《主轴组件设计》PPT课件.ppt

主轴组件设计,概 述一、主轴组件功用及结构型式 主轴部件：是由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。作用：支承并带动工件或刀具完成工件表面成形运动，传递运动和动力。结构型式：有卧式、立式和倾斜式的不同布置方式。二、主轴组件基本要求 1.旋转精度 机床在空载低速时，主轴前端安装刀具，夹具部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动。主轴的旋转轴线产生的跳动如图,2.刚度,刚度：是指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产 生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示，比值越大，说明刚度越好。如图所示 K=F（牛/微米）,3.抗振性,抗振性：是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运动的能力。用主 轴端部测得的最大振幅来衡量的。振幅越小，抗振性越好。受迫振动：是由机床外部的振源或机床其他部件振动及主轴部件本身所引 起的。自激振动：是由切削过程引起的。4.温升和热变形 机床在工作时，各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而发热造成的温差，使主轴部件在形状和位置上产生畸变，称为热变形。热变形是用主轴运转一定时间和因发热而造成的各部分的位置上的变化来度量，也可用温升近似的表达。一般滑动轴承的温升，工作温度 一般滚动轴承的温升，工作温度,5.耐磨性,耐磨性又叫精度保持性：是主轴组件长期的保持其原始制造精度的能力，所以相对运动部件间都必须有一定的硬度，对 摩擦表面要进行热处理和化学处理。综合上述：机床的工作精度-旋转精度 静态工作精度-刚度 动态工作精度-抗振性 精度保持性-耐磨性此外还有结构上的要求：（1）主轴的定位可靠，轴向、径向（在切削力和传动力作用下）。（2）主轴端部的结构要保证工件或刀具的装夹定位可靠及足够的 定位精度。（3）保持长期可靠的运转，润滑与密封。（4）结构工艺性好，好造、好装、好拆、好修。并降低成本。,第二节 主轴传动件,一、主轴传动件类型选择 常用传动件有：齿轮、蜗轮、带轮和原动机等。1.齿轮 在变转速、变载荷工作的情况下，一般普遍采用齿轮传动，它结构简单、紧凑，并能传递较大转矩。(1)粗加工时，齿轮轴向分力的方向应与切削力的方向相反。(2)精密、高速加工时，齿轮轴向分力的方向应与切削力的方向相同。2.蜗轮 在低速、小功率且表面加工质量要求较高的场合一般采用蜗轮传动，它传动平稳、噪声小，但效率低，容易发热和磨损。3.带轮 转速较高且表面加工质量要求较高的场合一般采用皮带传动，带轮结构简单，运转平稳，但传动带容易拉长和磨损，需要定期调整及更换。4.原动机 主轴转速很高时，可采用原动机直接传动主轴。它传动链最短，只传递转矩，可减小主轴的弯曲变形。,二、主轴传动件布置 1.主轴不承受传动力 高精度或精密机床的主轴上，往往采用“卸荷式”传动件，只传递转矩而卸掉径向力。2.主轴尾端承受传动力 将带轮装在主轴的外伸尾端上，使主轴承受传动力。3.主轴前端承受传动力 将带轮装在主轴的前端上，主轴前端悬伸部分同时承受传动力Q和切削力F时，应使Q、F方向相反。4.