第六章主轴组件设计.docx
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第六章主轴组件设计
第六章主轴组件设计
第一节主轴组件的功用和基本要求
一、主轴组件的功用、组成和特点
1.功用
主轴是机床传动链中的末端件,它直接带动刀具或工件做旋转运动(绝大多数情况下,该运动即为机床的主运动)。
2.组成
3.特点(与一般传动轴比)
①受力大
②变速范围大
③工作环境差
④刚度和精度要求高
二、主轴组件的基本要求
1.旋转精度
主轴的实际旋转中心线和理想旋转中心线是存在误差的,这一误差称为“旋转误差”(主要由制造误差、装配误差和受力后产生的变形等构成)。
旋转误差由三种基本形式组成:
实际中,用“旋转精度”来定义旋转误差的大小。
旋转精度有:
径向跳动、端面跳动和轴向窜动。
旋转精度的测量:
a)静态精度测量(主轴处于静止状态或低速空载。
用表具测量);
b)动态精度测量(主轴以正常工作速度旋转。
用传感器测量)。
2.静刚度(简称刚度)
刚度——物体在外力作用下抵抗弹性变形的能力。
3.抗振性
抗振性——机床抵抗受迫振动(和自激振动)的能力。
切削运动平稳性——机床抵抗自激振动的能力。
受迫振动——外来振动源造成的振动。
自激振动——自身工艺系统切削加工时造成的振动。
颤振——切削刃参与工作的宽度太宽造成的振动。
(“颤振”将使表面粗糙度明显变差)(见图6-1)
4.温升和热变形
5.精度保持性
第二节主轴组件的布局
一、两支承主轴轴承的配置型式(见表6-1)
1.适应刚度和承载能力
①滚子轴承>球轴承
②双列轴承>单列轴承(径向:
1号与4、9号相比)
③多个(同向)轴承>单个轴承(轴向:
7号与6号相比)
[注]承受纯轴向力时,推力球轴承刚度和承载能力最强。
2.适应转速
球轴承>滚子轴承
[注]推力球轴承允许转速低。
3.适应精度
精度——这里指的是主轴受热变形对加工精度的影响。
定位——这里指的是轴向定位。
表6-2推力轴承配置型式的比较
前端定位——承受轴向力的轴承全部在前支承中;
后端定位——承受轴向力的轴承全部在后支承中;
两端定位——承受轴向力的轴承分别在前、后支承中。
二、三支承主轴组件
(两个“主支承”+一个“辅助支承”)
主支承:
(其中必有承受轴向力的轴承)
位于“前”、“中”——约占80%;
位于“前”、“后”——约占20%。
辅助支承:
①轴承外圈与支承孔留有间隙;
②轴承沿轴向可在孔中“浮动”;
③纯径向支承。
三、主轴的传动方式
“齿轮传动”;“带传动”;“调速电机直接驱动”;
以及“内连式电动机高速主轴”等。
四、主轴传动件的布置
1.主传动齿轮的轴向位置
①主传动齿轮尽量靠近前支承(主轴前端刚性好;靠近支承变形小);
②低速齿轮(大齿轮)更靠近前支承。
2.主轴前一根轴的空间布置(见图6-3)
第三节主轴
一、主轴的结构
1.主轴的直径远大于传动轴
2.主轴的直径一般为前大后小
3.主轴的前端结构(见表6-3)
前端的功用:
①定位
②传递转矩
③紧固
二、主轴的材料与热处理(见表6-4)
[注]硬度符号写法:
22~28HRC;850~1000HV。
三、主轴的技术要求(见图6-4)
第四节主轴滚动轴承
一、主轴轴承的选择
轴承可分为滚动轴承和滑动轴承(一般指油压轴承)两大类。
