《机械制造装备设计》讲义(5)要点

1、第五章 主轴组件设计§ 5-1 概 述主轴组件包括：主轴、轴承、传动件、紧固件、密封件及定位元件等元件。主轴组件是一个执行部件,直接参与工件表面的成形,主轴性能优劣将直接影响加工质量和生产率 ,因此，对主轴部件要有较高的要求。一、 主轴部件设计应满足的要求1. 旋转精度指主轴装配后，在手动或低速空载条件下，在主轴端部的 径向 和 轴向跳动 。旋转精度取决于组成主轴部件的主要零件的 加工精度 （如主轴、 轴承、 轴承孔等） 及它们的 装配精度 。2. 刚度指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所需施加的作用力来表示。单位： N/m它综合地反映了主

2、轴和轴承抵抗变形的能力（静刚度） 。影响主轴部件刚度的主要因素：主轴的结构尺寸、 轴承的类型和配置形式、 预紧、 传动件的布置方式、 主轴部件的制造和装配精度等。通过 CAE 对主轴的结构尺寸进行优化设计。3. 抗振性指主轴组件抵抗振动（受迫振动和自激振动）的能力。受迫振动 ：外界激振源（主轴本身的旋转不平衡、断续切削、齿轮啮合等引起的） ，交变力作用。自激振动 ：切削过程中当外界激振力接近主轴系统的固有频率时，发生共振（颤振） 。主轴部件的振动会严重影响工件的加工质量 （粗糙度） 和刀具的使用寿命， 降低生产率， 并产生噪声。影响抗振性的主要因素:主轴部件的静刚度;质量分布以及阻尼（阻尼器抑

3、制振动）。采用动态优化设计，提高主轴组件的固有频率，使之远离激振源频率，主轴部件的低阶固有频率与振型是其抗振性的主要评价指标。低阶固有频率应远高于激振频率，使其不容易发生共振。4. 温升和热变形摩擦、搅油损耗、切削区的切削热等使主轴部件的温度升高。热变形对加工精度的影响：? 导致主轴原有的位置发生变化，直接影响着加工精度。? 温升过高使得原有已调整好的轴承间隙发生变化，间隙小，影响轴承正常工作，使轴承过快磨损，严重时甚至烧伤。影响主轴组件温升的主要因素 ：轴承类型和布置、轴承间隙大小、润滑方式和散热条件等。5. 耐磨性 （精度保持性）精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力。主轴部件丧失其

4、原始精度的主要原因是磨损 。易磨损部位：轴承、装夹工件或刀具的定位表面（内锥孔）。提高内锥孔耐磨性方法 ：提高硬度。影响磨损的因素： （ 1）选材、热处理及使用条件； （ 2）轴承类型的选取及其润滑方式。二主轴组件的传动1、主轴组件传动方式的确定主要根据主轴转速的高低、所需传递的扭矩大小和运动平稳性等要求来确定。2、主轴组件的传动方式(1)齿轮传动：传递扭矩大，线速度不能太高主轴上尽量避免滑移齿轮(有间隙，振动) ，齿轮与主轴最好是圆锥面配合，并且是磨齿处理。(2)带传动带传动具有弹性，可以吸振，运转平稳，适用于高速传动，可以达到3050m/s以上。通常有平带、三角带、多楔带、同步齿形带，除了

5、同步齿形带外，带传动依靠摩擦传动，因此有打滑 现象，不适用于传动比准确的场合。同步齿形带无打滑，传动比准确，近年来在数控机床的传动中应用较多。(3)电机直接驱动(电主轴)电主轴是主传动系统中零传动”的典型结构。电机置于主轴箱内，其转子直接安装在机床主轴上，主轴的转速用电机的变频调速与矢量控制装置来 实现。电主轴的优点：a.超高速加工需要很大的加减速，只能取消中间环节(转动惯量小)，将电机和主轴 含二为b.取消中间环节可以保证高速时振动、噪声小，可以大大提高加工精度和表面质量。c.主电机置于前后支承之间，可以大大提高主轴系统 的刚度和固有频率，避免超高速下共振(安全性)。三、主轴上传动件的布置d