主轴两支承间承受传动力 为了减小主轴的弯曲变形和扭转变形，提高固有频率，应将传动齿轮布置在靠近前支承的位置上，两种情况如下：,主轴,一、主轴结构形状要求 主轴的头部已经标准化了，用以安装标准刀具和夹具。主轴头部的形状和尺寸，主要取决于主轴上所安装的传动件,轴承和密封件等零件的类型,数目位置和安装定位方式,同时还要考虑到主轴的加工工艺性和装配工艺性。可见机床设计手册第3册。为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端面的距离称为悬伸。悬伸量应尽可能地小些。为了便于装配，主轴常制成阶梯形的。二、主轴材料和热处理 主轴的材料，应根据主轴的耐磨性、热处理方法和热处理后的变形来选择。（1）材料的选择：刚性好，承载能力大，耐磨性好，加工性能好，热处 理变形小，价格便宜。材料的刚性取决于弹性模量E，钢的E值差别较小。,常用中碳结构钢：优质结构钢，45。合金结构钢，40Cr,50Mn,65Mn.球墨铸铁也开始应用。（2）热处理方法：滑动轴承支承，前端定位表面，淬硬HRC5055；低碳钢，渗碳淬火；合金可以化学处理。三、主轴的技术条件 主轴的精度是根据机床的精度来提出技术要求，主轴的精度是：尺寸精度，形状精度，以及支承轴颈与壳心表面之间的位置精度和光洁度。支承轴颈为主轴基准，是工艺基准和测量基准，技术条件可以根据机床手册和同等精度机床主轴图纸上的条件确定。,通用机床主轴端部的形状,主轴的滚动支承,主轴支承是指主轴轴承、支承座及其他相关零件的组合体，其中核心元件是轴承。因此把采用滚动轴承的主轴支承称为主轴滚动支承；把采用滑动轴承的称为主轴滑动支承。主轴滚动支承的主要设计内容是：滚动轴承类型的选择，轴承的配置，轴承的精度及其选配，轴承的间隙调整，支承座的结构，轴承的配合及其配合零件的精度，轴承的润滑与密封等。一、主轴滚动轴承类型选择 主轴较粗，主轴轴承的直径较大。相对地说，轴承的负载较轻。因此，一般情况下，承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要指标。主轴轴承，应根据精度、刚度和转速选择。1.圆锥孔双列圆柱滚子轴承 这种轴承具有径向尺寸较小、制造精度较高、承载能力较大、静刚度好以及允许的转速高等优点，并能够调整轴承的径向间隙，因此在机床主轴组件上得到广泛应用。,2.60接触角双向推力向心球轴承 这种轴承的优点是制造精度高，允许转速高，温升较低，抗振性高于推力球轴承8000型，装配调整简单，精度稳定可靠。与双列圆柱滚子轴承相配套，用于承受轴向载荷。3.单列圆锥滚子轴承 普通单列圆锥滚子轴承（7000型），能同时承受径向和轴向载荷，承载能力和刚度较高，价格便宜，支承简单，间隙调整方便。可用于中速、中载、一般精度的主轴组件。4.双列圆锥滚子轴承 通双列圆锥滚子轴承（2697100型）能够同时承受径向载荷和双向轴向载荷，承载能力、刚度及抗振能力较高，适用于中速、径向载荷大，轴向载荷中等、一般精度的机床主轴组件。此外，角接触球轴承、单向推力球轴承、滚针轴承及滚锥轴承等，可根据结构选取。,二、主轴滚动轴承配置 轴承配置是根据机床用途、主轴的工作条件（载荷大小及方向、转速等）以及所要求的工作性能来确定的。1.径向轴承配置 两支承或三支承主轴组件，在每个支承处都要有径向轴承。前支承的径向轴承对主轴组件的性能影响重大，故首先应选定前支承的径向轴承。其他支承的径向轴承，一般因载荷较小且对于主轴组件性能的影响较小，可选用较前轴承刚度、抗振性及精度略低的轴承匹配使用。但需注意的是，匹配使用的轴承都必须适应主轴转速的要求。2.