滚动轴承和(油压)滑动轴承的特点比较后面介绍。
二、主轴滚动轴承
1.球轴承
深沟球轴承——纯径向。
刚度和承载能力较差,主轴中较少用;
推力球轴承——纯轴向。
轴向受力最好,但允许速度较低。
角接触球轴承——轴向、径向。
允许速度较高,若单向双个可提高刚度;
角接触球轴承有α=15°和α=25°两种接触角。
前者编号为7000C(旧编号36000)系列,多用于轴向载荷较小,转速较高的场合,如磨床主轴;后者为7000AC(旧编号46000)系列,多用于轴向载荷较大的场合,如加工中心主轴。
2.双列短圆柱滚子轴承(参考附图)
双列短圆柱滚子轴承是专为主轴而设计的轴承,特点是内孔为1∶12的锥孔,与主轴的锥形轴颈相配合。
可调,目的是消除径向间隙。
图6-5(a)为特轻型,属编号NN3000K(旧编号3182100)系列;图6-5(b)为超轻型,属编号NNU4900K(旧编号4382900)系列。
3.圆锥滚子轴承
圆锥滚子轴承能承受轴向和径向载荷,承载能力和刚度均较高,但允许速度较低。
(1)单列圆锥滚子轴承(实例参考图6-16、图6-21、图6-23)
(2)双列圆锥滚子轴承(图6-5c)
此轴承(图c)相当于两个单列轴承“背靠背”,可承受两个方向的轴向力。
(3)Gamet轴承(图6-5d、e)
图d与图c作用相同。
但其滚子做成中空,对冷却散热起到了很好的效果。
图e轴承配有弹簧,可在轴承磨损后自动补偿间隙;但弹簧的存在,使其不能承受轴向力,只能作为径向支承。
4.双向推力角接触球轴承(参考附图)
此轴承也是专为主轴而设计的轴承,接触角为60°,可承受两个方向的轴向力。
其外圆与孔之间有间隙,所以不能承受径向载荷。
上图隔套6在出厂前就根据用户对预紧力的要求修磨好,用户只需加力拧紧螺母即可。
此轴承编号为234400(旧编号2268100)。
5.主轴轴承的某些特殊要求(见书)
三、滚动轴承的预紧和间隙调整
1.滚动轴承的预紧
①内、外圈相对位移,压紧滚动体,滚动体均匀弹性变形;
②若不预紧:
(由于外力总是单方向的),如图6-6所示,当外力作用时,一侧滚动体受压变形,而另一侧则间隙加大。
2.滚动轴承的间隙调整
图6-10
[注]①轴承右端的隔套是为了限制轴承内圈的位移量,而不是为了限制轴承内圈的移动。
②关于“控制调整量”,严格说,可能只有d)图是准确的;
③b)图、c)图中轴承的右端可在拆卸时将轴承向左顶出;
图6-11
图6-11(b)中的δ值可通过下面试验精确求得。
[注]
上面附图a)为轴承“面对面”组合时,确定外圈隔套的修磨量;
上面附图b)为轴承“背靠背”组合时,确定内圈隔套的修磨量
图6-12
3.调整螺母的防松
图6-13
图a)双螺母防松——靠近隔套的螺母为“调整螺母”;靠外的为“锁紧螺母”。
图b)压块锁紧螺母防松——松开螺钉:
调整;拧紧螺钉:
锁住。
图c)圆螺母+止推垫圈防松——止推垫圈与轴“键”连接。
图d)双螺母防松——靠近隔套的螺母为“调整螺母”;后一个
螺母靠近后,对准孔,拧紧螺钉:
锁住。
图6-14
隔套的孔肩紧紧靠住轴肩,调整量正好(事先准确测算好的)。
但是,此图无法调整!
(此图只能是将轴承在轴上固定住)因为:
①此图装配方法是不能调整间隙的;
②图中为深沟球轴承,该轴承根本不能调整间隙!
