《机械制造装备设计》讲义(5)要点

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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变形的能力（静刚度）。

2、 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（阻尼器抑制振动）。 采用动态优化设计，提高主轴组件的固有频率，

3、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

4、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

5、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“合二为一”。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）。d. 结构简单，独立部件，由专业化生产（定做）。电主轴是一种高科

6、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，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324。（2）后端布置：主轴前端承受切削力P，后

7、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一、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式. “前后主支承，中间辅助支承”（图3-24，P.99）； “前中

8、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，如立铣、多刀车床。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、

9、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）；铣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Dl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

10、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、铣床的后轴径 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。 铣床主轴内孔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。（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

11、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。下面通过材料力学的方法推导最佳跨距公式。a. 刚性支承上弹性主轴端部的位移y1:当a已知、P一定时，以和（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：c1和c2和为双曲线关系, 随着增加，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

12、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，要确定出合理的结构尺寸，必须通过CAE方法确定。5-3 主轴轴承一、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：

13、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，利用锥孔进行消隙处理，只能承受径向力，旋转精度高，径向尺

14、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

15、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15的球轴

16、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，如镗削单元、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、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

17、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)的卧式铣床的主轴，要求径向刚度好、并有较高的转速。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： 后轴承前轴承XaLa （2）前轴承偏移为零时，由后轴承偏移量引起主轴端部的偏移量为： 后轴承前轴承XbLa （3）前、后轴承偏移在同侧时，引起主轴端部的偏移为： , ,当时，X=0a后轴承前轴承XbLa结论：（1）前支承的精度比后支承对主

18、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315（p.134）。数控机床可按精密级或高精密级选择。轴承的精度

19、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

20、、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

21、封润滑油。b. 皮碗式密封：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：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

22、”。 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膜，或者油膜的刚度低时，造成金属直接接触引起磨损。 静压轴承的油膜压强是由外界供油保证，与旋转转速无关，静压轴承适用于低速、转

23、速变化大及经常开停的高精度主轴系统。（图） 静压轴承设计的关键是“节流器”的选择，节流器必须工作灵敏、不易堵塞，且便于制造。常用的有固定节流器和可变节流器两种，静压轴承必须有一套液压供油系统，因此成本高，维护复杂，主要适用于高精度机床。 固定节流器：刚度低、轻载、载荷变化不大的场合； 可变节流器：用于重载、载荷变化大的场合。3空气静压轴承（气浮轴承、空气轴承） 原理与液体静压轴承相同。 由于空气的粘度、摩擦很小，功率损耗小，能在极高转速或极低温度下工作，振动、噪声特别小，旋转精度高，寿命长，基本上不需要维护，用于高速、超高速、高精度机床主轴部件中。 目前，具有气体静压轴承的主轴结构形式主要有三

24、种：1）具有径向圆柱与平面止推型轴承的主轴部件：如图所示的CUPE高精度数控金刚石车床主轴，采用内装式电主轴，电动机转子就是车床主轴。 2）采用双半球形气体静压轴承： 如图所示的大型超精加工车床的主轴部件。此种轴承的特点是气体轴承的两球心连线就是机床主轴的旋转中心线。可以自动调心。 3）前端为球形，后端为圆柱形或半球形。4、磁悬浮轴承 利用定子2的磁力将主轴（转子）1悬浮起来，定子上的位置传感器4不断检测主轴的位置，然后再控制定子的励磁电流，使转子（主轴）恢复到中心位置，因此控制系统是磁悬浮轴承的核心和关键。转子由铁磁材料（硅钢片）制成。磁悬浮轴承的特点： 磁悬浮轴承无需润滑系统(非接触式)，不污染环境，可以在超低温和高温下正常工作。也可以在真空、蒸汽腐蚀性环境下工作。磁悬浮轴承适合于高速、超高速下工作。 目前国外已有高速铣削和磨削主轴头，并已标准化。12