機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)-第3-1講課件

1、重慶理工林園分校毛國平 副教授 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)第三章 典型部件設(shè)計(jì)第三章 典型部件設(shè)計(jì) 第一節(jié) 主軸部件設(shè)計(jì)返回主頁退出上一頁下一頁第二節(jié) 支承件設(shè)計(jì)第三節(jié) 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)第四節(jié) 機(jī)床刀架和自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)第三章 典型部件設(shè)計(jì) 3.1 主軸部件設(shè)計(jì) 一、主軸部件應(yīng)滿足的基本要求二、主軸部件的傳動(dòng)方式三、主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上一頁下一頁退出返回主頁四、主軸滾動(dòng)軸承返回本章五、主軸滑動(dòng)軸承第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù) 3.1.1 主軸部件應(yīng)滿足的基本要求基本要求：剛度指主軸部件在外加載荷作用下抵抗變形的能力。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。通常以主軸前端產(chǎn)生單

2、位彈性變形時(shí)，在變形方向上所加的作用力的大小來表示，比值越大，說明剛度越好。如圖所示K= F（牛/微米）第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù) 3.1.1 主軸部件應(yīng)滿足的基本要求基本要求：剛度指主軸部件在外加載荷作用下抵抗變形的能力。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。通常以主軸前端產(chǎn)生單位彈性變形時(shí)，在變形方向上所加的作用力的大小來表示，比值越大，說明剛度越好。如圖所示K= F（牛/微米）第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù) 3.1.1 主軸部件應(yīng)滿足的基本要求基本要求：抗振性指抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。受迫振動(dòng)：是由機(jī)床外部的振源或機(jī)床其他

3、部件振動(dòng)及主軸部件本身所引起的。自激振動(dòng)：是由切削過程引起的。溫升和熱變形指主軸部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因各相對處的摩擦生熱，切削區(qū)的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的所謂熱變形。熱變形是用主軸運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間和因發(fā)熱而造成的各部分的位置上的變化來度量，也可用溫升近似的表達(dá)。 一般滑動(dòng)軸承的溫升，工作溫度 一般滾動(dòng)軸承的溫升，工作溫度精度保持性指長期地保持其原始制造精度的能力，又稱為耐磨性。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù) 3.1.1 主軸部件應(yīng)滿足的基本要求基本要求：綜合上述：此外還有結(jié)構(gòu)上的要求： （1）主軸的定位可靠，軸向、徑向（在切削力和傳動(dòng)力作用下）

4、。 （2）主軸端部的結(jié)構(gòu)要保證工件或刀具的裝夾定位可靠及足夠的定位精度。 （3）保持長期可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，潤滑與密封。 （4）結(jié)構(gòu)工藝性好，好造、好裝、好拆、好修。并降低成本。機(jī)床的工作精度 - 旋轉(zhuǎn)精度靜態(tài)工作精度 - 剛度動(dòng)態(tài)工作精度 - 抗振性精度保持性 - 耐磨性第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.3 主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、主軸部件的支承數(shù)目多數(shù)機(jī)床的主軸采用前、后兩個(gè)支承。為提高剛度和抗振性，有的機(jī)床采用三個(gè)支承。三個(gè)支承中可以前、后支承為主要支承，中間支承為輔助支承；也可以前、中支承為主要支承，后支承為輔助支承，后者應(yīng)用較多。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一

5、頁 3.1.3 主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、主軸傳動(dòng)件位置的合理布置傳動(dòng)件在主軸上軸向位置的合理布置 合理布置傳動(dòng)件在主軸上的軸向位置，可以改善主軸的受力情況，減少主軸變形，提高主軸的抗振性。主軸上傳動(dòng)件軸向布置時(shí)，應(yīng)盡量靠近前支承，有多個(gè)傳動(dòng)件時(shí)，其中最大傳動(dòng)件應(yīng)靠近前支承。 傳動(dòng)件軸向布置的幾種情況圖5驅(qū)動(dòng)主軸的傳動(dòng)軸位置的合理布置 主軸受到的驅(qū)動(dòng)力相對于切削力的方向取決于驅(qū)動(dòng)主軸的傳動(dòng)軸位置。 第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.3 主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5、主軸主軸的構(gòu)造和形狀主要取決于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承等零件的類型、數(shù) 量、位置和安裝定位方法等。為了滿足剛度