6、.结构简单，独立部件，由专业化生产(定做)。电主轴是一种高科技机电一体化产品，著名的生产厂家有:瑞士 ： Fischer, Ibag, Step_up瑞典：SKF德国：GMN , FAG美国：Precise日本：NSK, Koyo洛阳轴承研究所主要指传动件的轴向位置布置，1 .传动件在主轴上的布置原则(1)齿轮布置在靠近主轴前轴承的位置上。这时主轴传递扭矩的部分较短，可以减少弯曲和扭转变形。(2)若是两个齿轮传动， 应使较大的齿轮靠近主轴前端 ，因 为大齿轮低速时作用力大，靠近前支承，弯矩小，弯曲变形小。2 .传动件轴向位置布置方式(图516)(1)卸荷式主轴： 主轴不承受径向力。 P99,图

7、3 24。(2)后端布置：主轴前端承受切削力 P,后端承受传动力 Q, 适合于皮带传动。更换皮带方便。如外圆磨床。(3)前端布置：主轴前端承受切削力 P和传动力Q.引起的主轴前端变形部分地相互抵消，前支承支反力也较小。但导致 主轴悬伸增加，影响主轴刚度，适用于大型、重型机床。(4)中间布置：靠近前支承减少弯曲和扭转变形；两个齿轮时，大齿轮靠近前支承；c图前支承力大，主轴前端位移小，适用精密机床；d图支反力小，位移大，适用普通精度机床。§5-2主轴部件的结构设计、主轴组件的支承方式1 .两支承形式：适用于短主轴的支承，多数主轴采用的支承方式。2 .三支承的形式：跨距较大的主轴采用这种方

8、式前后主支承，中间辅助支承 ”（图3-24, P.99）;前中主支承，后辅助支承 ”（图3-30, P.105）;主要支承要进行预紧处理，辅助支承要有一定的游隙。二.主轴组件中的推力轴承的配置方式推力轴承主要影响主轴轴向刚度、热变形的方向和大小。1 .前端配置方式（图a, b）：前端承受轴向力，轴承多，发热大； 主轴热伸长向后跑，不影响轴向定位精度。适用于轴向精度和刚度要 求高的高精度机床及 NC机床。2 .后端配置方式（图c）：后端承受轴向力，前端发热小；主轴热 伸长向前跑，影响轴向定位精度。适用于轴向精度要求不高的普通机 床，如立铳、多刀车床。3 .两端配置方式（图d,e）:图d热伸长后间

9、隙增大.图c热伸长易 使主轴纵向弯曲，影响轴承的轴向间隙和精度。三.主轴结构1、结构特点a.空心阶梯形：惯性小，安装送夹料机构（棒料的最大直径）；铳床主轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆等。b.前端粗，后端小： 便于装配，前端刚大。c.主轴前端形状和尺寸已经标准化：装刀具、卡盘。1匚molN如6后轴径 D2= (0.70.85) D12、选材和热处理：主轴材料一般选择中碳钢，要求高时用合金钢，并经过严格热处理（调质处理、 淬火）。对于超精密机床主轴，也用全陶瓷主轴（热变形非常小）。3、技术要求：设计基准，加工基准，要求基准统一。四.主轴组件的设计计算1、经验设计计算主要的结构参数有主轴前、后轴颈直径D

10、l和D2,主轴内孔直径 d,主轴前端悬伸 量a,主轴的支承跨距 L。这些参数直接影 响主轴静刚度 和动刚度。按照以下步骤进行：（1）主轴前轴径D1选取（经验统计方法）按照机床类型、主轴传递功率大小或最大加工直径来选取。车、铳床的 （2）内孔直径d确定：与其用途有关车床主轴内孔 d= （5560%）主轴平均直径。一般内孔不能太大，否则会削弱主轴的刚度。铳床主轴内孔d比刀具拉杆直径大 510mm。,床、工 ET.f工75+ 5& 6-7+ 21 "1111-14,7L】4.I170-9070-10595-130110745140165150-190fiO-907570090705

11、100115506055 7©7Q-蒯75-9075)0090700f mm)« 3 10主粕前轴董的直校巴(3)主轴前端的悬伸量 a确定：取决于主轴端部的结构、前支承轴承配置和密封装置的型式和尺寸，由结构设计确定，如腔体加工，要求主轴悬伸量大。悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大.因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短主轴端的悬伸量。(4)主轴的合理支承跨距确定主轴组件的刚度 主要取决于 主轴本身的刚度 和主轴支承的刚度，而主轴本身的刚度与主轴支承跨距 有很大关系。卜面通过材料力学的方法推导最佳跨距公式的三/胡士蛹槛期当力后的总瓶a.刚性支承上弹性主轴端部的位移

