主轴组件设计资料(全).ppt

本ppt文档包含以下内容:(本ppt借鉴了许多老师成果) 主传动系统方案的选择确定 主轴组件设计计算 一、主轴组件设计要求 二、主轴组件结构尺寸及材料确定 主轴前后直径d1、d2的确定 主轴内孔直径d的确定 主轴悬伸量a的确定 主轴轴承支撑跨距L的确定 主轴端部结构尺寸的确定 主轴材料选择 三、主轴组件轴承选择设计计算 （一 ）主轴组件轴承类型的选择 （二）主轴组件轴承配置的选择 （三）主轴组件轴承的精度 （四）主轴组件轴承的润滑与密封 （五）主轴组件轴承预紧和间隙调整,主轴组件设计,一、主轴组件应满足的基本要求,1、旋转精度 2、静刚度 3、动刚度 4、温升与热变形 5、精度保持性,主轴组件设计,二、主轴滚动轴承,优点：（1）足够的刚度、高旋转精度、变转速和变载荷 下工作平稳； （2）质量稳定、成本低、经济性好； （3）容易润滑。 缺点：（1）旋转中径向刚度变化大； （2）摩擦力大，阻尼小； （3）径向尺寸大,1、轴承的特点,二、主轴滚动轴承（续）,2、主轴滚动轴承的类型选择,（1）双列圆柱滚子轴承 （2）双列推力角接触球轴承,二、主轴滚动轴承（续）,2、主轴滚动轴承的类型选择,（3）角接触球轴承,二、主轴滚动轴承（续）,2、主轴滚动轴承的类型选择,角接触球轴承组合,二、主轴滚动轴承（续）,2、主轴滚动轴承的类型选择,（4）双列圆锥滚子轴承,二、主轴滚动轴承（续）,3、轴承的精度选择,应采用P2、P4、P5级和SP、UP级,（1）切削力方向固定不变的主轴，旋转精度决定于轴承内圈径向跳动。 （2）切削力方向随主轴旋转同步变化的主轴，旋转精度决定于外圈径向跳动。 （3）前轴承的精度对主轴的影响较大，前轴承的精度应比后轴承高一级。（理论证明略）,二、主轴滚动轴承（续）,3、轴承的精度选择,应采用P2、P4、P5级和SP、UP级,（3）前轴承的精度对主轴的影响较大，前轴承的精度应比后轴承高一级,二、主轴滚动轴承（续）,4、轴承刚度,滚动轴承的刚度随载荷的增加而增大。线接触轴承的刚度可忽略预紧载荷；点接触轴承，计算刚度时应考虑预紧力。,三、主轴,1、结构及材质选择,结构：空心阶梯轴 材料：淬火钢或渗碳淬火钢，高频淬硬。,2、技术要求(略),三、主轴,2、技术要求,四、主轴组件,1、传动方式,（1）带 传 动：结构简单，中心距调整方便，噪声低，平稳，适于高速。（V带、多楔带和同步带） （2）齿轮传动：传递大扭矩，结构紧凑，适合于变速传动。 （3）电机直接驱动：异步电机+连轴器、变频调速电机、电主轴等形式。,四、主轴组件,2、传动件的布置,（1）带轮通常安装在后支承的外侧 （2）齿轮位于两支承之间则尽量使大齿轮靠近前支承 （3）齿轮位于后支承外侧 （4）齿轮外增设辅助支承,四、主轴组件,3、主轴的轴向定位,（1）前端定位：适于轴向精度和刚度高的高精度机床合数控机床； （2）后端定位：适于轴向精度不高的普通机床，卧车、立铣等； （3）两端定位：用于短主轴或轴向间隙变化不影响工作的机床，如钻床、组合机床等。,五、主轴主要尺寸参数的确定（略）,16,主轴部件设计,基本要求 旋转精度和运动精度 刚度 抗振性 温升和热变形(热稳定性 ) 精度保持性,17,旋转精度和运动精度,旋转精度:指装配后的部件在无载或低速转动条件下，主轴前端工作部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。主轴组件的旋转精度直接影响机床的加工精度。 运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低速状态的旋转精度有较大差别，它表现在工作时主轴回转中心位置的不断变化，即“主轴轴心漂移”现象。 旋转精度主要取决于主轴及其轴承的制造、装配、调整的精度；运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平衡等因素。,18,静态刚度,主轴组件的静态刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力，又分为抗弯和扭转两种刚度。数控机床多采用抗弯刚度作为衡量主轴组件刚度的指标。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。,主轴刚度K=F/Y(N/Km),19,抗振性,抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。