第3章_典型部件设计(主轴、支承件、导轨)

1、3.1主轴零件设计，功能：支援公母模仁胚料或刀具选取，并完成表面成型运动，以承受切削力和驱动力等负载。主轴组合由主轴及其支撑轴承、传动零件、封闭环和定位元素组成。3.1.1主轴部件必须满足的基本要求(1)旋转精度主轴的旋转精度指示主轴低欺骗和空载时主轴前定位面的半径跳动、结束跳动和倾斜摆动。主轴以工作速度旋转时，主轴旋转轴在空间中漂移的杨怡运动精度。(2)刚性主轴组件的刚性k表示在外部载荷期间抵抗变形的能力，如图所示。也就是说，K=F/y (N/im单位)，刚度的倒数y/F称为平滑度。动态刚度是机床在额定载荷下切削时主轴组件抗变形的能力。动态刚度与静态刚度成正比，而在共振区域，动态刚度与阻尼(

2、振动的阻力)几乎成正比，因此，通过增加静态刚度和衰减比，可以提高动态刚度。主轴组件的刚度是与主轴结构尺寸、选定轴承类型和配置、预紧力、支承跨距和主轴前悬架、传动装置放置方法、主轴部件的制造和装配质量等相关的综合刚度。(3)防尘主轴部件的振动阻力，是指对强制振动和自激振动保持平稳运行的能力。主轴部件不仅受静态载荷的影响，还受冲击载荷和交变载荷的影响，使主轴振动。随着机床高精度、高效率的方向进行，对对决振动的要求越来越高。影响振动阻力的主要因素包括主轴部件的刚度、固有频率、阻尼特性等。(4)温升和热变形主轴部件因摩擦而形成热源，通过切削热和齿轮啮合列传递主轴组件温度升高，温度升高称为热变形。主轴热

3、变形会改变轴承间隙和偏移枢轴位置，严重影响加工精度。各种机床对温度上升都有限制。室温为20时，连续运行时：允许高精度机床温度上升到810；精密机床是1520。普通机床是3040。温度上升影响主轴零件的温度上升(如果室温不是20，则Tt=T20 Kt (t-20)，热变形的主要因素包括轴承类型和放置方法、轴承间隙和预紧力的大小、润滑方法和冷却条件。(5)耐磨(精度裴珉姬)主轴零件的耐磨性指长期保持原始精度的能力，即精度的保持力。主要磨损包括主轴轴承的疲劳磨损、主轴轴颈表面、卡刀具定位标准磨损等。磨损速度与摩擦特性、摩擦对的结构特性、摩擦对材料的硬度、摩擦区域、摩擦表面准确度和润滑方法有关。3.1

4、.2主轴部件的驱动方式，1齿轮传动的特点是结构简单、紧凑，可以传递更大的扭矩，适应变速、可变载荷任务，应用最广。缺点是线速度通常低于1215毫秒，皮带传动不顺畅。2皮带驱动器由于各种新材料和新皮带的出现，皮带驱动器的使用越来越广泛。常用的是张紧皮带、三脚架、楔体和同步齿形皮带等。摩擦驱动(同步齿形带除外)、结构简单、制造方便、成本低，特别适用于中心距离大的双轴驱动。皮带有弹性，可以震动，传动柔软，噪音小，适合高速传动。皮带驱动器可在过载时打滑，起到过载保护的作用。缺点是如果有滑动并且正确需要速度比，就不能使用。驱动3.1.2主轴组合的同步齿形带有梯形齿和弧形齿两种。圆弧齿形具有合理的力，可以传

5、递比梯形齿同步带更大的扭矩。同步齿形带无相对滑动，传动比精确，传输精度高；超薄、重量轻、驱动器柔软、噪音小、驱动器速度快、驱动器效率高；不需要润滑，耐水性腐蚀防护，在高温下工作，裴珉姬维修方便；传动比大，可以达到1: 10以上。缺点是制造过程复杂，安装条件高。3.1.2主轴组件驱动器，3 .电机直接驱动电机转子轴是主轴，电机座是机器主轴单元的外壳。主轴单元大大简化了速度调节范围更大的结构。有更大的驱动功率和扭矩。便利组织专业化生产。广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床。3.1.3主轴部件结构设计3.1.3.1主轴部件的支撑数(1)前后的两个支持优势：配置简单，制造装配容易，保证准确度容易

6、。缺点：主轴刚度和抗振性不高。3.1.3主轴部件结构设计3.1.3.1主轴部件的支承数(2) 3个支承缺点：3个支承孔的同心度要求高，制造部件复杂。辅助支持通常不会预押。前后支持是为主，中间支持是辅助。前支撑主要是，后支撑是辅助。(更多使用)，3.1.3.2推力轴承位置配置形式(焦点)切削力轴向力推力轴承(1)前配置缺点：前支撑结构复杂，发热大，温度升高的优点：主轴加热后向后扩展，精度高，不影响轴精度，提高主轴部件刚度应用：高精度机床和数控机床(2) 多刀车床，3.1.3.2推力轴承位置配置形式(3)两端配置缺点：主轴热增量后，应用影响主轴轴承的轴间距、止裂机构和热膨胀修正机构：组合机床主轴(

