第四章 第二部分 主軸組件(浙大)

第四章

機床主要部件設(shè)計理論第二部分主軸組件1第二部分主軸組件1.概述功用：夾持工件或刀具實現(xiàn)切削運動；傳遞運動及切削加工所需要的動力。組成：主軸、支承、傳動零件、裝夾刀具或工件的附件及輔助零部件。2第一節(jié)對主軸組件的基本要求—、旋轉(zhuǎn)精度(Runningaccuracy)主軸的旋轉(zhuǎn)精度，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動。二、靜剛度靜剛度，或簡稱剛度，反映了機床或部、組、零件抵抗靜態(tài)外載荷的能力。主軸組件的彎曲剛度K(N/um)，定義為使主軸前端產(chǎn)生單位位移，在位移方向測量處所需施加的力。3影響因素：如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支承的距離和主軸前端的懸伸量等。三、抗振性主軸組件的振動會影響工件的表面質(zhì)量，刀具的耐用度和主軸軸承的壽命等。要求部件的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性好4四、溫升和熱變形

較低的運轉(zhuǎn)溫升以及較好的熱穩(wěn)定性。五、耐磨性主軸部件的耐磨性和精度保持性好。5第二節(jié)主軸軸承的選擇和主軸的滾動軸承—、主軸軸承的選擇類型：

滾動軸承、滑動軸承（動壓、靜壓）、空氣靜壓軸承、陶瓷軸承、磁懸浮軸承

滾動軸承比滑動軸承的優(yōu)點是：(1)滾動軸承能在轉(zhuǎn)速和載荷變化幅度很大的條件下穩(wěn)定地工作。(2)滾動軸承能在無間隙，甚至在預(yù)緊(有一定的過盈量)的條件下工作。678圖3-39

陶瓷軸承高速主軸陶瓷球軸承密封圈旋轉(zhuǎn)變壓器電主軸陶瓷球軸承冷卻水出口冷卻水入口陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)9采用C或B級精度角接觸球軸承，軸承布置與傳統(tǒng)磨床主軸結(jié)構(gòu)相類似；采用“小珠密球”結(jié)構(gòu)，滾珠材料Si3N4；與鋼球相比，陶瓷軸承的優(yōu)點是：

◎陶瓷球密度減小60%，從而可大大降低離心力；

◎陶瓷彈性模量比鋼高50%，使軸承具有更高剛度；

◎陶瓷摩擦系數(shù)低，可減小軸承發(fā)熱、磨損和功率損失；

◎陶瓷耐磨性好，軸承壽命長。采用電動主軸（電機與主軸作成一體）；軸承轉(zhuǎn)速特征值（=軸徑（mm）×轉(zhuǎn)速（r/min））較普通鋼軸承提高1.2～2倍，可達0.5～1×106。陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)特征1011前輔助軸承電主軸雙面軸向推力軸承前徑向磁力軸承后徑向磁力軸承后輔助軸承前徑向傳感器后徑向傳感器軸向傳感器磁浮軸承高速主軸圖磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu)12主軸由兩個徑向和兩個軸向磁浮軸承支承，磁浮軸承定子與轉(zhuǎn)子間空隙約0.1mm。剛度高，約為滾珠軸承主軸剛度10倍。轉(zhuǎn)速特征值可達4×106?；剞D(zhuǎn)精度主要取決于傳感器的精度和靈敏度，以及控制電路性能，目前可達0.2μm。機械結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)均較復雜；又由于發(fā)熱多，對冷卻系統(tǒng)性能要求較高。磁浮軸承主軸特點13

(3)滾動軸承的摩擦系數(shù)小，有利于減少發(fā)熱。(4)滾動軸承潤滑容易等。(5)滾動軸承是標準件，可以外購。滾動軸承比滑動軸承的缺點是：(1)滾動體的數(shù)量有限，徑向剛度是變化的。是引起振動的原因之一。(2)滾動軸承的阻尼較低。(3)滾動軸承的徑向尺寸比滑動軸承大。14選用原則：在一般情況下應(yīng)盡量采用滾動軸承。只有要求加工表面粗糙度數(shù)值較小，主軸又是水平的機床如外圓和平面磨床、高精度車床等才用滑動軸承。主軸組件的抗振性主要決定于前軸承。二、主軸滾動軸承的選型主軸軸承，應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速選擇151．角接觸球軸承α越大，軸向承載能力越大。它應(yīng)用于高速主軸。16在主軸上，角接觸球軸承應(yīng)為背靠背組合軸向膨脹2.有利于徑向過盈減小1.支反力矩大172．雙列圓柱滾子軸承這種軸承只能承受徑向載荷。應(yīng)用于載荷大、剛度高、中速的場合。183．雙向推力角接觸球軸承用于承受軸向載荷，不承受徑向載荷19滾動軸承法國Gamet20動壓軸承21靜壓軸承22磁力（磁懸?。┹S承23三、精度