有时也把抵抗受迫振动的能力称为动刚度，此时，抗振性仅指抵抗自激振动的能力。若主轴组件抗振性差，工作时容易产生振动，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。 主要影响因素:部件的静态刚度、质量分布和阻尼，特别是主轴前轴承的阻尼。设计时，要使主轴的固有频率远大于工作时的激振频率，使之不易发生共振。,20,温升和热变形(热稳定性 ),温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生“抱轴”。 提高主轴组件热稳定性的主要措施是减少发热、加快散热、隔离热源以及采用尽可能合理的结构设计，以使热变形能得到补偿和对加工的影响最小。,21,主轴系统必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高其硬度增加耐磨性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐磨性。,精度保持性,22,主轴部件的传动方式,齿轮传动 特点是结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。它的缺点是线速度不能过高，通常小于1215m/s，不如带传动平稳。 带传动 常用的有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等。带传动的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。 电动机直接驱动方式,23,电动机直接驱动方式,高速内圆磨床电主轴,24,25,主轴部件结构设计,a)前端配置b)中间配置c）后端配置d), e)两端配置,推力轴承位置配置型式,26,推力轴承位置配置型式,前端配置 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，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。 后端配置 前支承处轴承较少，发热小，温升低；但是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。 两端配置 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。 中间配置 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。,27,传动件在主轴上轴向位置的合理布置,a:的传动件放在两个支承中间靠近前支承处，受力情况较好，用得最为普遍； b:的传动件放在主轴前悬伸端，主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床等，传动齿轮直接安装在转盘上； c:的传动件放在主轴的后悬伸端，较多地用于带传动，为了更换传动带方便，如磨床。,28,主轴,主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构形状和尺寸、制造精度、材料及其热处理，对主轴组件的工作性能都有很大影响。 主轴的结构形状 :主轴通常是一个前粗后细的阶梯轴，即轴径尺寸从前轴颈起，向后逐渐缩小。这样的结构，是为了适应主轴各段承受的不同载荷，以满足刚度要求，同时也为其上的多个零件提供足够的安装、定位及止推面，同时也有利于加工和装配。,29,主轴的材料和热处理,一般机床主轴常用45钢，调质到200250HB左右，主轴端部锥孔、定心轴颈或定心圆锥面等部位局部淬硬到50 55 HRC。若支承采用滚动轴承，则轴颈可不淬硬，但是为了防止敲碰损伤轴颈的配合表面，常对主轴轴颈处进行淬硬。如果机床主轴有更高要求时，宜选用合金钢，如对耐磨性要求很高的主轴，常选用38CrMoAlA，并经氮化处理。,30,主轴主要精度指标,前支承轴颈的同轴度约5 m左右；轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且须保证配合过盈15m；锥孔与轴承轴颈的同轴度为35m，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好；装NN3000K型调心圆柱滚子轴承的112锥面，与轴承内圈接触面积不小于85%。