尽量减少支承件的厚度和隔板、加强肋的厚度。铸铁支承件的外壁厚度可根据当量尺寸C来选择：式中 L、B、H 支承件的长、宽、高（m）。根据C值确定最小壁厚t见表3-5，隔板的厚度可取（0.81）t；加强肋的厚度可取（0.70.8）t；

15、钢板焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的1.45倍，壁厚可比铸铁薄2/3或4/5，具体选择见表3-63.2 典型部件设计支承件设计2.支承件开孔后的刚度补偿在立柱或横梁中，安装等工艺孔会造成抗扭、抗弯刚度的损失。刚度补偿方法：在孔上加盖板，用螺栓将盖板固定在壁上；可将孔的周边加厚（翻边），再加嵌入式盖板；一般立柱或梁外壁上开孔尺寸应小于该方向尺寸的20%；如开孔尺寸不大于该方向的10%。则影响较小，无需刚度补偿。提高接触刚度相对滑动的连接面和重要的固定结合面须精磨或配对刮研，以增加接触面积；紧固螺栓应使结合面有2MPa的接触压强，以消除结合面的平面度误差，增大结合面积；结合面承受弯矩时，应使较多紧

16、固螺栓布置在受拉面承受拉应力；结合面承受转矩时，螺栓远离扭转中心，均匀分布在四周。3.2 典型部件设计支承件设计支承件的材料灰口铸铁加入少量的铬、硅、稀土等合金元素。切削性能好，易得到复杂形状；抗振性能好；耐磨性强。消除应力：自然时效、人工时效、振动时效。钢材焊接用Q235-A，20钢的钢板和型钢焊接成支承件。不用铸模，制作周期短。钢件抗弯刚度大于铸铁件，重量轻，抗振差。适合于生产数量少，品种多的大型床身的制造。树脂混凝土人造花岗岩，是制造床身的新型材料阻尼比是灰口铸铁的810倍，抗振性好。浇注的床身静刚度比铸铁高16%40%。钢板焊成框架，充入树脂混凝土，适合构成大、中型机床支承件。3.2

17、典型部件设计支承件设计提高支承件的结构性能常见的机床振动（1）整机摇晃振动 是机床整体在地基支承上的振动。（2）结合面间的相对振动 是指整个部件作为一个刚体在结合面处相对于另一部件的直线振动或扭转振动。（3）零部件的本体振动 指主轴组件的弯曲振动，传动系统的扭转振动，支承件的弯曲和扭转振动等。提高结构性能的措施提高支承件的静刚度和固有频率提高动态特性改善阻尼特性采用新材料制造支承件提高热稳定性控制温升采用热对称结构采用热补偿装置。3.3 典型部件设计导轨设计导轨的功用和分类功用：承受载荷和导向。承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力，引导运动部件沿一定的轨迹运动。按摩擦性质分为 滑动导

18、轨、滚动导轨。静压滑动导轨 液体摩擦，导轨间有压力油膜层，靠液压系统提供压力油膜。用于高精度机床进给导轨。动压滑动导轨 液体摩擦，动压油膜的形成是利用滑移速度带动润滑油从大间隙处向狭窄处流动形成的。 适用于主运动导轨。普通滑动导轨 混合摩擦，导轨间有一定动压效应，速度较低，导轨面处于接触状态。用于大多数普通机床。滚动导轨 导轨面之间装有滚动元件（钢球），靠钢球的滚动摩擦引导部件运动。广泛用于数控、精密和高精度机床。3.3 典型部件设计导轨设计导轨按运动性质分为：主运动导轨 用于刨床、拉床、插齿机的主运动导轨。进给运动导轨 用于机床的进给系统中。移置导轨 调整部件之间的相对位置。如：卧式车床的尾

19、座导轨。按结构形式分为 开式导轨、闭式导轨开式导轨 是利用部件质量和载荷，使导轨副在全长上始终保持接触的导轨。开式导轨不能承受较大颠覆力矩。用于大型机床的水平导轨。闭式导轨 是在开式导轨上增加辅助导轨而构成。闭式导轨能保持导轨副始终接触，故能承受较大的颠覆力矩。3.3 典型部件设计导轨设计滑动导轨结构设计截面形状的选择要使动导轨严格按规定的轨迹运动，必须限制五个自由度。因导轨的摩擦面宽度较小，故导轨可视为 窄定位板。双矩形导轨 两个窄支承平面 a、b 构成一个定位面，限制 3 个自由度 窄支承平面 c 限制 2 个自由度刚度和承载能力大，制造安装调整方便。但侧导向需用镶条调整间隙广泛用于普通精

