第三章 典型部件设计(机械制造装备设计 第四版)

机械制造装备设计目录第一章机械制造及装备设计方法第二章金属切削机床设计第三章典型部件设计第七章机械加工生产线总体设计第五章机床夹具设计第四章工业机器人设计第六章物流系统设计第一节主轴部件设计第二节支承件设计第三节导轨设计第四节机床刀架和自动换刀装置设计第三章典型部件设计3.1主轴部件设计主轴部件是机床的执行件，由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。3.1.1主轴部件应满足的基本要求基本要求：（1）旋转精度：装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度（2）刚度：是指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变性的能力。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。（3）抗振性：是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。（4）温升和热变性：主轴部件运转时，因各相对处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变性。（5）精度保持性：是指长期地保持其原始制造精度的能力。3.1.2主轴部件的传动方式（1）齿轮传动：特点是结构简单、紧凑，能够传递较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。缺点是线速度不能过高，通常小于12~15m/s。（2）带传动：特点是靠摩擦力传动（除同步齿形带外）、结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动。皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，适宜高速传动。带传动在过载中会打滑，能起到过载保护作用。缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。主轴部件的传动方式齿轮传动带传动电动机直接驱动各传动类型具有什么特点3.1.2主轴部件的传动方式（2）带传动：

同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。同步齿形带的齿形有两种:梯形齿和圆弧齿。（3）电动机直接驱动方式：特点是主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和扭矩；便于组织专业化生产。广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。3.1.3主轴部件结构设计卧式铣床变速箱主轴部件结构设计应该包括哪些方面？主轴支承支承数目支承方式（轴承配置形式）传动件（传动件布置）主要参数构造材料热处理技术要求3.1.3主轴部件结构设计（一）主轴部件的支承数目多数机床的主轴采用前、后两个支承。为提高刚度和抗振性，有的机床采用三个支承。三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。且后者应用较多。卧式铣床变速箱某加工中心主轴箱展开图3.1.3主轴部件结构设计（1）前端配置：两个方向的推力轴承都布置在前支承外。这类配置方案在前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，对提高主轴部件刚度有利。用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。（2）后端配置：两个方向的推力轴承都布置在后支承处。这类配置方案前支承处轴承较少，发热小，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。用于轴向精度要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀车床等。推力轴承位置的配置形式（推力轴承布置在什么位置）前端配置后端配置两端配置中间配置各配置形式各有什么特点？3.1.3主轴部件结构设计（二）推力轴承的位置配置型式（3）两端配置：两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。这类配置方案当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。常用于短主轴，如组合机床主轴。（4）中间配置：两个方向的推力轴承在前支承的后侧。这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支承结构较复杂，温升也可能较高。3.1.3主轴部件结构设计（三）主轴传动件位置的合理布置（1）传动件在主轴上轴向位置的合理布置合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受力情况，减少主轴变形，提高主轴的抗振性。主轴上传动件轴向布置时，应尽量靠近前支承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。（意义）主轴传动件位置布置的内容主轴上传动件的位置各传动轴的位置传动件在主轴上的布置方式应尽量靠近前支承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。（原则）主轴前支承内侧主轴前悬伸端主轴后悬伸端3.1.3主轴部件结构设计（四）主轴主要结构参数的确定

请指出以下结构参数？（1）主轴前轴径直径D1（2）主轴内孔直径d（3）主轴前端悬伸量a（4）主轴主要支承间跨距L

12343.1.3主轴部件结构设计（1）主轴前轴径直径D1按机床类型、功率和加工直径查表（2）主轴内孔直径d满足工艺要求的，不削弱强度情况下的较大值（3）主轴前端悬伸量a取决于主轴端部结构、前支承轴承配置等，由结构设计决定（4）主轴主要支承间跨距L

综合主轴弯曲和支承变形，确定最佳跨距

12343.1.3主轴部件结构设计（五）主轴（1）主轴的构造主轴的构造和形状主要取决于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。（2）主轴的材料和热处理普通机床主轴可选用中碳钢（如45钢），调质处理后，在主轴端部、椎孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬，以提高其耐磨性。（3）主轴的技术要求首先制定出满足主轴旋转精度所需的技术要求；再考虑表面粗糙度、表面硬度等主支承轴颈设计基准3.1.4主轴滚动轴承主轴部件中最重要的组件是什么？轴承进行主轴部件设计时候，关于轴承我们需要考虑哪些方面的问题？1、选择哪些类型的轴承（轴承组合），满足转速、承载、精度等要求（轴承配置、精度选择）2、如何布置轴承（推力轴承布置已学习）（轴承配置部分涉及一些）3、如何应用轴承（轴承预紧、润滑和密封）3.1.4主轴滚动轴承（二）几种典型的主轴轴承配置型式主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。

良好的高速性能，承载小（高速轻载荷精密机床）角接触球轴承

中等转速、切削负载大、要求刚度高（如数控车床、镗床）双(三)联角接触球+双列圆柱滚子

径向刚性好，并有较高的转速（如卧式铣床）双列圆柱滚子+角接触双列推力球+双列圆柱滚子轴承速度型刚度型刚度速度型3.1.4主轴滚动轴承（二）几种典型的主轴轴承配置型式高速CNC车床CNC型车床卧式铣床角接触球轴承双列圆柱滚子+角接触双列推力球+双列圆柱滚子轴承双(三)联角接触球+双列圆柱滚子3.1.4主轴滚动轴承（三）滚动轴承精度的选择

