《机械制造装备设计》讲义(5)要点

1、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它综合地反映了主轴和轴承抵抗

2、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:1主轴部件的静刚度;2质量分布以及阻尼（阻尼器抑制

3、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

4、件丧失其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。22、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）（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，除了同步齿形带外，带传动依靠摩擦传

5、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：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 合二为一 ”。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。主电机置于前后支承之间， 可以大大提高主轴系统 结构简单，独立部件，由专业化生产（定做）。 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

6、：适用于短主轴的支承，多数主轴米用的支承方式。v 1215m/s，齿轮与主轴最好是圆锥面配合，并且是磨齿处理。a.b.c.d.的刚度和固有频率，避免超高速下共振（安全性）。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德国美国日本GMN,FAGPreciseNSK, Koyo洛阳轴承研究所三、主轴上传动件的布置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 为大齿轮低速时作用力

7、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5-16）（1）卸荷式主轴： 主轴不承受径向力。P99，图324。（2）后端布置：主轴前端承受切削力P,后端承受传动力 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,轴前端位移小，适用精密机床；，因Q,L 一 -一“41饥rl图5 18传动件的布局大齿轮靠近前支承；c图前支承力大，主d图支反力小，位移大，适用普

8、通精度机床。FABQ32.三支承的形式：跨距较大的主轴采用这种方式前后主支承，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

9、车床。3.两端配置方式（图d,e）：图d热伸长后间隙增大.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。2、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DI和D2

10、，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、铳床的后轴径D2=（0.70.85）D1（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。铳床主轴内孔d比刀具拉杆直径大510mm。一般内孔不能太大，否则会削弱主轴的刚度。amol4a.冈册支承上弹性主轴端部的位移y1:yiPa33EI当a已知、P一定时，以 里和L(悬伸比)为变量绘制曲线P a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* 3 1

11、0 主轴蘭轴毎的径 P(mm)* It、2. 63 63x T5* 5S. f*-7- 2m11K，7】4. LW_709070-10595-130110-115140165150-190609575*10090-105100-11550T070(075-9075-)00$0100(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, 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

12、主轴本身的刚度与主轴支承跨距 有很大关系。设计时应尽量F面通过材料力学的方法推导最佳跨距公式阖&盘士輔碟蛇呼力后的恋册5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c2y2P(1 ”)2宇1 G C2L L上和为双曲线关系，随着L增加，兰急剧减少，并趋于平缓(图示2)。P aaPc.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

13、计算可以看出：经验设计存在着很大误差，要确定出合理的结构尺寸，必须通过CAE方法确6 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;3可以在无间隙或预紧下工作，可以提高旋转精度；4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

14、讲，尽量选用滚动轴承，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、25；可以同时承受轴向和径向载荷，极限转速较高，通常使以组合的方式使用，可以进行轴承预紧。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U用锥 孔进行消隙处理，只能承受径向力，旋转精度高， 径向尺寸小,圏弘銘 匍揺瑋衲床的7适用：径向载荷大、刚度要求高、中转速的场合。如（

15、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）散热效果好，为法国加梅（Gamet）公司专利产品。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，

16、如镗削单元、高速CNC车床等。CA6140。，吸振（中空有润滑油），润滑、（5）陶瓷轴承一般有三种类型：陶瓷材料为氮化硅，密度为钢的滚动体为陶瓷材料；滚动体和内圈为陶瓷材料；40%，线膨胀系数比钢小得多（ 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，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、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） 刚度好）；当轴向力较小时，选用接触角为15全陶瓷材料。1/4），弹性模量比钢大，在相同承载因此更适合于目前的高速、超高速、承载能力、抗振性和噪声要求来选择。，当轴向力较大

17、时，选用接触角为25的球轴承（轴向的球轴承。O I8(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3-66(P131)所示的数控车床主轴、镗削主轴单元等。(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

18、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3-67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。93.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:后轴前轴结论： (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咼一点，一般比后轴承精度咼一级。(2)在安装主轴轴承时，如 将前、后轴承的偏移方向放在冋一侧时，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

19、的偏移量为零。(3)a(a L)baL，当b时，X=0L a(2)10?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

20、.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。专业化生产的主轴单元出厂时已经预紧。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

21、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、 坐标镗床等。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。密圭寸方式：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.皮碗式密圭寸：油圭寸圈式（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圭寸：档油圈式：利用离心力甩油作用，将油返回轴承。（78m/s

22、）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、迷宫式密圭寸：e.立式主轴的密圭寸：ffl 3-76囹 A 鈿 貝菽弹性元件的11图垫圈式、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成油