主轴组件设计.pptx

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1、第一章 机械结构设计导论第二章 结构设计中常用的典型结构第三章 典型工程结构实例第四章 CA6140型卧式车床的结构分析第五章 机床主运动部件设计第六章 主轴组件设计第七章 支承件设计第八章 导轨设计第1页/共53页第六章 主轴组件设计本章介绍了主轴组件的基本要求、主要布局、主轴的结构、主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承。重点内容：主轴组件的基本要求、主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承难点内容：主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承第2页/共53页第一节 主轴组件的功用与基本要求一、主轴组件的功用、组成和特点主轴组件是机床实现旋转运动的执行件，它直接带动工件或刀具参加表面成形运动，是机床上的一个关键组件。主轴

2、组件组成：主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件、密封件等。第3页/共53页机床主轴和一般传动轴的相同点：两者都传递运动和转矩，都要保证轴上传动件和支承的正常工作条件。主轴还要直接带动工件或刀具旋转，实现表面成形运动，因此对主轴组件又有特殊的较高的要求。第4页/共53页二、对主轴组件的基本要求1.旋转精度：指机床空载时，低速转动主轴，此时在主轴安装工件或刀具部位的定心表面(如车床轴端的定心短锥、锥孔，)上测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动值的大小。旋转精度取决于各主要件(如主轴、轴承、壳体孔等)的制造、装配和调整精度 2.刚度影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配

3、置形式，前后支承的跨距和主轴前悬伸量，传动件的布置方式等 第5页/共53页3.温升温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙变化，降低了加工精度；温升也会降低润滑剂的黏度，恶化润滑条件。对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等 4.抗振性：指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力 主轴的振动将降低甚至恶化工件的表面质量，限制机床能力的充分发挥，增大机床的噪声。5.精度保持性机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，才能长期保持精度。第6页/共53页第二节 主轴组件的布局一、两支承主轴轴承的配置型式机床主轴有前、后两支承以及前、中、后三支承两种布局形式，以前者为多见。两支承主轴轴承的配置型式

4、，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求。第7页/共53页两支承主轴轴承配置型式的一般原则：1.适应刚度和承载能力的要求径向载荷较大时，尽量选用滚子(圆柱、圆锥)轴承；径向载荷较小时，可选用球轴承。2.适应转速要求在相同条件下，点接触的轴承所允许的最高转速比线接触的轴承所允许的最高转速高；圆柱滚子轴承所允许的最高转速比圆锥滚子轴承所允许的最高转速高。第8页/共53页3.适应精度的要求主轴组件中承受轴向力的推力轴承配置方式直接影响主轴的轴向位置精度。具体见表62。二、三支承主轴组件主轴箱长度较长，使得主轴两个支承之间的支承跨距L远大于

5、合理跨距L合理 首先通过加大轴径等措施来提高主轴组件的刚度和抗振性，这些措施无效时，应考虑增设第三支承。第9页/共53页由于制造工艺上的限制，要使箱体中三个主轴支承座孔中心完全同轴是不可能的，为了保证主轴组件的刚度和旋转精度，通常只有两个支承(其中一个为前支承起主要作用，而另一个支承(中间支承或后支承)起辅助作用，即处于所谓浮动状态。辅助支承通常选用深沟球轴承或向心圆柱滚子轴承。第10页/共53页三、主轴的传动方式传动方式的选择主要决定于主轴转速的高低，所传递转矩的大小和对运转平稳性的要求 1.齿轮传动优点是构造简单、紧凑和能传递较大的转矩，是一般机床最常用的传动方式 缺点是所能达到的速度受齿

6、轮误差的影响而不能过高 第11页/共53页应用：线速度 2.带传动转速较高的主轴上最好不要装滑移齿轮，以免因主轴与齿轮孔间存在间隙而引起振动 转速较高的主轴，用带传动可使运转平稳 优点：构造简单，成本也较低。缺点：传动带容易拉长和磨损，需要定期调整和更换 第12页/共53页3.调速电机直接驱动主传动系统采用无级调速的电机直接驱动主轴旋转，可大大简化主轴箱的结构，有效地提高主轴组件的刚度。四、主轴传动件的布置齿轮传动的主轴部件，由于传动件直接装在主轴上，传动力由主轴承受。因此，合理布置传动件，可以减少主轴的弯曲变形，改善传动件和轴承的工作条件，增大主轴部件的抗振性 第13页/共53页为了减少主轴