6、要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設(shè)計(jì)成階梯軸，即軸徑從前軸徑起向后遞減，主軸是實(shí)心還是空心的，主要取決于機(jī)床類型。主軸端部系指主軸前端，它的形狀決定于機(jī)床的類型、安裝夾具或刀具的形式。 保證：夾具或刀具安裝可靠，定位準(zhǔn)確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。由于夾具和刀具都已標(biāo)準(zhǔn)化，因此通用機(jī)床主軸端的形狀和尺寸也已標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計(jì)時(shí)具體尺寸可參考機(jī)床制造標(biāo)準(zhǔn)。為了不致使主軸的剛度受太大的影響，孔徑不應(yīng)超過外徑70%。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁3.1.3 主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5、主軸主軸的材料和熱處理主軸材料主要根據(jù)載荷特點(diǎn)、耐磨性和熱處理、變形大小等因素決定。主軸的剛度與材

7、料的彈性模量E值有關(guān)，鋼的E值較大，所以主軸材料首選鋼。值的注意的是：鋼的彈性模量E的數(shù)值與鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，即無論是普通鋼還是合金鋼，其彈性模量E基本相同，因此在選擇鋼材時(shí)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼（45#），只有在載荷特別重和有較大沖擊時(shí)，或者精密機(jī)床主軸需要減少熱處理變形時(shí)，或者軸向移動(dòng)的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮用合金鋼。當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸徑可不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸徑的配合表面，不少45#（C6150，X62W，C6140）等軸徑仍用高頻淬火（HRC48-54）。當(dāng)采用滑動(dòng)軸承時(shí)，為了減少磨損，軸徑必須有很高的硬度。45#的主軸通常在滑動(dòng)軸徑處進(jìn)

8、行高頻淬火。對大直徑（350-400）可用火焰淬火來提高其表面硬度。對受較大沖擊的主軸可用15#鋼或30#鋼，并在滑動(dòng)軸頸表面滲碳，淬火及回火。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.3 主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5、主軸主軸的技術(shù)要求滿足設(shè)計(jì)要求、工藝要求、檢測方法的要求，應(yīng)盡量做到設(shè)計(jì)、工藝、檢測的基準(zhǔn)相統(tǒng)一 。 車床主軸簡圖 圖7 第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、配置、精度、安裝、調(diào)整和潤滑等都直接影響主軸組件的工作性能。機(jī)床上常用的主軸軸承有滾動(dòng)軸承、液體動(dòng)壓軸承、液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承等。此外還

9、有自調(diào)磁浮軸承等適應(yīng)高速加工的新型軸承。使用中，應(yīng)根據(jù)主軸組件工作性能要求、制造條件和經(jīng)濟(jì)效果綜合考慮，合理使用。主軸的旋轉(zhuǎn)精度在很大程度上由其軸承決定，軸承的變形量約占主軸組件總變形量的30-50%，軸承的發(fā)熱量占的比重也較大，故主軸軸承應(yīng)具有：旋轉(zhuǎn)精度高、剛度大、承載能力強(qiáng)、抗振性高、速度性能好、磨擦功耗小、噪音低和壽命長。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù) 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承1.圓錐孔雙列圓柱滾子軸承 這種軸承具有徑向尺寸較小、制造精度較高、承載能力較大、靜剛度好以及允許的轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，并能夠調(diào)整軸承的徑向間隙，因此在機(jī)床