,31,主轴部件中的轴承,滚动轴承 液体动压轴承 液体静压轴承 空气静压轴承 磁浮轴承,32,主轴的滚动轴承,角接触球轴承：既可以承受径向载荷，又可承受轴向载荷。常用的接触角有两种：=25和=15。,角接触球轴承,33,角接触球轴承,角接触球轴承多用于高速主轴。随接触角的不同有所区别，=25的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速略低，应用较多；=15的转速可更高些，但轴向刚度较低，常用于不承受轴向载荷的主轴的后轴承。 角接触球轴承为点接触，刚度较低，为了提高刚度和承载能力，一般采用多联组配的方式。,34,角接触球轴承,(a)背靠背, (b)面对面,（c）同向组配(d)三联组配,角接触球轴承的组配,35,角接触球轴承,两个轴承都能共同承受径向载荷。背靠背和面对面组配都能承受双向轴向载荷；同向组配则只能承受单向轴向载荷。背靠背与面对面组配相比，支承点（接触线与轴线的交点）间的距离AB，前者比后者大，因而能产生一个较大的抗弯力矩，即支承刚度较大。运转时，轴承外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减小，可以补偿一部分径向膨胀，而对于面对面组配，将使过盈进一步增加。基于以上分析，主轴受有弯矩，又属高速运转，则主轴轴承必须采用背靠背组配。,36,双列短圆柱滚子轴承,双列圆柱滚子轴承,NN3000K（旧标准3182100)型轴承 NNU4900K（旧标准4482900)型轴承。两排直径和长度相等的短圆柱滚子交错排列，滚子数量为5060个，载荷均布。 区别：滚道环槽的位置不同。滚道环槽开在内圈上，工艺性好，但调整间隙时易使内圈滚道畸变。滚道环槽开在外圈上，调整间隙时内圈滚道不会发生畸变，但工艺性复杂，不适于小规格的轴承。 轴承的间隙调整：轴向移动内圈，改变其在主轴上的位置。 特点：径向刚度和承载能力较大，旋转精度高，径向结构紧凑，寿命长，在主轴组件中应用广泛。但是它不能承受轴向载荷，而需配用推力轴承。,37,圆锥滚子轴承,双列圆锥滚子轴承 1,4一内圈；2一外圈；3一隔套,修磨隔套3的厚度来调整间隙或预紧。外圈有轴肩，一端抵住箱体或主轴套筒的端面，另一端用法兰压紧，以实现轴向定位。因此，箱体孔可做成通孔，便于加工。 既可以承受径向载荷，又可以承受双向轴向载荷。由于滚子数量多，承载能力和刚度都高，轴承制造精度较高，适用于中低速、中等以上载荷的机床主轴的前支承。但设计选用时，应考虑给予充分的润滑和冷却条件,38,滚动轴承配置,配置形式：速度型、高刚度型和刚度速度型,主轴支承的配置速度型,(a)前、后支承均采用双联角接触球轴承，该配置适用于高速、高精度、中等负载的数控车床。 (b) 采用三联或四联角接触球轴承，后支承用双联角接触球轴承，适用于高速、高精度和较高负载要求的数控机床。,39,滚动轴承配置,主轴支承的配置高刚度型,(a):前支承是双列圆柱滚子轴承加双向角接触球轴承，能承受较大的径向和轴向负载，后支承也采用了双列圆柱滚子轴承。主轴部件具有很高的刚性，且温升对刚度、精度和寿命的影响较小，适用于要求中速偏高及有强力切削要求的高刚度、较高精度的数控机床。 (b):前支承采用双列圆锥滚子轴承，可承受高的轴向和径向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，但主轴转速和精度的提高受到限制。适用于中、低速要求和中等精度、重载要求的数控机床。,40,滚动轴承配置,主轴支承的配置一速度刚度型,前支承采用三联角接触球轴承，承受径向和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，具有较高的刚度，适用于要求高速、高精度和较大负载的数控机床。,41,几种典型的主轴轴承配置型式,速度型,角接触球轴承具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，因而适用于高速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速CNC机床等。,42,速度型,高速CNC车床主轴部件,43,刚度型,前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷，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。