12、y1:日当a已知、P 一定时，以回和回(悬伸比)为变量绘制曲线图。结论：由于主轴本身变形引起的端部挠度，随着支承跨距的加大而成线形增加 (图示1)。b.弹性支承上刚性主轴端部的位移y2:设支承刚度为：cl和c2国和m为双曲线关系,随着回增加，©急剧减少，并趋于平缓（图示2）。c.位移综合：y=y1+y2 ,最佳跨距。上述最佳跨距可以通过曲线图方法求解（查机床设计手册）。也可以根据经验公式计算：L0= （23.5） a。支承跨距的选择往往受到结构的限制（如变速机构、总体尺寸等），这时可以通过改变支承结构、布局、主轴直径等方法，满足刚度要求。从上述计算可以看出：经验设计存在着很大误差，要

13、确定出合理的结构尺寸，必须通过CAE方法确a£o§ 5-3主轴轴承、主轴轴承的选用常用轴承主要有两大类：滚动轴承和滑动轴承。综合考虑工作要求、载荷条件、制造条件和经济效果进行轴承的选择。1 .滚动轴承优点：可以在转速和载荷较大的情况下稳定工作；摩擦系数小，发热少、功率损失小;可以在无间隙或预紧下工作，可以提高旋转精度；专业化生产，成本低，质量稳定；润滑容易。缺点：滚动体数目有限，刚度变化，易引起振动和噪声；径向尺寸大。2 .滑轴承优点：运动平稳。抗振性好。液体油膜，阻尼特性好。缺点：制造、结构较复杂，要求精度高。一般需要进行具体设计计算，非专业化生产。一般来讲，尽量选用滚动

14、轴承，只有高精度、精密或重型机床采用滑动轴承。二、滚动轴承1 .分类（1）角接触球轴承常用接触角为15。式使用，可以进行轴承预紧。25。；可以同时承受轴向和径向载荷,极限转速较高，通常使以组合的方图用接连璋馅痕的组配Mi ff + it b）面对/ I苒I-1"1向 十反向角接触球轴承的配置方式:a.背靠背组合：承双向载荷， 角刚度大，轴向 伸长使预紧减少；b.面对面组合：承双向载荷，角刚度小，轴向伸长使预紧增加；c.同向组合：单向承载；有三联组配、四联组 配形式。（2）双列短圆柱滚子轴承内圈为1:12的锥孔，内外圈分离，禾I用锥 孔进行消隙处理，只能承受径向力，旋转精度高， 径向尺

15、寸小，适用：径向载荷大、刚度要求高、中转速的场合。如 CA6140。（3）双向推力角接触球轴承接触角为40。、60。，主要承受双向轴向载荷，常与双列短圆柱滚子轴承配合使用，可以进行预 紧，允许的极限转速比推力轴承高，滚球的离心力由外滚道承载。适用：高速、精密主轴组件中。（4）圆锥滚子轴承有单列和双列两类，这种轴承可以承受轴向和径向载荷，单列承受一个方向的轴向载荷，双列可以承受两个方向的轴向载荷；刚度和承载力大，滚子大端与挡边滑动摩擦，发热大，极限转速低。双列可以预 紧，主要用于前支承。空心滚子，可以减振（两侧滚子数相差一个，刚度变化的频率不同），吸振（中空有润滑油），润滑、散热效果好，为法国加

16、梅（Gamet）公司专利产品。（5）陶瓷轴承一般有三种类型：滚动体为陶瓷材料；滚动体和内圈为陶瓷材料；全陶瓷材料。陶瓷材料为氮化硅，密度为钢的40%,线膨胀系数比钢小得多（1/4）,弹性模量比钢大，在相同承载下，陶瓷轴承的滚球可以很小， 离心力远远小于一般轴承，热膨胀小，因此更适合于目前的高速、 超高速、精密机床的主轴组件。2.主轴轴承的配置方式主轴轴承的配置方式应根据主轴的转速、刚度、承载能力、抗振性和噪声要求来选择。通常有以下三种配置型式：（1）速度型前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联），当轴向力较大时，选用接触角为25°的球轴承（轴向刚度好）；当轴向力较小时，选用接触角为1