四、滚动轴承的精度与配合
1.精度
主轴轴承的精度(主要决定于旋转精度),应该用P2、P4、P5(旧标准B、C、D)三级。
此外,又规定了SP级和UP级作为补充。
SP和UP级的旋转精度,分别相当于P4级和P2级,内外圈的尺寸精度,则分别相当于P5级和P4级。
[注]精度注脚(1、2、3……,数字越小,精度越高;0级最低)
各种精度等级的机床,主轴轴承的精度可参考(下面附表)选用,数控机床,可按精密级或高精度级选用。
目前,普通机床主轴轴承都有取P4(SP)级的趋势。
P6(旧E)级轴承,在机床主轴上已很少使用。
在机床主轴前、后支承的精度选取上,应该考虑将前轴承的精度选得略高些。
其理由见图6-15。
2.配合
轴承与孔,或轴承与轴的配合,可参考表6-8选用。
五、主轴组件结构举例
1.中等转速、较大载荷的主轴组件
(1)图6-16C7620型车床主轴组件
此图与第四章所讲的CA6140主轴的“支承状况”完全相同。
[注]图6-16中画出自左至右的第④、⑤、⑦根槽,不应该割槽。
(2)图6-18X52型铣床主轴组件
该主轴为“后端定位”,角接触球轴承“面对面”装配,用最上端轴承盖调整;前端的双列短圆柱滚子轴承用后端轴上的螺母调整。
力的传递:
主轴箱体(注意图中的力线及箭头)
(3)图6-19CW6163型车床主轴组件
图6-19与图6-20均为三支承主轴;均为“前端定位”。
前、后为主支承,中间轴承为辅助支承。
[注]图6-20中的螺母3即为图6-17所示螺母。
(4)图6-20CA6140型车床主轴组件
(5)图6-21T649型卧式镗铣床主轴组件(两层主轴组件)
左端为前端。
2又称镗轴,前端有莫氏锥孔,主要装镗杆进行镗孔,但也可装铣刀或其它刀具完成多种工序加工;镗轴由齿轮1,通过铣主轴3,并经两个键4带动转动;镗轴的支承为动压滑动轴承;镗轴的后端(图中未表示)有专门机构可推动镗轴轴向移动,并承受轴向力。
铣主轴3前端螺纹孔可装铣刀盘完成铣削;也可装“平旋盘”,
平旋盘上可安装较多的切削附件(如立铣头、万能铣头、钻削头等);铣主轴3为“前端定位”,后支承不影响轴的定位。
(6)图6-22装有Gamet轴承的主轴组件
(7)三支承主轴组件
图6-23为“两端定位”,前、中为主支承,后端轴承为辅助支承。
[注]三支承主轴因工艺性较差,现较少使用。
2.高转速、轻载荷的主轴组件
磨削要求较高的主运动线速度,因为v=πnd,而且内圆磨砂轮直径很小,因此要求转速很高(每分钟几万转,甚至于十几万转)。
图6-24
该主轴为“背靠背”装配,“两端定位”。
前后各用两个同向轴承以提高径向刚度,确保转动平稳;弹簧3可自动补偿轴承磨损后产生的间隙;弹簧3的存在,使该主轴轴向定位精度不高,且轴向受力能力较低,而这对于磨削来说影响不大,反而是有利于运动的平稳性。
3.以轴向力为主的主轴组件
图6-25
前后各一个推力球轴承,“两端定位”。
加工时主轴受到的轴向力,经推力球轴承传到隔套2,再通过齿条,由齿轮6承受。
六、主轴滚动轴承的润滑与密封
1.润滑
(1)脂润滑
滚动轴承应尽量用脂润滑,脂润滑特别适用于立式主轴(如钻床、坐标镗床、立式加工中心等)。
(2)油润滑
主轴轴承的速度较高时,宜采用油润滑。
油润滑的方式有:
油浴、滴油、循环、喷油和油雾等。
[注]速度高低是指线速度,一般用速度因子dn来判断。
(dn——即轴承直径与转速的乘积。
)
2.密封
作用:
防止油向外漏出,以及防止赃物或水分侵入。
主要分为“接触式”和“非接触式”两大类:
(1)接触式
由各类密封圈进行密封。
(适用于低速主轴)
(2)非接触式
a)迷宫式(参考图6-18)
b)间隙式
①间隙<0.2~0.3mm;
②油润滑时,配备甩油环,并钻出回油孔回油。
第五节主轴滑动轴承
轴承——轴的支承。
接触面为滑动摩擦,则是滑动轴承。
1.普通滑动轴承,俗称轴瓦,又叫衬套,多用有色金属(如铜合金)制作。
其结构简单、尺寸小,制造方便,成本低。
但滑动摩擦的特性使其磨损严重,尤其在高速情况下。
现偶尔会在一些低速、轻载场合使用。
2.变滑动摩擦为滚动摩擦!
