机床主要部件设计_主轴组件设计

1、机械制造装备设计机械制造装备设计 本本 章章 讲讲 授授 内内 容容 第一节第一节 主轴组件设计主轴组件设计 第二节第二节 支承件设计支承件设计 第三节第三节 导轨设计导轨设计 第四节第四节 滚珠丝杠螺母副机构简介滚珠丝杠螺母副机构简介第四章第四章 机床主要部件设计机床主要部件设计 基基 本本 要要 求求 旋转精度旋转精度 刚度刚度 抗振性抗振性 温升和热变性温升和热变性 精度保持性精度保持性)(mNFK / / 如外圆磨床主轴刚度不足时，如外圆磨床主轴刚度不足时，在磨削力作用下主轴变形到在磨削力作用下主轴变形到位置位置2 2，砂轮母线偏移，使，砂轮母线偏移，使被加工表面上出现螺旋形花被加工表

2、面上出现螺旋形花纹，降低了加工表面的质量。纹，降低了加工表面的质量。常用轴承：滚动轴承和滑动轴承常用轴承：滚动轴承和滑动轴承1 1）常用的滚动轴承）常用的滚动轴承 双列圆柱滚子轴承双列圆柱滚子轴承双向推力角接触球轴承双向推力角接触球轴承角接触球轴承角接触球轴承双列圆锥滚子轴承双列圆锥滚子轴承深沟球轴承深沟球轴承滚针轴承滚针轴承 2 2）其它几种主轴滚动轴承）其它几种主轴滚动轴承1 1 角接触球轴承角接触球轴承 接触角接触角a a=0=0，深沟球轴承（，深沟球轴承（6000060000），主要用来承受径向力，也），主要用来承受径向力，也能承受一些轴向力，轴向位移限制在轴向游隙范围内，不能调整能承

3、受一些轴向力，轴向位移限制在轴向游隙范围内，不能调整间隙，承载能力较差，允许极限转速高。常用于精度和刚度要求间隙，承载能力较差，允许极限转速高。常用于精度和刚度要求不高的场合，如钻床主轴。不高的场合，如钻床主轴。 0 0 aa=45=45，角接触球轴承（，角接触球轴承（7000070000）既可承受径向载荷又可承）既可承受径向载荷又可承受一定的单向轴向载荷，多为受一定的单向轴向载荷，多为1515和和2525，高速主轴场合。，高速主轴场合。 4545 aa450或者试样过小时，不能采用布氏硬度而或者试样过小时，不能采用布氏硬度而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角12

4、0度的金刚石圆锥体或直径度的金刚石圆锥体或直径为为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度，根据试验材料硬度的不同，分三种不同痕的深度求出材料的硬度，根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：的标度来表示：HRA是采用是采用60kg载荷和钻石锥压入器求的的硬度，载荷和钻石锥压入器求的的硬度，用于硬度极高的材料；用于硬度极高的材料；HRB是采用是采用100kg载荷和直径载荷和直径1.58淬硬的钢淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料；球，求得的硬度，用于硬度较低的材料；HRC是采用是采用150kg载

5、荷和载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。维氏硬度维氏硬度HV以以120kg以内的载荷和顶角为以内的载荷和顶角为136度的金刚石方形度的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值 主轴的精度主轴的精度直接影响主轴组件的直接影响主轴组件的旋转精度旋转精度 主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和几何形状误差和表面粗糙度表面粗糙度，关系到接触刚度，关系到接触刚度 设计主轴时，必须根据机床精度标准有关的项目制定设计主轴时，必

6、须根据机床精度标准有关的项目制定合理合理的技术要求的技术要求。通过带上的齿形与通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力合传递运动和动力。同步齿形带的齿。同步齿形带的齿形有两种形有两种: :梯形齿和梯形齿和圆弧齿。圆弧齿。主轴单元大大简化了主轴单元大大简化了结构，有效地提高了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和扭较大的驱动功率和扭矩；便于组织专业化矩；便于组织专业化生产。广泛应用于精生产。广泛应用于精密机床、高速加工中密机床、高速加工中心和数控车床中。心和数控车床中。