7、的弯曲变形，齿轮应布置在靠近主轴前轴承的位置上 第14页/共53页第三节 主轴一、主轴的结构主轴的结构形状主要决定于轴上所安装的传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装方法等，同时还应考虑主轴的加工和装配的工艺性。主轴前端(头部)的结构应保证夹具、顶尖或刀具安装准确，装卸方便，并尽量缩短主轴端的悬伸长度 为了便于在主轴上安装各种标准刀具或夹具，主轴的前端形状已经标准化，见表63.第15页/共53页二、主轴的材料与热处理主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择 刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大，所以主轴材料首先考虑用钢料。注意：不论是普通钢或合金钢，其弹性模量

8、E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢(如45钢)。只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减小热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。第16页/共53页第四节 主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承一、主轴轴承的选择主轴组件中，端部是标准的；传动件如齿轮、带轮等与一般机械零件相同。因此,研究主轴组件主要是研究主轴的支承部分 主轴支承所用的轴承：滚动轴承和滑动轴承 第17页/共53页二、主轴滚动轴承的选型主轴滚动轴承的型号,应根据承载能力和转速选择 1.球轴承深沟球轴承和角接触轴承 深沟球轴承一般不能调整间隙,故常用于精度和刚度要求不大高

9、的地方,如钻床主轴。角接触轴承可以用使内、外圈相对轴向位移的办法调整间隙,因而用得较多 第18页/共53页2.圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承(简称双列短圆柱滚子轴承)其中图a所示(3182100系列)较常见,滚道环槽开在内圈上。这两种轴承的滚子多,两列滚子交叉排列,旋转时刚度的变化较小 内圈有1:12的锥孔,与主轴的锥形轴颈相配合。轴向移动内圃,可以把内圈涨大,以消除间隙或预紧。两种轴承只能承受径向载荷 第19页/共53页3.圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承既能承受径向载荷,又能承受轴向载荷。(1)单列圆锥滚子轴承 可分别装于前、后支承,也可成对地装于前支承调整内、外圈的相对位置,就可消除间隙或预紧 (

10、2)双列圆锥滚子轴承 组成：外圈2,两个内圈1和4,隔套3它既可承受径向载荷,又可承受双向轴向载荷。结构简单,承载能力和刚度都较大。第20页/共53页(3)Gamet轴承 这类轴承是由法国Gamet公司发展起来的(d)为H系列,用于前支承(e)为P系列,用于后支承配套使用与一般圆锥滚子轴承不同之处：为了降低温升,用油润滑 但是,一般滚动轴承如让大量的油通过内、外圈之间,由于滚动体的搅拌作用,会大量发热,起不到降低温升的作用。第21页/共53页Gamet轴承的滚子是中空的,保持架是整体加工的,可以把滚子之间的空隙占满。润滑油的大部分被迫通过滚子的中孔,冷却最不易散热的滚子,小部分则通过滚子与滚道

11、之间,起润滑作用 第22页/共53页4.推力轴承各种轴承中在轴向承载能力和刚度方面,以专门承受轴向载荷的推力轴承为最高,其次依次为圆锥滚子轴承和角接触轴承。5.主轴轴承为满足某些特殊要求的特殊结构(1)高速 转速特高的主轴组件,如内圆磨头主轴,即使采用球轴承,仍有可能超过其极限转速。为了降低滚动体的转速以提高轴承的极限转速,可以用无内圈的球轴承，滚道直接开在主轴上。第23页/共53页虽能解决极限转速问题,但对主轴的要求却大为提高。材料应为轴承钢（如GCr15);滚道部分的加工和热处理也与滚动轴承相同。当滚道发生疲劳破坏或因磨损失去精度时,必须更换主轴。(2)高载荷 大多数机床主轴都选用轻型或特

12、轻型轴承。如主轴载荷较大,这时一个支承内可以装两个或两个以上的轴承。(3)径向尺寸受限制 某些要求中心距特别小的多主轴机床,轴承的外径受到限制。这时可采用滚针轴承。第24页/共53页3、以轴向力为主,要求精度不太高的主轴,可用深沟球轴承,配以推力轴承,如钻床。4、径向尺寸受到限制时，可用滚针轴承。综上，主轴滚动轴承可按下列原则选择：1、中等转速、较大载荷、要求刚度较高时,可用线接触的轴承,如双列向心短圆柱滚子轴承、单列或双列圆锥滚子轴承或Gamet轴承。2、高速时可用角接触轴承。载荷较小时每个支承可用一个轴承,载荷较大时可用两个轴承。第25页/共53页三、滚动轴承间隙的调整和预紧1.滚动轴承的