主軸軸承的精度：P2（舊B）、P4（舊C）、P5（舊D）、P6（舊E）、P0（舊G）六級，又規(guī)定了SP級和UP級作為補充。1.前、后軸承的精度對主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響是不同的。假設(shè)后軸承偏移為零，則反映到主軸端部軸心的偏移為：24假設(shè)前軸承偏移為零，則反映到主軸端部軸心的偏移為：結(jié)論：這說明前軸承的精度對主軸組件的影響較大。故前軸承的精度應(yīng)選得高一些。25四、轉(zhuǎn)速261.在承受徑向載荷的軸承中，速度排列：

向心球軸承＞角接觸推力球軸承＞圓柱滾子軸承＞圓錐滾子軸承2.在承受軸向載荷的軸承中，速度排列：角接觸推力球軸承＞圓錐滾子軸承＞推力球軸承五、壽命決定軸承的壽命疲勞點蝕(重型或高速)磨損降低精度（車、銑、鉆、鏜）27對于重載或高速主軸，軸承失效可能是由于表層疲勞。對一般機床，往往以磨損后精度下降作為失效的依據(jù)的。六、剛度

零間隙時軸承的變形為：

1.點接觸的球軸承變形：2.線接觸的滾子軸承變形：282930零間隙時球軸承：零間隙時滾子軸承：對于球軸承預(yù)緊力對剛度的影響是明顯的，計算時應(yīng)考慮預(yù)緊力。31第三節(jié)主軸—、主軸的構(gòu)造

端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具，因此，要保證刀具或夾具定位（軸向、定心）準確，裝夾可靠、牢固，而且裝卸方便。目前，主軸的端部形狀已標準化。32有的主軸是空心的，中心孔徑不宜超過外徑的70％。33二、材料和熱處理1.主軸的材料，主要應(yīng)根據(jù)耐磨性、熱處理方法和熱處理后的變形選擇。2.例如，普通機床的主軸，可用45號或60號優(yōu)質(zhì)中碳鋼，調(diào)質(zhì)到220—250HBS左右。在主軸頭部的錐孔、定心軸頸或定心錐面等部位，高頻淬硬至50～55HRC。三、主軸的技術(shù)要求（以車床主軸為例）341)軸頸A和B的同軸度

?0.01

2)軸頸A和B的圓度

A＝0．003，B＝0．0025

3)莫氏錐孔和A、B面用涂色法檢查接觸≥70％4)莫氏錐孔對軸頸A、B的徑向圓跳動

近軸端0.005300㎜處0.0105)短錐C對軸頸A、B的徑向圓跳動0.0056)端面D對軸頸A、B的端面圓跳動0.0103536第四節(jié)主軸組件—、車、鏜、銑、加工中心類機床主軸組件

1．中等轉(zhuǎn)速，較高剛度a.應(yīng)把推力軸承安排在前支承內(nèi)，盡量靠近前端面，使主軸發(fā)熱后向后膨脹。

b.三支承主軸，前、中為主，后支承為輔?！爸鳌敝С袘?yīng)預(yù)緊處于過盈狀態(tài)；“輔”支承常用深溝球軸承。

3714～3550r/min3825～1600r/min392.要求轉(zhuǎn)速較高，但剛度略低a.為了適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，前軸承往往用角接觸球軸承。5300r/min40二、磨床類主軸組件適用于高速、輕載和精密的主軸16000r/min41三、滾動軸承的預(yù)緊1.使軸承滾道與滾動體之間有一定的過盈量，稱為預(yù)載荷或預(yù)緊。2.作用：適當預(yù)緊可以提高軸承的精度和壽命。提高了軸承的接觸剛度。在錐面上軸向移動-----薄壁脹大------徑向消除間隙預(yù)緊徑向預(yù)緊42方法：徑向間隙的消除方法在錐面上軸向移動-薄壁脹大-徑向間隙消除43

內(nèi)外圈相對移動－－錯位－－消除軸向和徑向間隙4445通常，輕預(yù)緊用于高速主軸；中預(yù)緊用于中、低速主軸；重預(yù)緊用于分度主軸。

內(nèi)外圈相對移動-------錯位------消除徑向和軸向間隙預(yù)緊軸向預(yù)緊46鎖緊方法47四、主軸組件的傳動傳動方式齒輪（v12~15m/s）帶（V型帶、多楔帶、同步帶）齒輪：如果齒輪位于前、后軸承之間，則齒輪應(yīng)盡量靠近前軸承。如有大、小兩齒輪，則應(yīng)使大齒輪靠近前軸承。轉(zhuǎn)速較高的主軸上最好不要有活動的零件，例如滑移齒輪。帶：用于轉(zhuǎn)速較高的主軸，傳動要求平穩(wěn)，中心距較大，要便于調(diào)整中心距（張緊）。

v30m/s用V型帶、多楔帶或同步帶v>30m/s

用橡膠或皮革平帶v>35m/s

用絲織帶電主軸48

電主軸又稱內(nèi)裝式電機主軸，即主軸與電機轉(zhuǎn)子合為一體，其優(yōu)點是主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣量小，可提高啟動、停止的響應(yīng)特性，利于控制振動和噪聲。轉(zhuǎn)速高，目前最高可達200000r/min。其缺點是電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動和熱量將直接影響到主軸，因此，主軸組件的整機平衡、溫度控制和冷卻是內(nèi)裝式電機主軸的關(guān)鍵問題