滚动轴承的出现,彻底颠覆了历史悠久的普通滑动轴承的地位。
但滚动轴承接触面小、易振动……
3.油压轴承——以滑动轴承为基础加以改造,轴承与轴之间依然以“面”相对。
但与普通滑动轴承不同的是,油压轴承的轴与轴承之间留出了间隙(不是间隙配合!
),间隙中加入油,赋予油压力,压力油使轴悬浮在轴承中间(没有刚体接触)。
这样,在运动时,摩擦性质变成了液体摩擦。
油压轴承分为动压轴承和静压轴承两大类。
一、液体动压轴承
动压——即先有轴的运动,再有油的压力。
由于通过斜楔缝隙受到了极大阻力,因而建立起油膜压力;由于斜楔的存在,轴只能朝一个方向旋转。
速度较低时建立不起油膜压力。
二、液体静压轴承
1.动压轴承输入的是没有压力的油,需要在较高转速下才能建立起压力油膜;(因此动压轴承只适合作高速轴的轴承)
静压轴承则是输入有压力的油,不管轴是高速还是低速运转,甚至不动,压力油都能将轴托起。
(因此静压轴承适合在各种场合使用)
2.动压轴承限制轴只能单方向旋转。
(因此如车床主轴就不能采用动压轴承)
静压轴承则不限制轴的转向。
三、空气静压轴承
四、滚动轴承和油压轴承的选择
从下面附表可以看出,油压轴承的性能全方位地高于滚动轴承。
但油压轴承是本厂自制,这使得制造难度、制造精度以及成本都成为选用的极大障碍。
因此,在实际设计时,滚动轴承仍应成为设计者的首选。
油压轴承目前主要应用在一些特定的、精度等要求较高的设备上。
当然,随着技术的不断提高,油压轴承前景应该看好。
第五节主轴组件的计算
一、主轴组件结构参数的确定
1.主轴直径
平均直径D——由于多数主轴的直径差较大,因此,D仅作为估算主轴刚度的定性指标。
(定量计算则还需考虑很多附加因素)
轴颈——安装承受径向载荷轴承处的轴的直径。
前轴颈直径D1——(设计主轴时首先确定该直径值)
后轴颈直径D2:
D2=(0.7~0.8)D1
[注1]D2的公式在实际设计时仅作为参考,不要作为设计依据。
[注2]在满足主轴刚度的前提下,应使主轴直径D尽可能地小!
2.主轴内孔直径d
一般使d/D<0.7(见图6-32)
3.主轴前端悬伸量a
[注]若结构允许,悬伸量a越小越好!
4.支承跨距L
其中:
E——钢的弹性模量
KA——前支承刚度
KB——后支承刚度
由上式可见:
D以四次方变化,影响最大;
a以二次方和三次方变化,影响较大;
L在分子和分母上均有。
显然,存在一个最佳跨距L0,通常,取合理跨距:
L合理=(0.75~1.5)L0
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- 第六章 主轴组件设计 第六 主轴 组件 设计