前轴承的精度要选得高一点，一般比后轴承高一级。安装轴承时，如果将前后轴承的偏移方向放在同一侧，则可以有效减少主轴端部的偏移。

主轴的精度等级：P0、P6、P5、P4(SP)、P3、P2（UP）（四）主轴滚动轴承的预紧

预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，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。预紧力通常分为三级：轻预紧、中预紧和重预紧，代号为A、B、C。（1）双列圆柱滚子轴承预紧有两种方式：一是用螺母轴向移动轴承内圈；二是采用过盈套进行轴向固定。（2）角接触轴承使内外圈产生轴向错位，同时实现径向和轴向预紧。3.1.4主轴滚动轴承（五）滚动轴承的润滑和密封润滑的作用——减少摩擦、降低温升和防止腐蚀润滑不良的影响——轴承温升剧增，加速轴承的磨损，影响主轴组件的正常工作滚动轴承润滑剂和润滑方式的选择依据轴承的类型、转速和工作载荷滚动轴承润滑剂主要有哪两种？润滑脂和润滑油速度较低时，温升较低用哪种润滑剂？速度较高时候用哪种润滑剂？

主轴滚动轴承的密封作用:1.防止灰尘、屑未和切削液等进入轴承，以减少腐蚀和磨损；2.防止润滑油外漏，保护环境，避免污染密封方式：分接触式密封和非接触式密封两类。接触式:有摩擦和磨损，发热严重，用于低速主轴。如径向密封圈和毛毡密封圈。非接触式:迷宫式和隙缝式，发热很小，应用广泛。又分为间隙式、曲路式和垫圈式。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0.2～0.3mm，还要有回孔油，以防漏油。3.2支承件设计一、支承件的功能和应满足的基本要求二、支承件的结构设计三、支承件的材料四、提高支承件结构性能的措施3.2支承件设计该学习内容具有普适性学习目标：理解支撑件结构设计的基本方法；掌握机床支撑件设计的几个原则（书本知识）思考:支撑件的主要作用,设计中的关键要素是什么3.2支承件设计支撑件结构设计的基本原理——根据受力情况进行合理的结构拓扑。赵州桥就是合理结构拓扑的典型，机床支承件设计也是类似的道理。3.2.1支承件的功能和应满足的基本要求机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件，相互固定联接成机床的基础和框架。机床上其它零部件可以固定在支承件上，或者工作时在支承件的导轨上运动支承件包括什么？支承件的作用是什么？机床的支承件的主要功能是保证机床各零部件之间的相互位置和相互运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度。支承件主要承受哪些载荷？重力切削力摩擦力传动力3.2.1支承件的功能和应满足的基本要求支承件应满足的基本要求：（1）应具有足够的刚度和较高的刚度——质量比（2）应具有良好的动态特性，各阶频率不致引起结构共振（3）热稳定好（4）排屑畅通、调运安全，并具有良好的结构工艺性（一）机床的类型、布局和支承件的形状机床的类型可分为三类：中小型机床、精密和高精密机床、大型和重型机床机床的布局形式直接影响支承件的结构设计。中型卧式车床采用前倾车身、前倾托板布局形式较多，优点是排屑困难，不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置；创深设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和抗扭强度。支承件的基本形状：箱形类、板块类、梁类3.2.2支承件的结构设计（二）支承件的截面形状和选择支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面面积，其抗弯和扭转惯性矩也不同。比较后可知：（1）空心截面的刚度都比实心的大（2）圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低（3）封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度3.2.2支承件的结构设计（三）支承件筋板和筋条的布置筋板是指连接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。布置方式：水平、垂直、斜向。一般将筋条配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。筋条的布置：纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列（四）合理选择支承件的壁厚为减轻机床重量，比后应尽可能选的薄些。焊接支承件一般采用钢板与型钢焊接而成。3.2.2支承件的结构设计3.2.3支承件的材料支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等。（一）铸铁：铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低，适于成批生产。要进行时效处理，以消除内应力。（二）钢板焊接结构：制造周期短，刚性好，便于产品更新和结构改进，重量轻。（三）预应力钢筋混凝土：抗振性好，成本低。（四）天然花岗岩：性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工方便。（五）树脂混凝土：刚度高，具有良好的阻尼性能，抗振性好，热稳定性高，质量轻，可有良好的几何形状精度，极好的耐腐蚀性，成本低，无污染，生产周期短，床身静刚度高。且可以预埋金属或添加加强纤维来提高某些力学性能。整体结构形式;分块结构形式;框架结构形式3.2.3支承件的材料3.2.4提高支承件结构性能的材料措施（一）提高支承件的静刚度和固有频率：

提高支承件的静刚度和固有频率主要方法是根据支承件受力情况合理的选择支承件的材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理的布置肋板和肋条，以提高结构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。

（二）提高动态特性：（1）改善阻尼特性：对于铸件支承件，铸件内砂芯不清除，或在支承件中填充型砂或混凝土等阻尼材料，可以起到减振作用。对焊接支承件，除了可以在内腔中填充混凝土减振外，还可以充分利用结合面间的摩擦阻尼来减小振动。（即分段焊缝可增大阻尼）。或者采用阻尼涂层。（2）采用新材料制造支承件：刚性高、抗振性好，热变形小、耐化学腐蚀

3.2.4提高支承件结构性能的材料措施（三）提高热稳定性：主要方法有：（1）控制温升：采用分离或隔绝热源方法

（2）采用热对称结构：所谓热对称结构是指在发生热变形时，其工件或刀具回转中心线的位置基本保持不变，因而减小了对加工精度的影响。

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