20、度的中型车床、组合机床、升降台铣床、数控机床等。三角形和矩形导轨的组合导轨的导向性好，制造方便、刚度高。广泛用于车床、磨床、龙门铣床、龙门刨、滚齿机、坐标镗床减小其顶角，导轨的导向性能提高，但承载能力下降。 一般= 900，重型机床900，精密机床滚齿机 900。3.3 典型部件设计导轨设计截面形状的选择双三角形导轨 无需镶条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好。但工艺性差，加工、检验和维修不方便，只能配加工。多用于精密机床，如丝杠车床、导轨磨床、齿轮磨床等。燕尾槽和矩形导轨组合调整方便，承载力矩大。广泛用在机床横梁、立柱、摇臂导轨双燕尾形导轨不用辅助导轨副的闭式导轨。导轨高度小，可承受

21、颠覆力矩。燕尾导轨是过定位，必须用镶条调整摩擦面的间隙。由于结构原因，此导轨刚度差，加工、检验、维修不方便。用于受力小，结构层数多，间隙调整方便处，如牛头刨床滑枕导轨、卧式车床的刀架导轨等。3.3 典型部件设计导轨设计导轨间隙的调整（1）辅助导轨间隙调整采用压板 调整辅助导轨面间隙，承受颠覆力矩。图a ：精磨或刮削压板厚度调整间隙。图b：通过改变垫片层数和厚度调整间隙。图c：通过压板和导轨间平镶条调节间隙。3.3 典型部件设计导轨设计 （2）矩形导轨和燕尾导轨的间隙调整 图a、图b：平镶条较薄，全长只由几个螺钉调整间隙，镶条在几个点上受力，因此镶条易变形，刚度较低。 图c：间隙调整后，再拧紧紧

22、固螺栓。平镶条调整方便。 采用镶条来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧面间隙。镶条应装在导轨受力较小的一侧，以提高刚度。 平镶条调整间隙 斜镶条调整间隙 调整方式：将动导轨的一面做成与镶条斜度相同，方向相反的斜面，通过斜面配合，纵向移动镶条来调整导轨横向间隙。 缺点：螺钉的凸肩和镶条沟槽间的间隙会引起镶条在运动中窜动。 图a：用螺钉推动镶条纵向移动，结构简单，调整方便。3.3 典型部件设计导轨设计 图c：将螺钉凸肩变为带圆柱销的调整套，圆柱销与圆孔配作，通过配合精度控制镶条的窜动。调整方便，但纵向尺寸较长。 图b：用双螺钉调节，能避免镶条窜动，性能较好。3.3 典型部件设计导轨设计 孕育铸铁广泛应用在

23、卧式车床、转塔车床、升降台铣床及磨床等机床上。 三、滑动导轨的材料及选择 （1）铸铁导轨 常用的有灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁等。 1.滑动导轨的材料 1）对耐磨性能要求高、精加工为磨削、且与床身做成一体的导轨，广泛采用孕育铸铁HT300。 孕育铸铁 是在铁水中加入少量孕育剂硅、锰、铝、稀土等，以获得均匀的珠光体和细片状石墨组织，而提高强度和硬度。并通过电接触淬火或高频淬火，进一步提高耐磨性。3.3 典型部件设计导轨设计 铬钼铜耐磨铸铁 可用于制造中、小型精密机床、仪表机床的床身导轨。2）耐磨铸铁 是在灰铸铁中添加磷、铜、钛、钼、钒等细化晶粒的元素，其耐磨性比HT300提高12倍以上。 高磷耐磨

24、铸铁 可用于普通机床的床身、溜板、工作台及其导轨，且应用日趋广泛。 钒钛耐磨铸铁 适用于制造各类中、小型机床的导轨，其机械性能好，优于高磷耐磨铸铁 ，溶铸工艺简单，耐磨性能比孕育铸铁HT300提高近2倍。 磷铜钛耐磨铸铁 铸件质量较高，适用于制造坐标镗床、螺纹磨床等精密机床的床身、立柱和工作台等导轨。3.3 典型部件设计导轨设计 （2）镶钢导轨 是将淬硬的碳素钢或合金钢导轨，分段地镶装在铸铁和或钢制的床身上。以提高导轨的耐磨性。 镶钢导轨工艺复杂、加工较困难。 主要用于数控机床和加工中心的导轨中。 在铸铁床身上，镶装钢导轨常用螺钉或楔块挤紧固定。 在钢制床身上，镶装钢导轨一般用焊接方法连接。3