7、4)中间配置优点：可以减少主轴的停止量，主轴的热膨胀向后缺点：前支撑复杂，前支撑复杂。 根据位移互向同性定理，在节点上放置致动器时，由于功率转移而产生的轴末端受q力的挠曲也为零。节点是执行器放在主轴上的最佳位置。主轴节点通常非常接近前支撑，因此前支撑和后支撑之间的齿轮尽可能接近前支撑，Q，3.1.3.3主轴执行器位置的合理放置(1)主轴轴位置放置的合理放置起点：提高主轴应力，减少主轴变形，主轴振动阻力增加原则：功率Q引起的主轴弯曲变形较小；导致对误差敏感的方向主轴前位移的结论如下：驱动器(最大驱动器)尽可能将前支撑执行器放在两个支承之间，接近前支撑，力状态良好，应用广泛。3.1.3.3主轴致动

8、器位置的合理放置(1)将致动器放置在主轴前的轴位置的合理放置致动器放置在主轴前的悬挂端，主轴刚度好，主要用于具有立式车床、镗床等大型转盘的机床。驱动器位于主轴的后悬架末端，更多地用于皮带传动，更容易更换砂带，如研磨机。3.1.3.3主轴驱动器位置的合理放置(2)驱动器主轴驱动器轴位置的合理放置，必须确保在放置驱动器轴位置时，能够徐璐抵消功率q和切削力p引起的主轴端位移和轴载荷力的影响。3.1.3.4主轴主要结构参数的确定主轴的主要结构参数是主轴前、后轴颈直径D1和D2、主轴内孔直径d、主轴前悬架a、主轴主支承之间的跨度l。(共5个)这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。3.1.3.4主轴主结

9、构参数的确定(1)主轴前轴颈直径D1的选择主轴前轴颈D1通常可以根据机械类型、主电动机功率和主参数进行选择。请参阅表3-13。车床和铣床主轴后轴颈直径D2(0.70.9)D1，磨床主轴前后轴颈经常相同，中间段更厚。3.1.3.4主轴主要结构参数的确定(2)主轴内孔直径d确定许多机床是中空主轴，中空主轴可以减轻主轴重量。内孔直径的大小应尽可能大，同时满足主轴刚度。水平搁板d通常为主轴平均直径的55 %；铣床主轴的d直径比刀具拉杆大510mm。但是，通常d/D0.7，3.1.3.4主轴主要结构参数的确定(3)主轴前悬架a的确定主轴前悬架大小是主轴前支承半径反作用力点到前力作用点的距离。如果满足结构

10、要求，则取尽可能小的值，以提高主轴部件的刚度和抗冲击性。备用a=D1。为了减少a，主轴前端可以使用短圆锥结构。3.1.3.4主轴主要结构参数的确定(4)主轴合理跨距l的确定主轴的跨度是两个支承反作用力作用点之间的距离，是影响主轴组件刚度的重要尺寸参数。合理确定主轴两个主要支撑之间的跨度可以提高主轴部件的静态刚度。支撑跨度小，主轴本身的刚度大，弯曲变形小，但由于支撑变形导致主轴前端的位移增加。支撑跨度大，支撑变形引起的主轴前端位移小，但主轴弯曲变形增加。3.1.3.4主轴主要结构参数的确定(4)主轴合理跨距l的确定，过大或过小的支承降低了主轴部件的刚度。适当跨距选取的建议值为1) L合理=(45

11、)D1。2) L合理=(35)a、车床、铣床、外圆磨床等更长的悬挂长度。3) L合理=(12)悬挂长度大，例如镗床、内部磨床等。在实际使用中，跨距l通常大于l。6.3.5主轴(1)主轴的结构主轴本身的结构和形状主要取决于主轴上安装的传动器、轴承等零件类型、数量、位置和安装位置的确定方法等。主轴轴端结构形式取决于机床的类型、夹紧固装置或刀具的安装方式。夹点或刀具具有较高的位置精度，并确保扭矩能够传递的方便装卸。主轴轴端结构应尽量缩短悬挂长度。对普通机床主轴端面尺寸进行了标准化。3.1.3.5主轴(2)主轴材料和热处理主轴材料主要根据耐磨性、负载特性和热处理后的变形大小进行选择。机床主轴常用材料和