推力轴承配置 机床主轴一般承受两个方向的轴向载荷，需要两个相应的推力（止推）轴承匹配使用。推力轴承的布置方式或称主轴组件的轴向定位方式，共有三种：1）前端定位 前端定位结构其特点：（1）主轴受热变形，向后伸长（热位移），不影响主轴前端的轴向精度。,（2）主轴切削力受压段短，纵向稳定性好。（3）前支承的角刚度高，角阻尼大，因此主轴组件的刚度高和抗振性好。（4）前支承的结构较复杂，温升较高。适用范围：对轴向精度和刚度要求较高的高速、精密机床主轴（如精密车床、镗床、坐标镗床等）及对抗振性要求较高的普通机床主轴（如卧式车床、多刀车床、铣床等）。2）后端定位 后端定位结构其特点：（1）前支承的结构简单、温升较小；（2）主轴受热向前伸长，影响主轴的轴向精度；（3）刚度及抗振性较差。适用范围：不宜用于精密、抗振性要求高的机床，可用于要求不高的中速、普通精度机床的主轴（卧式车床、多刀车床、立式铣床等）。,3）两端定位 两端定位结构其特点：（1）支承结构简单，间隙调整方便；（2）主轴受热伸长会改变轴承间隙，影响轴承的旋转精度及寿命；（3）刚度和抗振性较差。适用范围：（1）轴向间隙变化不影响正常工作的机床主轴，如钻床。（2）支距短的机床主轴，如组合机床。（3）有自动补偿轴向间隙装置的机床主轴。3.同一支承中多轴承布置 同一支承中具有两个（或更多）同时承受径向、轴向载荷的角接触轴承时，其布置方式有三种如图所示。1）背向（背靠背）布置 两个轴承外圈的宽边相对，可提高主轴组件的刚度。,2）面向（面对面）布置 两个轴承外圈的窄边相对，因两轴承产生的反力矩很小，故主轴刚度提高不大。3）串联布置 两个（或更多）轴承外圈的宽窄边方向相同，可承受较大的轴向载荷。4.三支承中紧支承布置 采用三支承结构时，一般不应把三个支承处的轴承同时预紧，否则因箱体孔及有关零件的制造误差，会造成无法装配或者影响正常运转。对于一般精度机床的三支承主轴，应选用前、中支承为紧支承，后支承为松支承，这时的后支承主要起平稳定心作用。,三、主轴滚动轴承精度及其选配 1.主轴滚动轴承精度 机床主轴滚动轴承一般要求有较高的精度，可采用B、C、D、E 四级，一般不用G 级轴承。国家新标准用P2、P4、P5 等表示，可参阅新标准。主轴的前后轴承的精度选择对主轴精度影响很大，一般前轴承精度比后轴承精度高一级，影响主轴精度主要是前轴承的精度。主轴滚动轴承精度的选择应注意：1）首先选择主轴前支承的径向轴承（简称前轴承）精度，其精度等级应与机床精度相适应，即精度较高的机床选用较高精度的轴承，反之亦然。2）主轴后支承的径向轴承（后轴承）精度可比前轴承低一级。3）推力轴承精度一般可比前轴承低一级。4）轴承精度越高，旋转精度及其他性能也越高，但轴承价格也越昂贵。一般：普通级机床 前轴承 D 或C 级 后轴承和推力轴承 E 或D 级 精密级机床 前轴承 C 或B 级 后轴承和推力轴承 D 或C 级 高精度机床 前轴承 B 级 后轴承和推力轴承 C 或B 级,2.主轴滚动轴承选配 1）前轴承选配 主轴在前支承处的径向跳动对其端部的旋转精度影响最大。因此首先应采用轴承选配法来减小前支承处的径向跳动。采用合理的轴承选配法，可在制造精度并非很高的情况下，也能使主轴组件获得较高的旋转精度。,2）后轴承选配 对主轴组件前轴承选配之后再对后轴承选配，还可进一步提高主轴组件的旋转精度。把后轴承如同前轴承那样选配，可得到较小的轴端的偏心量。综上所述，为了提高主轴组件的旋转精度，采用轴承选配法的几点结论是：（1）首先对前轴承进行选配（高点导向），使其偏心量A为最小。