10、主軸組件上得到廣泛應(yīng)用。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù) 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承2 .60接觸角雙向推力向心球軸承 這種軸承的優(yōu)點(diǎn)是制造精度高，允許轉(zhuǎn)速高，溫升較低，抗振性高于推力球軸承8000型，裝配調(diào)整簡單，精度穩(wěn)定可靠。與雙列圓柱滾子軸承相配套，用于承受軸向載荷。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁未完待續(xù) 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承1、主軸部件主支承常用的滾動(dòng)軸承角接觸球軸承圖8、雙列短圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、推力軸承、雙向推力， 圖9，角接觸球軸承圖10陶瓷滾動(dòng)軸承、磁浮軸承（也稱磁力軸承，有轉(zhuǎn)子和定子組成）原理圖11、控制框圖12、主軸結(jié)構(gòu)圖 13第三章 典

11、型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承2、幾種典型的主軸軸承配置型式 主軸軸承的配置型式應(yīng)根據(jù)剛度、轉(zhuǎn)速、承載能力、抗振性和噪聲等要求來選擇。常見的幾種典型配置型式：速度型、剛度型、速度剛度型。速度型：主軸前后軸承都采用角接觸球軸承（兩聯(lián)或三聯(lián)）。軸向切削力越大，角度應(yīng)越大，且大角度的剛度也大。具有良好的高速性能，承載能力小。如高速CNC車床圖15剛度型：前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和60度角接觸雙列向心推力軸承承受軸向載荷；后支承采用雙列短圓柱滾子軸承， 如數(shù)控車床主軸圖16剛度速度型：前軸承采用三聯(lián)角接觸球軸承，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承。前軸承的配置

12、特點(diǎn)是外側(cè)的兩個(gè)角接觸球軸承大口朝向主軸工作端，承受主要方向的軸向力；第三個(gè)角接觸球軸承則通過軸套與外側(cè)的兩個(gè)軸承背靠背配置，使三聯(lián)角接觸球軸承有一個(gè)較大支承跨，以提高承受顛覆力矩的剛度。 如臥式銑床主軸圖17 第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承4、主軸滾動(dòng)軸承的預(yù)緊預(yù)緊就是采用預(yù)加載荷的方法消除軸承間隙，而且有一定的過盈量，使?jié)L動(dòng)體和內(nèi)外圈接觸部分產(chǎn)生預(yù)變形，增加接觸面積，提高支承剛度和抗振性。預(yù)緊力通常分為三級：輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊，代號為A、B、C。5、滾動(dòng)軸承的潤滑和密封滾動(dòng)軸承所用的潤滑劑主要有潤滑脂和潤滑油。密封的方式主要有非接觸式和接觸式

13、。 第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承5、滾動(dòng)軸承的潤滑和密封潤滑的作用和潤滑劑的選擇原則作用: 減少摩擦、降低溫升和防止腐蝕。 潤滑不良軸承溫升劇增，加速軸承的磨損，影響主軸組件的正常工作。潤滑劑的選用和潤滑方式?jīng)Q定于軸承的類型、速度和工作負(fù)荷。針對滾動(dòng)軸承有：滾動(dòng)軸承潤滑脂或潤滑油潤滑速度較低時(shí)，溫升較低脂潤滑速度較高時(shí)油潤滑按軸承的速度因數(shù)nd選擇nd較低時(shí)脂潤滑nd較高時(shí)油潤滑第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承5、滾動(dòng)軸承的潤滑和密封脂潤滑：優(yōu)點(diǎn)：潤滑脂的粘度大，不易流失，不需要經(jīng)常更換，密封簡單。缺點(diǎn)：摩擦阻

14、力大，機(jī)械效率低，流動(dòng)性差，導(dǎo)熱系數(shù)小。應(yīng)用：適用于nd值較低的場合，特別適用于立式或套筒式主軸組件，可防止漏油。常用的油脂有：理基潤滑脂、精密主軸潤滑脂。潤滑油：主軸軸承速度較高時(shí)，宜采用潤滑油。優(yōu)點(diǎn)：摩擦阻力小，冷卻效果好，具有沖洗作用為了保證滾動(dòng)體與滾道接觸面上有足夠壓強(qiáng)的油膜，應(yīng)使?jié)櫥驮谳S承工作溫度下的粘度為（1223）10-6m2/s。潤滑方式：飛濺、滴油、循環(huán)、油霧和噴射等，主要根據(jù)軸承的速度因素nd值選擇。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承5、滾動(dòng)軸承的潤滑和密封主軸組件的密封：對于脂潤滑的密封：主要是防止外界異物進(jìn)入，采用間隙式或迷宮式密