13、预紧滑动轴承一定要在有间隙的条件下工作,而滚动轴承通常应在过盈条件下工作。安装滚动轴承时,预先在轴向施加一个等于径向载荷20%30%的力,使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量,称为预紧。右图所示为预紧前轴承存在间隙时的情况 径向载荷由一个或几个滚动体承受,导致这几个滚动体和滚道之间产生很大的接触应力和接触变形,降低了轴承刚度和寿命。第26页/共53页当对轴承施加预紧产生过盈时,各滚动体的受力就更均匀一些适当的预紧量可使滚动体产生微小的弹性变形,增加了滚动体和滚道的接触面积,从而提高了轴承刚度。第27页/共53页图6-7图6-9表示了适量的预紧对提高轴承刚度、寿命和主轴的动态性能均是有利的 过大

14、的预紧对轴承刚度的提高已不显著,反而会导致发热高、磨损严重的后果。第28页/共53页对于不同类型、不同规格的轴承必存在一个最佳过盈量(最佳间隙量),使主轴前端共振幅值最小,或使相对寿命最长。第29页/共53页2.滚动轴承的间隙调整进行主轴支承结构设计时,一定要考虑轴承间隙调整结构 装配时,能对轴承施加预紧力,控制过盈量;原因轴承磨损后,为恢复精度和过盈量而再进行调整,确保主轴滚动轴承能长期、可靠而又稳定地工作。调隙结构原理：使轴承内、外圈轴向相对位移,消除滚动体和滚道之间的间隙,并有一定的过盈量,然后在调整好的位置上固定下来。调隙结构要求：结构简单、调整方便、工作可靠(不会松脱)。最常用的调隙

15、方法是用螺母调整。第30页/共53页主轴常用的3182100型圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承的径向间隙调整,一般是用螺母经中间隔套,轴向移动内圈来实现的 从左面压内圈移动,结构简单,但控制调整量困难,当预紧量过大时松卸轴承不方便 第31页/共53页用右边螺母来控制调整量,调整方便,但主轴前端要有螺纹,工艺性差。用螺钉代替控制螺母,则在主轴前端须有螺孔,工艺性比图(b)好,但当几个螺钉的力不一致时,易将环压偏而影响旋转精度 第32页/共53页右边隔套做成两半,可取下来修磨其宽度,以便控制调整量。第33页/共53页在高速轻载精加工机床的主轴组件中,经常采用角接触轴承,它的调整方法如图6-11所示 将

16、内圈内侧面磨去一个按预紧量确定的厚度,当压紧内圈时即得原定的预紧量。此法要求侧面垂直于轴线,且重调间隙时必须把轴承从主轴上拆下,很不方便。第34页/共53页两轴承内、外圈间分别装入厚度差为2的两个短套来达到预紧目的,缺点同图（a）在两个轴承外圈之间放入若干个弹簧(沿圆周均布),靠弹簧保持一个固定不变的、不受热膨胀影响的预加载荷。第35页/共53页在两轴承外圈之间装入一个适当厚度的短套,靠装配调整使内圈受压后移动一个的量。它不需修磨,在初调和重调时均可用,但装配技术要求高。第36页/共53页在主轴的一个支承内,常有两个或两个以上的轴承且分别承受径向和轴向载荷,需要分别控制径向和轴向间隙,因此在支

17、承结构上应尽可能使它们能各自分别调整。两种轴承共用一个螺母调整 各用一个螺母分别进行调整,但结构较复杂些 第37页/共53页3.调整螺母的防松调整螺母,一般采用细牙螺纹,易于微量调节、自锁性较好 螺母调整好以后还应有防松措施，防松的方法：第38页/共53页用螺母调整轴承的间隙时,需在轴上加工螺纹且要求螺纹中心与主轴中心同轴,否则会使轴承压偏,故工艺性差。图示为油压套筒式调整结构，采用阶梯套筒代替螺母进行调整。套筒的两段内孔直径略有不同,与主轴过盈配合。装配时将套筒加热后压到轴上,调整时把压力油压人套筒与主轴间的缝隙中,同时借助专用工具在套筒轴向施加一定推力使其产生轴向移动以调整、预紧轴承。第3