49第五節(jié)主軸的滑動軸承動壓軸承是靠軸的轉(zhuǎn)動通過油楔形成油膜而具有承載能力的。承載能力與滑動速度成正比。低速時，承載能力太低。靜壓軸承的油膜壓強是靠液壓泵建立的，與主軸的轉(zhuǎn)速關(guān)系不大。50一、液體動壓軸承特點：動壓軸承（用于高速和轉(zhuǎn)速變化不大的地方）靜壓軸承（用于低速和轉(zhuǎn)速變化較大,高精度的地方，還能均化圓度誤差）51

（1）軸頸與軸瓦之間的間隙(稱為軸承間隙)對剛度影響很大，所以要能夠調(diào)整(2)主軸軸承應(yīng)是多油楔的，幾個油楔把主軸推向中央。間隙的調(diào)整方式錐形軸頸軸向調(diào)整柱形軸頸徑向調(diào)整多油楔的類型固定多油楔活動多油楔52屬于軸向間隙調(diào)整53屬于徑向間隙調(diào)整541．固定多油楔軸承進油孔出油槽油楔寬度B552．活動多油楔軸承b0=B×0.4最佳平衡狀態(tài)h1/h2=2.2這種軸承能自動地保持最佳間隙比，這時，軸瓦的承載能力最大。56二、液體靜壓軸承外載F→偏心e→P3處間隙減小→流量減小→T3壓降差減小→壓力升高

→(P3－P1)平衡外載F571.靜壓軸承的剛度靜壓軸承的間隙只影響潤滑油的流量。對承載能力影響較小。58設(shè)計和計算步驟(1)根據(jù)統(tǒng)計資料，初選主軸的直徑。(2)選擇主軸的跨距。(3)參考上述數(shù)據(jù)進行構(gòu)造設(shè)計，根據(jù)構(gòu)造上的要求，對上述數(shù)據(jù)進行修正。(4)驗算。(5)根據(jù)驗算結(jié)果，對設(shè)計進行必要的修改。第七節(jié)主軸組件的計算59—、主軸直徑的初選1.車床、銑床、鏜銑加工中心等機床，主軸直徑常是從前（d1）向后（d2

）逐段減少的。

通常：d2

=（0.7～0.9）d1

2.磨床主軸常為前、后軸頸相等，中段較粗。第七節(jié)主軸組件的計算60二、主軸懸伸量的確定由結(jié)構(gòu)而定，可視為已定的。設(shè)計中應(yīng)努力縮短懸伸量。三、主軸最佳跨距的選擇(a)根據(jù)材料力學撓度計算公式：假設(shè)軸承為剛性支承，主軸為彈性體。61(b)假設(shè)主軸為剛性體，軸承支承為彈性體。根據(jù)剛度的概念得：根據(jù)前后支承對旋轉(zhuǎn)精度的影響得：根據(jù)力矩平衡原理得：將上述各式綜合得：62（c）主軸端部的總撓度

主軸端部懸伸量a應(yīng)盡可能選取小的數(shù)值，以利于提高主軸的剛度。63以橫坐標以縱坐標作圖綜合剛度最大641）最佳綜合剛度為令：則：652）當L≈L0,主軸端部的位移δ就最小或較小

當L0＞＞L,措施：提高支承的剛性。當L＞＞L0,措施：提高主軸的剛性。3）當主軸的剛性不足時，應(yīng)該縮小支承跨距L當支承剛性不足時，應(yīng)加大跨距L。4）當L＞＞L0,措施：提高KA當L0＞＞L,措施：提高KB66結(jié)論：選取的最佳跨距寧可取比計算的大一些。67提示：一般推薦L合理＝（1～5）a。對于主軸懸伸量a較小的機床，如車床、銑床類，宜取L合理＝（3～5）a；對于主軸懸伸量a較大的機床．如鏜床、內(nèi)圓磨床類，取L合理＝（1～2）a。組合機床剛性主軸組件屬于a較大這一類型．一般以取L合理≤2.5a為宜。68四、主軸組件的驗算1.對一般機床主軸，主要進行剛度驗算。2.對粗加工、重載荷的主軸，進行強度驗算。3.對高速主軸組件，有時還需要臨界轉(zhuǎn)速的驗算。以防止發(fā)生共振。69四、主軸組件剛度的驗算70主軸端部由主軸產(chǎn)生的變形量占主軸組件總變形量的50％一70％，平均為60％；由支承產(chǎn)生的變形量占30％一50％，平均為40％。故：主軸本身端部的剛度Ks712．主軸組件計算時支承的簡化當L＞d時，0.5d≥a≥