（2）然后再对后轴承进行选配，使前、后支承处的最大跳动点位于同一轴向平面内，且在轴线的同侧。（3）后轴承的精度比前轴承低一级，采用选配法有利于提高主轴组件的旋转精度。,四、主轴滚动轴承间隙及其调整 主轴滚动轴承的间隙量（游隙量）大小对主轴组件工作性能及轴承寿命有重要影响。滚动轴承保持合理间隙量，是提高主轴组件旋转精度、刚度和抗振性的一项重要措施。1.滚动轴承间隙量 主轴滚动轴承的最佳间隙量（或最佳预加载荷量）应考虑机床的工作条件和轴承类型，根据试验和生产经验加以确定。选择轴承间隙（或预加载荷）的一般原则：1）对于高速、轻载或精密机床主轴组件，轴承间隙量可大些，以便减小轴承的发热和磨损，而且高速运转后的热膨胀，还能消除轴承间隙并起到附加载荷的作用。2）对于中低速、载荷较大或一般精度的机床主轴组件，轴承间隙量可小些，以便提高刚度和抗振性。3）球轴承一般比滚子轴承允许的预加载荷要大些，精度较高的轴承所允许的预加载荷也可大些。,2.滚动轴承间隙调整装置 机床主轴组件不仅在装配时需要调整轴承间隙，在使用一段时间后，轴承有了磨损，还需要重新调整。轴承的间隙调整一般是通过拧紧螺母推动轴承的某一圈（内圈、外圈或紧圈）来实现。滚动轴承的间隙控制方式有以下几种：1）径向预紧轴承的间隙量控制方式(a).无控制装置(b).控制螺母(c).控制环,2）轴向预紧轴承的间隙量控制方式 这类轴承都是通过内、外圈之间的相对轴向位移来调整间隙的。（a）修磨内圈（b）内、外隔套（c）无控制装置（d）弹簧预紧,五、主轴滚动轴承配合及其配合件精度 1.滚动轴承配合 轴承配合的松紧程度对主轴组件工作性能有一定影响。通常轻载、精密机床，为避免座孔形状误差的影响，常采用间隙配合，而与轴颈配合的过盈量也较小。2.滚动轴承配合件精度轴承的配合件精度能够直接影响主轴组件的旋转精度，主轴组件选用较高精度的滚动轴承时，还必须相应提高轴颈和座孔的尺寸精度和形位精度，否则轴承精度再高也起不到应有的作用。六、主轴滚动轴承润滑 轴承的润滑对主轴组件的工作性能和轴承寿命有密切关系。作用：降低摩擦，减轻磨损，减少功率消耗；还能带走热量，降低温升；增大阻尼，提高抗振性；防止腐蚀等。,主轴滚动轴承主要采用润滑脂或润滑油来润滑。1.脂润滑 适用于轴承的速度、温度较低且不需要冷却的场合。如果密封效果好，能够避免润滑油、冷却液及其他杂质混入润滑脂中，则轴承中的润滑脂可长期使用，拆修前不需要补充或更换。润滑脂不要把轴承空间填满，以免发热过高，并引起润滑脂熔化外流，通常充填量约为轴承空间的1/3。2.油润滑 适用于速度、温升较高的轴承，由于粘度低、摩擦系数小，润滑及冷却效果都较好。润滑油的粘度通常根据轴承的速度参数选择。1）主轴滚动轴承供油量 轴承供油量必须适当，但是合理供油量与摩擦副的接触面积、表面压强、相对速度及所在部位等有关。合理供油量可通过试验获得。2）主轴滚动轴承进油位置 为使各滚动轴承都能得到充分润滑，应尽量做到单独供油。一个支承处有两个较为靠近的轴承时，可从它们中间进油去分别润滑。,3）主轴滚动轴承润滑方式（1）自由流动润滑（飞溅润滑）利用最低位置的齿轮或专门溅油元件（如溅油盘）的旋转，将油池中的油飞溅到高处的接油盘里，然后自由流动到轴承中润滑。（2）滴油润滑 使用滴油器向轴承间断滴油，润滑简单方便，搅油发热较小，但要注意能够控制供油量。（3）压力循环润滑 由油泵供压力油对轴承进行强制润滑，适用于高速、重载机床主轴轴承的润滑。（4）油雾润滑 利用压缩空气通过专门的雾化器，再用凝缩嘴将含有少量油的油雾喷进轴承中进行润滑的。