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。如数控车床主轴、镗削主轴单元等。,44,刚度型,CNC型车床主轴,45,刚度速度型,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。,46,刚度速度型,47,配置圆锥滚子轴承的机床主轴,结构比采用双列短圆柱滚子轴承简化，承载能力和刚度比角接触球轴承高。但是，因为圆锥滚子轴承发热大、温升高，允许的极限转速要低些。适用于载荷较大、转速不太高的普通精度的机床主轴。,48,卧式镗铣床主轴部件,1一齿轮 2-镗主轴 3-铣主轴 4一双键 5, 6-镗主轴套 7-前轴承,铣主轴3的前轴承采用双列圆锥滚子轴承，可以承受双向轴向力和径向力，承载能力大，刚性好，结构简单。主运动传动齿轮1装在铣主轴3上。铣主轴轴端可装铣刀盘或平镟盘，进行铣削加工或车削加工。镗主轴可在铣主轴内轴向移动，通过双键4传动，用于孔加工。,49,摇臂钻床主轴部件,1一主轴 2 一主轴套筒 3-键 4-挡油盖 5-螺母 6一进给齿轮 采用推力球轴承承受两个方向轴向力的主轴部件，其轴向刚度很高，适用于承受轴向载荷大的机床主轴。,50,滚动轴承精度等级的选择,a）前轴承偏移量的影响 b）后轴承偏移量的影响 c)前、后轴承的综合影响 前支承的精度比后支承对主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。,51,思考题,左图中： 1、a)、b)所示情形下，前后轴承偏移引起主轴端部的偏移总量是多少？ 2、c)中的2是多少？,52,滚动轴承精度等级的选择,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。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，P6（旧E级）级轴承在新设计的机床主轴部件中已很少采用。,主轴轴承精度,53,主轴滚动轴承的预紧,适当预紧可提高轴承的刚度和寿命。但是，过度预紧会使滚动体和滚道的变形太大，将导致轴承温升的提高，并降低轴承寿命。 角接触球轴承的预紧 :角接触球轴承一般必须在轴向有预加载荷条件下才能正常工作。 预载荷分为轻、中、重三种，代号为A,B,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。,54,双列短圆柱滚子轴承,用螺母轴向移动轴承内圈，因内圈孔1:12的锥孔，使内圈径向涨大，而实现预紧； 采用过盈套替代螺母实现预紧。,过盈套的结构,55,角接触球轴承的预紧,a)修磨轴承内圈侧面 b）修磨调整环 c)由弹簧自动预紧,56,主轴滑动轴承,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，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数控机床中。 滑动轴承按产生油膜的方式，可以分为动压轴承和静压轴承两类。 滑动轴承按流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。,57,动压轴承,工作原理：当主轴旋转时，带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔而产生油膜压力将主轴浮起。 动压轴承按油楔数分为单油楔和多油楔。 多油楔轴承有固定多油楔和活动多油楔两类。,58,固定多油楔滑动轴承,a)主轴组件 b)轴瓦 c)轴承工作原理 1一轴瓦 2, 5一止推环 3一转动螺母 4-螺母 6一轴承,59,活动多油楔滑动轴承,a), b)轴承结构示意图 c)轴承工作原理,60,液体静压轴承,液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。 静压轴承由供油系统供给一定压力油，输进轴和轴承间隙中，利用油的静压力支承载荷，轴颈始终浮在压力油中。 轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。 