25、.3 典型部件设计导轨设计 适用于中小型精密机床和数控机床，特别是润滑不良（如立式导轨）或无法润滑的导轨。 （3）塑料导轨 粘结法或喷涂法覆盖在导轨面上提高耐磨性。 粘贴软带以聚四氟乙烯为基体，添加各种无机物和有机粉末等填料制成。 1） 粘贴塑料软带导轨 聚四氟乙烯软带导轨的特点是：摩擦系数小，耗能低；动静摩擦系数接近，低速运动平稳性好；阻尼特性好，抗振性好；耐磨性好，能自身润滑，使用寿命长；结构简单，维修方便，磨损易更换，经济性好。刚性较差，受力后产生变形，对高精度的机床有影响。3.3 典型部件设计导轨设计 塑料涂层 都是以环氧树脂为基体，加入固体润滑剂和胶体石墨及其它铁粉填充剂混合而成。

26、2）塑料涂层导轨 根据涂层材料的组织和性能不同，可分别适用于大、中、小型精密机床导轨和数控机床导轨。 涂塑导轨在西欧国家，普遍用于数控机床的制造中。 环氧树脂塑料涂层的特点：有较高的耐磨性、硬度、强度和热导率；在无润滑情况下，能防止爬行，改善导轨的运动特性，特别是低速运动平稳性较好。 塑料涂层 应用较多的有环氧涂层、含氟涂层和HNT涂层。3.3 典型部件设计导轨设计 5）精密和高精度机床，导轨面需刮削，可采用耐磨铸铁导轨副，但动导轨的硬度比支承导轨的硬度低1545HB。 1）导轨副应采用不同的材料制造，以提高导轨副的耐磨性，防止粘结磨损。导轨副材料的选用原则： 2）采用相同的材料，应采用不同的

27、热处理，使其双方具有不同的硬度。 3）滑动长导轨各处的使用机率不等，磨损不匀。因此，长导轨应采用耐磨性好、硬度较高的材料制造。 4）普通机床的动导轨多采用聚四氟乙烯导轨软带，支承导轨采用淬硬的孕育铸铁。3.3 典型部件设计导轨设计 静压导轨 是依靠液压系统产生的压力油，形成承载油膜的导轨 四、静压导轨 静压导轨的优点： 摩擦系数小，机械效率高；导轨面被油膜隔开，不产生粘结磨损，导轨精度保持好；导轨的油膜较厚，有均化表面误差的作用；油膜的阻尼比大，导轨的抗振性能良好；导轨低速运动平稳，防爬行性能良好 。 静压导轨 结构复杂，需要一套完整的液压系统。 工作原理 能够将具有一定压强的润滑油，经节流器

28、通入动导轨的纵向油槽中，形成承载油膜，使导轨副的摩擦面隔开，实现液体摩擦。3.3 典型部件设计导轨设计 应用： 静压导轨适用于具有液压传动系统的精密机床和高精度机床的水平进给运动导轨。 导轨面的油腔形成一个个独立的液压支承点，在液压的作用下，动导轨及其运动部件便浮动起来，形成液体摩擦。 如图：常用的闭式静压导轨，液压泵产生的压力油，经可变节流器节流后，通入导轨面油腔A和辅助导轨面油腔B3.3 典型部件设计导轨设计2.工作原理 一、滚珠丝杠副的工作原理及特点1.结构 滚珠丝杠副 是将丝杠和螺母都加工成凹半圆弧形螺纹，且圆弧半径略大于钢珠半径。在螺纹副间放入钢珠，使丝杠和螺母之间的运动成为滚动的传动机构。 当丝杠、螺母相对转动时，钢珠沿螺旋滚道滚动，使螺纹摩擦为滚动摩擦。滚珠通过螺母两端的回程导引装置，自动返回入口而循环流动。从而实现高精度、高效率的传动。 轴承钢，淬硬磨削3.4 典型部件设计滚珠丝杠螺母副3.特点及应用 传动效率高达 85%98%，是普通滑动丝杠副的24倍，摩擦损失小，功率消耗小。适当预紧，能消除反向螺纹间隙，定位精度、刚度高。运动平稳，无爬行现象，传动精度高。摩擦角小于10，不能自锁。如果驱动升降运动，必须增加制动装置。 滚珠丝杠螺母副常用于数控机床行程不太长的进给系统中，以提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。3.