15、封裝置。油溝式在蓋的內(nèi)腔中車出梯形或半圓形截面的環(huán)形油槽，并填滿潤滑脂。迷宮式在組件的轉(zhuǎn)動(dòng)和固定部分之間做成復(fù)雜而曲折的通道，間隙不超過0.20.3mm ，并填滿潤滑脂。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.4 主軸滾動(dòng)軸承5、滾動(dòng)軸承的潤滑和密封對于油潤滑的密封：對于用油潤滑的主軸，潤滑油的防漏，主要靠疏導(dǎo)，可采用圖示的油溝式和擋油圈式密封裝置。用襯套上的油溝防止油液外漏。旋轉(zhuǎn)時(shí)流入油溝的油液被離心力甩到端蓋的空腔1中，再通過端蓋下面的小孔2流回到軸承中。鋸齒的方向逆著油流方向。第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.5 主軸滑動(dòng)軸承滑動(dòng)軸承具有良好的抗振性

16、，旋轉(zhuǎn)精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，應(yīng)用于高速或低速的精密、高精密機(jī)床和數(shù)控機(jī)床中。主軸滑動(dòng)軸承按產(chǎn)生油膜的方式，可分為動(dòng)壓軸承和靜壓軸承兩類。按照流體介質(zhì)不同可分為液體滑動(dòng)軸承和氣體滑動(dòng)軸承。1、動(dòng)壓軸承 動(dòng)壓軸承按油楔數(shù)分為單油楔和多油楔。多油楔軸承的軸心位置穩(wěn)定性好，抗振動(dòng)和沖擊性能好。故多采用多油楔軸承。 多油楔軸承有固定多油楔圖24和活動(dòng)多油楔圖25。 第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.5 主軸滑動(dòng)軸承1、動(dòng)壓軸承1）成形(固定)多油楔軸承這種成形(固定)多油楔軸承的油囊加工比較困難，但軸承工作時(shí)的尺寸精度、接觸狀況及油楔參數(shù)等較為穩(wěn)定；拆裝后的變化小，維修較方便，因

17、此可用于高精度磨床。 對于動(dòng)壓滑動(dòng)軸承，入口間隙h1與出口間隙h2所形成的油楔角大小，對其承載能力有很大影響。根據(jù)最佳間隙比可得入口間隙為h1=2.2h2=0.033mm。油囊最有利深度h=h1/2=0.018mm。 2）活動(dòng)多油楔軸承這種軸承是由三個(gè)或五個(gè)瓦塊所組成。如圖示三瓦式活動(dòng)多油楔軸承，三個(gè)短瓦4各由一個(gè)球頭螺釘所支承。這種軸承廣泛應(yīng)用于各種外圓磨床和臥軸平面磨床上。 第三章 典型部件設(shè)計(jì)退出返回本節(jié)返回主頁下一頁 3.1.5 主軸滑動(dòng)軸承2、液體靜壓軸承利用軸承各個(gè)油腔中的靜壓力和節(jié)流器的調(diào)壓作用，而把軸頸推向軸承中央位置的。在靜壓軸承常用的定壓供油系統(tǒng)（向各個(gè)油腔的供油壓ps為一定）中，每個(gè)油腔之前必須串聯(lián)一個(gè)起調(diào)壓作用的節(jié)流器，否則軸承就會(huì)失去承載能力。其調(diào)壓作用是指當(dāng)主軸受載偏移后，能使軸承在載荷方向上的兩個(gè)油腔產(chǎn)生壓力差以支承載荷，從而使靜壓軸承在液體摩擦狀態(tài)下具有承載能力。 液體靜壓軸承系統(tǒng)：一套專用供油系統(tǒng)、節(jié)流器和軸承。定壓式靜壓軸承圖26節(jié)流器有兩類：固定節(jié)流器和可變節(jié)流器。第三章 典型部件設(shè)