（5）喷射（注）润滑 在轴承周围均布几个喷油嘴，周期性地将压力油喷射到轴承圈与保持架的间隙中，把油直接送到工作表面上。,七、主轴滚动轴承密封 作用：防止润滑油外流，以免增加耗油量，影响外观和污染工作环境，防止外界灰尘、金属屑末、冷却液等杂质侵入而损坏轴承既恶化工作条件。当前主要采用接触式密封和非接触式密封两种方式。接触式密封使旋转件与密封件间有摩擦，发热较大，一般不宜用于高速主轴。非接触式密封的发热小，密封件寿命长，能适应各种转速，因此广泛应用于主轴滚动轴承的密封。用脂润滑的主轴，密封主要是防止外界异物进入，可采用间隙式或迷宫式密封装置。,用油润滑的主轴，润滑油的防漏，主要靠疏导，可采用油沟式和挡油圈式密封装置。,具有弹性元件的接触式密封装置,滚动支承主轴组件设计计算,一、滚动支承主轴组件设计步骤 1）根据机床类型、主轴的工作条件和使用要求，初步选择主轴组件的基本型式。2）初步确定主轴组件的尺寸参数，进行主轴组件的初步设计（轴向结构及空间位置），并对上述尺寸参数予以修正。3）对主轴组件进行必要的验算，根据验算结果对设计进行适当修改；确定采用三支承结构的必要性。4）选择轴承的精度等级。5）完成主轴组件的整体设计（包括主轴、主轴支承及传动件等）。6）确定轴承的安装间隙等。二、主轴组件结构尺寸 主轴上的结构尺寸主要是外径D、孔径d、悬伸量a和支承跨距L。1.主轴外径D 主轴外径的大小对主轴组件的性能有较大影响。,主轴的外径尺寸，关键是主轴前轴颈（前轴承处）的直径D1，可根据传递功率，并参考同类机床的主轴轴径尺寸确定。D1选定后，其他部位的外径可随之而定。后轴承的直径D2往往小于前轴承的直径D1。一般：D2=（0.7-0.9）D1 主轴前轴颈直径,2.主轴孔径d 主轴孔径主要从中通过的棒料或拉杆，当它直径过大或过小都受到限制，1）结构限制 孔径增大就会减小主轴的壁厚，如果轴壁过薄，就要影响主轴正常工作，加工中也会变形。对于中型机床的主轴，后轴颈的直径与孔径之差不要小于2025mm，主轴尾端最薄处的直径差不要小于1015mm。,2）刚度限制 孔径增大会削弱主轴刚度，主轴端部的刚度与截面惯性矩成正比。当d/D00.5时，Kd/K0.94，空心主轴的刚度降低较小。当d/D0=0.7时，Kd/K=0.76，空心主轴的刚度降低了24。一般应取d/D00.7。3.主轴悬伸量a 主轴悬伸量（又称悬伸长度）是指主轴前端至前支承点的距离，它的大小对主轴组件的刚度和抗振性有显著影响。悬伸量小，轴端位移就小，刚度得到提高。主轴悬伸量的大小往往受结构限制，主要取决于主轴端部的结构型式及尺寸、刀具或夹具的安装方式、前轴承的类型及配置、润滑与密封装置的结构尺寸等。4.支承跨距L 主轴前后支承跨距（简称支距）L对主轴组件的刚度、抗振性和旋转精度等有较大的影响。,1）支距L对主轴组件刚度的影响(1)刚性轴承上弹性主轴的端部位移y1(2)弹性轴承上刚性主轴的端部位移y2(3)主轴端部的总位移y(4)最佳支距L0的确定,2）支距L对主轴组件抗振性的影响(1)轴端共振频率f。(2)轴端共振幅值A。(3)工作平稳性 3）支距L对主轴组件旋转精度的影响 主轴、轴承及箱体孔的制造和装配质量所产生的误差，能够引起轴端的径向振摆。加大支距L，使振摆量减小，可提高主轴组件的旋转精度。综上所述，支距L的选定应考虑主轴组件的刚度、抗振性、旋转精度及结构等，一般原则是：1）主轴两支承结构 对于一般精度机床，支距可按刚度的最佳支距L0来选取（数值较小），其主轴组件的刚度和共振频率最高，共振幅值也很小。