17、5°的球轴承。角接触轴承具有良好的 高速性能，但承载能力较小，适用于高速轻载或精密机床，如镇削单元、高速 CNC车床等。(2)刚度型前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60”角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。P130这种轴承配置的主轴部件适用于中等转速 和切削负载较大，要求刚度高的机床。如图 366(P131)所示的数控车床主轴、链削主轴单元等。(3)刚度速度型前轴承采用 三联角接触 球轴承，后支承采用 双列短圆柱滚子轴承。主轴的动力从后端传入，后轴承要 承受较大的传动力，所以采用双列短圆柱滚子轴承。前轴承的配置特点是：外侧的两个角接触球轴承大

18、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。如图367所示(p.131)的卧式铳床的主轴，要求径向刚度好、并有较高的转速。眼JJL；卧式帙床£3.轴承精度等级的选择? 主轴的前、后轴承的精度 对主轴旋转精度的影响是不同的。(1) 后轴承偏移量为零时，由前轴承偏移量引起的主轴前端轴心偏移量为:回(3)(2), ,当 一1刖、时，X=0结论：(1)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，前轴承的精度要选得高一点，一般比后轴承精度高一级。(2)在安

19、装主轴轴承时，如 将前、后轴承的偏移方向放在同一侧时，可以有效地减少主轴端部的偏移。(3)如后轴承的偏移量适当地比前轴承的大，可使主轴端部的偏移量为零。? 主轴轴承精度标准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。 不同精度等级的机床，主轴轴承精度选择可参考表3-15 （p.134）。数控机床可按精密级或高精密级选择。轴承的精度不但影响主轴组件的旋转精度，而且也影响刚度和抗振性。随着机床向高速、高精度发展，目前普通机床主

20、轴轴承都趋向于取P4 （SP）级，而P6 （旧E级）级轴承在新设计的机床主轴部件中已很少采用。4 .轴承的预紧及间隙调整预紧是通过预加载荷消除轴承间隙，并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。预紧是提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性的重要手段。主轴部件的主要支承轴承都要预紧，有 径向、轴向两种预紧情况。预紧量要根据载荷和转速来确定，不能过大，否则预紧后发热较多、温升高、 轴承寿命降低。预紧力或预紧量用专门仪器测量。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。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。专业化生产的主

21、轴单元出厂时已经预紧。3-T6琳Mt触目聃*懵噩3 塞女内鼻囿kO 离词看耳 0眼小动总卡5 .润滑和密封（1）润滑： 润滑的目的 是降低轴承的温升。通常有油润滑和脂润滑两种。脂润滑：粘附力强、油膜厚，不易流失、密封简单。特别适用于立式机床，如钻床、立式加工中心、 坐标镇床等。油润滑：根据转速和轴承的大小来选择，一般有：油浴、滴 油、油雾（雾化）、油气（混合物）等润滑方式；油 润滑在润滑的同时还起到冷却作用。（2）密封密封的作用是防止冷却液、灰尘等杂质进入轴承，同时又使避免润滑剂泄露。密封方式：接触式和非接触式两种。a.弹性元件接触式密封：毛毡：主要用于密封润滑脂，也可密封润滑油。b.皮碗式密

22、封：油封圈式（皮革或合成材料）主要用于防尘和挡润滑脂（不能用于油润滑密封）c.档油圈式和油沟式密封：档油圈式：利用离心力甩油作用，将油返回轴承。（78m/s）油沟式：利用螺旋输送原理，将油送回，防止外泄。（45m/s）d.垫圈式、迷宫式密封：e.立式主轴的密封：图552垫圈式、圈形间隙式和迷宫式密封装置三、滑动轴承? 滑动轴承的特点：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：适用于高速或低速的精密级、高精密机床和数控机床中。? 主轴滑动轴承类型：按产生油膜的方式可分为：动压轴承 和静压轴承 两类。按流体介质不同可分为： 液体和气体滑动轴承。1 .动压滑动轴承主轴动压轴承多为多油楔式单油楔：精度和刚度低，已经不用了。（1）固定多油楔式：图示为MG1420高精度外圆磨床的主轴系统。轴瓦周向均匀开5个油囊，单向旋转，油囊形状为阿基米德螺旋线，铲削而成；油泵低压供油，防止起停时干摩擦。（2）活动多油楔式：磨床通常有三片瓦、五片瓦。其球形支承可以根据外载大小自动调整油楔中的间隙，自动找到平衡位 置，适用于高速磨床主轴上。2 .静压轴承动压轴承必须在一定的转速下才能产生油膜（由运动形成油膜），而对于低速或转速变化范围较大的主轴，主轴启动时低速不能形