静压轴承与动压轴承相比有如下优点：承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在极低转速下工作，也能在极高转速下工作；摩擦小，轴承寿命长。 主要的缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本较高。,61,液体静压轴承,定压式静压轴承,62,空气静压轴承,用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴承相同。由于空气的粘度比液体小得多，摩擦小，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，（一般0.1m以下），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。,63,空气静压轴承,具有径向圆柱与平面止推型轴承的主轴部件 CUPE高精度数控金刚石车床 1一低膨胀材料 2-联轴节 3、5、9、10径向轴承 4驱动电动机 11、6一止推轴承 7一冷却装置 8一热屏蔽装置 12一金刚石砂轮,64,空气静压轴承,采用双半球形气体静压轴承 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，它可以自动调心，前后轴承的同心性好，采用多孔石墨，可以保证刚性达300N /m以上，回转误差在0. 1m以下。,CUPE的PG1505空气静压轴承,65,空气静压轴承,前端为球形，后端为圆柱形或半球形 1一径向轴承 2一压缩空气 3一轴 4-球体 5-压缩空气 6一球面轴承 7一球面座,66,磁浮轴承主要由以下三部分组成：电磁驱动机构，传感器，控制器及算法。磁浮轴承的结构与马达类似，电磁铁除了产生力矩以外，还产生使转子悬浮的吸引力。转子与定子的间隙一般为0.5mm2mm。主轴位置传感器用于给控制系统提供反馈，一般情况下设置四个径向传感器一个轴向传感器。控制器通过对电流大小的调节而控制主轴的位置。,磁浮轴承,67,68,磁浮轴承的特点,无机械磨损，理论上无速度限制；运转时无噪声，温升低、能耗小；不需要润滑，不污染环境，省掉一套润滑系统和设备；能在超低温和高温下正常工作，也可用于真空、蒸汽腐蚀性环境中。装有磁浮轴承的主轴可以适应控制，通过监测定子线圈的电流，灵敏地控制切削力，通过检测切削力微小变化控制机械运动，以提高加工质量。因此磁浮轴承特别适用于高速、超高速加工。国外已有高速铣削磁力轴承主轴头和超高速磨削主轴头，并已标准化。,69,磁浮轴承高速主轴,主轴组件设计,3.1主轴组件的基本要求 3.2主轴轴承的选择与配置 3.3主轴 3.4主轴组件的计算 3.5提高主轴组件性能的措施,3.1主轴组件的基本要求,旋转精度 静刚度 抗振性 热变形 耐磨性,1旋转精度,主轴作旋转运动时线速度为零的点的连线称为主轴的旋转中心线。 在理想状态下，该线即为主轴的几何中心线，其位置是不随时间而变化的。 由于制造和装配等误差的影响，主轴旋转时，该线的空间位置每时每刻都在发生着变化。瞬时旋转中心线相对于理想旋转中心线在空间位置上的偏差，即主轴旋转时的瞬时误差（旋转误差），其范围就为主轴的旋转精度，,1旋转精度,主轴组件的旋转精度是指专机在空载低速转动时，在主轴前端定位面上测得的径向圆跳动、端面圆跳动和轴向窜动值的大小。 主轴组件的旋转精度是在静态无载条件下测出的。如果在工作条件下，则旋转精度就会有所不同，这种精度称为运动精度，是动态的旋转精度。,主轴组件的旋转精度,轴承精度和间隙 与轴承相配合零件（箱体、主轴本身）的精度 轴承安装、调整 主轴转速 轴承组合设计 轴承的性能,2.静刚度,静刚度简称为刚度。 主轴组件的刚度是指在外加载荷作用下抵抗变形的能力。 指在主轴工作端部作用一个静态力F（或扭矩M）时，F与主轴在F作用方向上所产生的变形y之比 径向刚度 、轴向刚度 、扭转刚度 对于大多数专机来说，主轴的径向刚度是主要的。,影响主轴组件刚度的主要因素,主轴的结构型式及尺寸 轴承的类型、配置及预紧 传动件的布置方式 主轴组件的制造与装配质量,3抗振性,主轴组件的抗振性是指机器工作时主轴组件抵抗振动、保持主轴平稳运转的能力。 主轴组件的振动会影响工件的表面质量、刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声而影响工作环境。