2）主轴三支承结构 前、中支距对主轴组件刚度和抗振性影响要比前、后支距的影响大得多，因此可按两支承主轴的最佳支距L0来选取，前、后支距可根据结构情况适当确定。,三、主轴组件刚度验算 对于普通机床的主轴，一般只进行刚度验算。通常能满足刚度要求的主轴，也能够满足强度的要求。只有重载荷机床的主轴才进行强度验算。对于高速主轴，还要进行临界转速的验算，以免发生共振。1.主轴组件弯曲刚度验算 验算内容有两项：1.验算主轴前支承处的变形转角是否满足轴承正常工作的要求；2.验算主轴悬伸端处的位移y是否满足加工精度的要求。对于粗加工机床，需验算、y值；对于精加工或半精加工机床只需验算y值；对于可进行粗加工又能半精加工的机床（如卧式车床），需验算值，同时还需按不同加工条件验算y值。1）主轴前支承处转角验算,计算时需要注意以下几个问题：（1）转角允许值（2）计算条件（3）当量切削力F（4）前支承反力矩系数（5）支承点的位置 2）主轴前端位移验算（1）近似计算（2）较准确计算 2.主轴扭转刚度验算 通常规定，主轴传递额定转矩时，在一定工作长度l上的扭角,主轴液体动压滑动轴承及静压滑动轴承,机床主轴组件采用的滑动轴承，根据其流体介质的不同，可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。液体滑动轴承按其油膜压力的形成方式，又可分为液体动压滑动轴承和液体静压滑动轴承。一、主轴液体动压滑动轴承 机床主轴动压轴承与一般动压轴承不尽相同，对主轴的旋转精度和油膜刚度有着更高的要求。1.几种常用的主轴多油楔滑动轴承 1）成形多油楔轴承 这种成形多油楔轴承的油囊加工比较困难，但轴承工作时的尺寸精度、接触状况及油楔参数等较为稳定；拆装后的变化小，维修较方便，因此可用于高精度磨床。对于动压滑动轴承，入口间隙h1与出口间隙h2所形成的油楔角大小，对其承载能力有很大影响。根据最佳间隙比可得入口间隙为h1=2.2h2=0.033mm。油囊最有利深度h=h1/2=0.018mm。,2）活动多油楔轴承 这种轴承是由三个或五个瓦块所组成。如图示三瓦式活动多油楔轴承，三个短瓦4各由一个球头螺钉所支承。,优点：结构简单、制造和维修方便，轴瓦与箱体孔不接触，故对箱体孔加工无特殊要求。缺点：轴瓦仅靠螺钉的球形头支承，虽然要求其接触面不少于80（配对研磨），但接触刚度仍比油膜刚度低得多，故使轴承的综合刚度下降。这种轴承广泛应用于各种外圆磨床和卧轴平面磨床上。,二、主轴液体静压滑动轴承 是利用轴承各个油腔中的静压力和节流器的调压作用，而把轴颈推向轴承中央位置的。在静压轴承常用的定压供油系统（向各个油腔的供油压ps为一定）中，每个油腔之前必须串联一个起调压作用的节流器，否则轴承就会失去承载能力。其调压作用是指当主轴受载偏移后，能使轴承在载荷方向上的两个油腔产生压力差以支承载荷，从而使静压轴承在液体摩擦状态下具有承载能力。,主轴的组件分析,分析的方法：1、主轴部件的支承形式 2、定位方式 3、主轴部件承载能力 4、速度性能 5、传动件布置方式 6、轴承调整与密封 7、综合性能分析,装圆锥滚子轴承的主轴组件,CA6140型车床主轴,CA6140型车床主轴,立铣主轴,9,1,思考题,1).主轴滚动轴承的选择原则有哪些方面要求?2).什么是精度保持性？3).什么是合理跨距?试分析主轴跨距是不是合理跨距时,对主轴组件刚度的影响?4).主轴定位方式有几种?各有何优缺点?5).主轴组件为什么要预紧?6).主轴组件要验算哪些项目?7).什么是高速主轴的临界转速?8).主轴密封有哪些种?9).主轴组件的分析,一般按哪些内容进行?试分析一主轴组件?,