7、辅助支承常采用刚度和承载能力较小的轴承辅助支承常采用刚度和承载能力较小的轴承，其外圈与支，其外圈与支承座孔的配合比主要支承松承座孔的配合比主要支承松1-21-2级，保证有一定的间隙，以级，保证有一定的间隙，以解决三孔不同轴的问题。解决三孔不同轴的问题。统计结果表明：采用三支承结构的主轴，以前、中支承为统计结果表明：采用三支承结构的主轴，以前、中支承为主要支承的约占主要支承的约占80%;80%;以前、后支承为主要支承的约占以前、后支承为主要支承的约占20%20%。三支承主轴轴承配置形式与两支承主轴相类似，其两个主三支承主轴轴承配置形式与两支承主轴相类似，其两个主要支承的配置基本上与两支承的情况相

8、同。要支承的配置基本上与两支承的情况相同。辅助支承通常选用向心球轴承或向心圆柱滚子轴承。辅助支承通常选用向心球轴承或向心圆柱滚子轴承。1. 1. 防止灰尘、屑未和切削液等进入轴承，以减少腐蚀和磨损；防止灰尘、屑未和切削液等进入轴承，以减少腐蚀和磨损；2. 2. 防止润滑油外漏，保护环境，避免污染。防止润滑油外漏，保护环境，避免污染。分接触式密封和非接触式密封两类。分接触式密封和非接触式密封两类。接触式接触式: : 有摩擦和磨损，发热严重，用于低速主轴。有摩擦和磨损，发热严重，用于低速主轴。非接触式非接触式: : 迷宫式和隙缝式，发热很小，应用广泛。迷宫式和隙缝式，发热很小，应用广泛。为保证密封

9、作用，旋转部分与固定部分之间的径向间隙应为保证密封作用，旋转部分与固定部分之间的径向间隙应小于小于0.20.20.3mm0.3mm，还要有回孔油，以防漏油。，还要有回孔油，以防漏油。一、提高主轴组件的旋转精度一、提高主轴组件的旋转精度 1.1.选配法选配法 2.2.装配后加工装配后加工二、提高主轴组件的刚度二、提高主轴组件的刚度 1.1.加大主轴直径加大主轴直径 2.2.缩短悬伸量缩短悬伸量 3.3.提高前后支承刚度提高前后支承刚度三、提高主轴组件的抗振性三、提高主轴组件的抗振性 1.1.增加阻尼增加阻尼 2.2.增加平衡装置增加平衡装置 3.3.采用消振器采用消振器四、控制主轴组件的温升和热

10、变形四、控制主轴组件的温升和热变形 1.1.减少发热减少发热 2.2.加强散热加强散热 3.3.补偿热变形补偿热变形 4.4.热对称结构设计热对称结构设计 (1)(1)退火：退火：指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间，指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。常见的退火工艺有：再结晶退然后缓慢冷却的热处理工艺。常见的退火工艺有：再结晶退火，去应力退火，球化退火，完全退火等。火，去应力退火，球化退火，完全退火等。退火的目的退火的目的：主：主要是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力要是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力，

11、提高组织和成分的均匀化，或为后道加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化，或为后道热处理作好组织准备等。热处理作好组织准备等。(2)(2)正火：正火：指将钢材或钢件加热到指将钢材或钢件加热到Ac3Ac3或或AcmAcm( (钢的上临界点钢的上临界点温度温度) )以上以上30305050【757-962 757-962 】，保持适当时间后，在静】，保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的正火的目的：主要是提高：主要是提高低碳钢的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织低碳钢的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好