18、9页/共53页四、滚动轴承的精度与配合 滚动轴承按其基本尺寸精度和旋转精度的不同,可分成C、D、E、（F）和G等五级。C级精度最高,G级最低,(F)级为暂时保留级在新设计时不许使用,G级轴承可不注明。机床主轴组件一般要求具有较高的精度,主要采用C、D和E三级。向心轴承的精度等级,主要考虑机床工作性能和加工精度要求,按主轴组件径向跳动的允差选择 推力轴承的精度等级,按主轴组件轴向窜动允差选择。第40页/共53页主轴前、后支承中轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。前轴承内圈偏心量 主轴端部的偏心量 后轴承内圈有偏心量 主轴端部的偏心量 前轴承内圈的偏心量对主轴端部精度的影响较大,后轴承的影响较

19、小。第41页/共53页因此,前轴承的精度应当选得高些,通常要比后轴承的精度高一级。各类机床主轴组件中滚动轴承精度等级的选择,可参见表6-7。机床种类机床种类向心轴承精度等级向心轴承精度等级推力轴承精度等级推力轴承精度等级前支承前支承后支承后支承普通精度机床普通精度机床D D（或（或C C）E E（或（或D D）E E高精度机床高精度机床C CD D（或（或C C）D D精密机床精密机床B BC CC C高精度精密机床高精度精密机床B B（或（或A A）B BB B注：数控机床比同类机床精度高12级。第42页/共53页滚动轴承的配合,对于主轴组件的精度也有很大的影响。轴承内圈与轴颈、外圈与轴承座

20、孔的配合必须适当。过松:配合处受载后会出现松动,影响主轴组件旋转精度和刚度,缩短轴承的使用寿命.过紧:会使内、外圈变形,同样会影响主轴组件的旋转精度,加速轴承的磨损,增加主轴组件的温升和热变形,并给装配带来困难。第43页/共53页根据各类机床设计制造的经验,滚动轴承的配合可参考表6-8。配合部位配合部位配配 合合主轴轴颈与轴主轴轴颈与轴承内圈承内圈m5m5k5k5j5j5或或js5js5k6k6座孔与轴承外座孔与轴承外圈圈K6K6J6J6或或Js6Js6或规定一定过盈量或规定一定过盈量紧固性好，不易装拆平均过盈为0，易装拆。外圈通常不转动,与支承座孔的配合稍松。第44页/共53页五、主轴组件结

21、构举例1.中等转速、较大载荷的主轴部件(1)C7620型多刀半自动车床主轴部件 前轴承用双列短圆柱滚子轴承 后支承用圆锥滚子轴承和推力球轴承 第45页/共53页前轴承的间隙靠螺母3调整内环在主轴圆锥轴颈上的位置,从而调整轴承的预紧量;后两个轴承的间隙靠螺母1调整。第46页/共53页(2)X52K型立式铣床主轴部件 前轴承用双列短圆柱滚子轴承 后轴承则因主轴的最高转速已经接近推力轴承允许的转速，改用两个角接触轴承 调整这个轴承的间隙靠修磨垫圈5和拧紧螺母1,把主轴向上提,经锥面把前轴承的内环胀大。角接触轴承的间隙,靠修磨垫圈2的厚度来调整。第47页/共53页(3)CW6163型普通车床主轴部件

22、D3182132型双列向心短圆柱滚子轴承 调整间隙和预紧时先将螺母10松开,然后转动螺母4,使套8相对主轴向右推动轴承内圈,以消除间隙。两个D8134型推力球轴承6和7 用螺母5调整 第48页/共53页(3)CW6163型普通车床主轴部件 后轴承采用E3182124型轴承2,用螺母1调整间隙。中间加E128型向心球轴承3,增强刚性.第49页/共53页(4)CA6140型车床主轴部件 前后径向支承皆为双列短圆柱滚子轴承，推力支承为双向推力向心球轴承。第50页/共53页推力轴承的间隙靠修磨垫圈2调整,前双列短圆柱滚子轴承的径向间隙靠螺母1和3调整。(4)CA6140型车床主轴部件 结构较简单,刚度较高,极限转速较高,是前支承用双列短圆柱滚子轴承的较典型的结构。可适用于一切中高转速,载荷较大,刚度要求较高,各种精度要求的机床,如车床、铣床及数控机床等。第51页/共53页第52页/共53页感谢您的观看！第53页/共53页