12、热处理要求见表3-14。3.1.3.5主轴(3)主轴的技术要求主轴选择精度技术包括主轴前后轴颈同轴(a-b)；与前后轴颈中心连接相关的锥形孔径向圆跳动；中心轴颈及其位置轴肩是相对于前后轴颈中心连接的半径圆跳动和结束圆跳动。设计标准测试标准过程标准、径向圆跳动、结束圆跳动、3.1.4主轴滚动轴承主轴轴承的类型、配置方法、精度、安装、曹征、润滑和冷却等，直接影响主轴部件的工作性能常用的主轴轴承包括滚动轴承、流体动力轴承、液体静压轴承、空气静压轴承等。推力球轴承、推力角轴承、锥滚子轴承、角接触球轴承、轴向载荷轴承的极限速度依次高：角接触球轴承、推力角接触球轴承、锥滚子轴承、推力球轴承。3.1.4主轴

13、滚动轴承主轴轴承要求：高精度、高刚度、强承载力、高极限速度、变速适用范围、小摩擦、低噪音、良好的振动阻力、长寿命、简单制造、轻松裴珉姬维修等。3.1.4.1主轴零件主支撑通常是滚动轴承(1)角接触球轴承接触角a是滚珠轴承的主要设计参数之一。接触角a是滚动和流道接触点处的共线和主轴轴的垂直平面之间的角度。3.1.4.1主轴部件主支撑通常是滚动轴承(1)角接触球轴承(向心推力球轴承)角接触球轴承的极限速度更高。可以承受径向和轴向负载，a越大，则可以承受更多的供给力。主轴使用的a通常为15o或25o。3.1.4.1主轴零件主支撑通常包括滚动轴承(1)角接触球轴承是点接触，刚度不高，为了提高刚度，可以

14、在同一个支承上组织成多个组。分组排序有三种方法：背靠背组合；面对面的组合；东方香组合。3.1.4.1主轴部件主支撑常用滚动轴承(2)双列短圆柱滚子轴承特性：内环有1:12锥孔，轴向运动内环可以调整轴承的径向间隙和预紧力；轴承的滚子可以承受很大的径向载荷和速度。轴承由两列滚子相交，数量多，刚度高。不能承受轴向载荷。3.1.4.1主轴组合主支撑常用滚动轴承(3)推拔滚子轴承性质：刚性和轴承容量、径向力和双向轴向力。适用于中低速、中理想负载机器的主轴前支撑，但发热大，极限速度有限。Gamet轴承：空心滚子，由于两列滚子数量的差异，轴承的动态刚度得到了提高。3.1.4.1主轴部件主支承公共滚动轴承(4

15、)推力轴承特性：只能承受轴向载荷，轴承容量和刚度大。离心力的作用和轨道深度低通常导致限制速度低。3.1.4.1主轴零件主支撑通常使用滚动轴承(5)双向推力角接触球轴承23400(接触角=60o)。与主轴前支撑一起使用的双列圆柱滚子轴承(NN3000K)组是为推力轴承设计的。轴承的轴向刚度，允许的速度高。23400轴承，3.1.4.1主轴部件主支撑常用滚动轴承(6)陶瓷滚动轴承特性：比钢轴承轻，离心力小。温度上升低，刚度大。(7)磁力轴承通过支撑与固定部件接触的移动部件来执行轴承功能。特性：没有机械磨损，没有速度限制，不需要润滑，工作温度范围大，噪音小，温度低，能耗低。3.1.4.2某些典型主轴

16、轴承配置形式的主轴轴承需要根据刚度、旋转精度和极限速度选择放置样式。大多数机床主轴部件使用两种支承结构，其配置和选择的一般原则如下：(1)速度主轴前后轴承是角接触球轴承(2个或3个)。轴向切削力越大，角度越大，角度越大的刚度也越大。优点：良好的高速性能缺点：小型应用程序：高速镗床、高速数控车床等高速轻量化或精密机器。3.1.4.2几种常用主轴轴承配置形式(1)速度、角接触球轴承、3.1.4.2几种常用主轴轴承配置形式(2)刚性正向支承使用径向载荷和60度接触双列止推轴承承受轴向载荷。使用双列短圆柱滚子轴承后，应用：寻找中速度和切削力大、CNC车床主轴、镗主轴单元等要求高的机器。双列短圆柱滚子轴承、角度接触双列中心推力轴承、双列短圆柱滚子轴承、3.1.4.2几种常用主轴轴承配置形式(3)速度刚性前轴承使用三重角接触球轴承，后支承使用双列短圆柱滚子轴承。前轴承的组成特点是，能够承受主方向轴向力的外部2个角接触球轴承朝向主轴工作方向。第三个角接触球轴承通过衬套与外部两个轴承背对背配置，在三角接触球轴承上有大的支撑交叉点，可以提高破坏力矩的刚度。优点：半径刚度好，能承受更大的转速：卧式铣床等。3.1.4.2几种常用主轴轴承配置形式(3)速度刚度类型、轴向力、三角接触球轴承