12、组织准备等。缺陷，为后道热处理作好组织准备等。 (3)(3)淬火：淬火：指将钢件加热到指将钢件加热到Ac3Ac3或或Ac1(Ac1(钢的下临界点温度钢的下临界点温度) )以以上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体马氏体( (或贝氏体或贝氏体) )组织的热处理工艺。常见的淬火工艺有盐浴组织的热处理工艺。常见的淬火工艺有盐浴淬火，马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬淬火，马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬火等。火等。淬火的目的淬火的目的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件：使钢件获得所需的马氏体

13、组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。 (4)(4)回火：回火：指钢件经淬硬后，再加热到指钢件经淬硬后，再加热到Ac1Ac1以下的某一温度，以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。回火的回火的目的：目的：主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等

14、。的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。 (5)(5)调质：调质：指将钢材或钢件进行淬火指将钢材或钢件进行淬火+ +高温回火的复合热处高温回火的复合热处理工艺。使用于调质处理的钢称调质钢。它一般是指中碳结构理工艺。使用于调质处理的钢称调质钢。它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。钢和中碳合金结构钢。调质目的：调质目的：改善材料硬度，提高材料综改善材料硬度，提高材料综合机械性能。合机械性能。 (6)(6)化学热处理：化学热处理：指金属或合金工件置于一定温度的活性介指金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成质中保温，使一种或几种元素渗入它的表

15、层，以改变其化学成分，组织和性能的热处理工艺。常见的化学热处理工艺有：渗分，组织和性能的热处理工艺。常见的化学热处理工艺有：渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗铝，渗硼等。碳，渗氮，碳氮共渗，渗铝，渗硼等。化学热处理的目的化学热处理的目的：主：主要是提高钢件表面的硬度，耐磨性，抗蚀性，抗疲劳强度和抗要是提高钢件表面的硬度，耐磨性，抗蚀性，抗疲劳强度和抗氧化性等。氧化性等。 (7)(7)固溶处理：固溶处理：指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。热处理工

16、艺。固溶处理的目的：固溶处理的目的：主要是改善钢和合金的塑性和主要是改善钢和合金的塑性和韧性，为沉淀硬化处理作好准备等。韧性，为沉淀硬化处理作好准备等。(8)(8)沉淀硬化沉淀硬化( (析出强化析出强化) )：指金属在过饱和固溶体中溶质原指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和子偏聚区和( (或或) )由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。如奥氏体沉淀不锈钢在固溶处理后或经冷的一种热处理工艺。如奥氏体沉淀不锈钢在固溶处理后或经冷加工后，在加工后，在400400500500或或700700800800进行沉淀硬化处理，可获进行沉淀硬化处理

17、，可获得很高的强度。得很高的强度。 (9)(9)时效处理：时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持，其性能，形状，尺寸锻造后，在较高的温度放置或室温保持，其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将工件加热到较高温度，随时间而变化的热处理工艺。若采用将工件加热到较高温度，并较长时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理，并较长时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理，若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然时效

18、处理。象，称为自然时效处理。时效处理的目的时效处理的目的，消除工件的内应力，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。稳定组织和尺寸，改善机械性能等。(10)(10)淬透性：淬透性：指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。淬硬布的特性。钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。钢的淬透性主要取决于它的层深度越大，则钢的淬透性越好。钢的淬透性主要取决于它的化学成分，特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度，加热温化学成分，特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度，加热温度和保

19、温时间等因素有关。淬透性好的钢材，可使钢件整个截度和保温时间等因素有关。淬透性好的钢材，可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂，以减少变形和开裂。剂，以减少变形和开裂。 (11)(11)临界直径临界直径( (临界淬透直径临界淬透直径) )：临界直径是指钢材在某种临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体或介质中淬冷后，心部得到全部马氏体或50%50%马氏体组织时的最马氏体组织时的最大直径，一些钢的临界直径一般可以通过油中或水中的淬透性大直径，一些钢的临界直径一般可以通过油中或水中的淬透性试验来获得。试验来获得。 (12)(12)二次硬化：二次硬化：某些铁碳合金某些铁碳合金( (如高速钢如高速钢) )须经多次回火后，须经多次回火后，才进一