,4热变形,主轴组件的热变形是指机器工作时，因各相对运动处的摩擦和搅油等耗损而发热造成的温差，使主轴组件在形状和位置上产生的畸变。 热变形可在主轴组件运转一段时间后因发热而造成的各部分位置变化来度量，也可以用温升近似地表示。 主轴组件的热变形会使主轴伸长，使轴承的间隙发生变化，轴心位置偏移等；润滑油温度升高后，使黏度下降，从而降低轴承的承载能力。,影响主轴组件温升和热变形的主要因素,轴承的类型、配置方式和预紧力的大小 润滑方式 散热条件,一般规定，使用滑动轴承时，主轴轴承温度不得超过60，对于高精度机床不得超过室温10。滚动轴承的允许温度可参阅表31(在室温为20的条件下）。,5耐磨性,主轴组件的耐磨性是指长期地保持其原始制造精度的能力，即精度的保持性。 主轴组件的各滑动表面（包括主轴端部定位面、锥孔与滑动轴承配合的轴颈表面，轴向移动的主轴组件的导向表面等）都必须具有很高的硬度，以保持其耐磨性。 滑动和滚动轴承的磨损不仅使主轴组件丧失了原有的运转精度，而且将降低刚度和抗振性，因此必须保证这些部分的耐磨性和具有调整的可能性。,影响耐磨性的主要因素,主轴、轴承的材料与热处理 轴承（或衬套）类型 润滑方式,3.2主轴轴承的选择与配置,3.2.1主轴滚动轴承的类型 3.2.2主轴滚动轴承的配置型式 3.2.3滚动轴承的刚度确定 3.2.4滚动轴承间隙的调整和预紧,3.2.1主轴滚动轴承的类型,双列圆柱滚子轴承 双向推力角接触球轴承 双列圆锥滚子轴承 加梅（Gamet）轴承,1双列圆柱滚子轴承,滚子多，两列滚子交叉排列，旋转时刚度的变化较小。内圈为1：12的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合。轴向移动内圈，可把内圈胀大，以消除间隙或预紧，故该轴承的径向刚度较大。 双列圆柱滚子轴承只能承受径向载荷。 一般常和推力轴承配套使用，能承受较大的径向载荷和轴向载荷，适用于载荷和刚度较高、中等转速的主轴组件前支承上。,2.双向推力角接触球轴承,这种轴承的接触角=60，由外圈3、左右内圈1和6、左右两列滚珠2和5及保持架、隔套4组成，如图3.4所示。修磨隔套4的厚度，可以精确调整间隙或预紧。外圈和箱体孔为间隙配合，安装方便，且不承受径向载荷； 常与双列圆柱滚子轴承配套使用，用于主轴组件的前支承。,3.双列圆锥滚子轴承,有一个公用外圈和两个内圈，外圈的凸肩靠住箱体或主轴套筒的端面，实现轴向定位，用法兰压紧另一端面。凸肩上还有缺口，插入螺钉防止外圈转动。修磨中间隔套可以调整间隙或预紧。 既可承受径向载荷，又可承受双向轴向载荷，承载能力和刚度都较大，并且结构简单，适用于中低速、中等以上载荷的主轴组件前支承,4.加梅（Gamet）轴承,图3.5b为H系列，用于前支承；图3.5c为P系列，用于后支承，配套使用。 这种轴承与一般圆锥滚子轴承的不同点是它的滚子制成中空的，转动时在离心力的作用下形成良好的循环润滑；H系列的两列滚子数目差一个，改善了动态特性;P系列的外环上有弹簧（16-20个）用作预紧。,3.2.2主轴滚动轴承的配置型式,主轴轴承的选择和配置取决于承受载荷的大小、方向及其性质，转速大小，精度高低等因素。 承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要依据。,3.2.2主轴滚动轴承的配置型式,载荷较大,转速较高时，采用双列圆柱滚子轴承和接触角为60的双向推力角接触球轴承组合 转速为中、低速时，采用双列圆柱滚子轴承和推力球轴承或圆锥滚子轴承的组合,3.2.2主轴滚动轴承的配置型式,载荷中等,转速较高时，采用双列圆柱滚子轴承和角接触球轴承的组合或采用前后支承都是角接触球轴承的组合 转速为中、低速时，可采用两个圆锥滚子轴承做前后支承轴承,3.2.2主轴滚动轴承的配置型式,载荷较小,转速较高时，可采用前后支承都是单列角接触球轴承的组合，如果要提高轴向刚度可每个支承并列两个轴承 转速为中、低速时，可采用深沟球轴承和推力球轴承的组合,3.2.3滚动轴承的刚度确定,滚动轴承的刚度一般是指径向刚度。 径向刚度是轴承的径向载荷与径向位移之比值。 径向位移包括轴承本身的弹性位移和轴承环与主轴轴颈及箱体孔的配合表面间的接触变形。,3.2.4滚动轴承间隙的调整和预紧,滚动轴承具有合适的间隙或过盈量，不仅能提高主轴组件的工作性能，而且还可以保证轴承有较长的寿命。因此，主轴组件中应设有间隙调整机构，以保证主轴轴承保持合理的间隙或过盈量。 主轴轴承在装配时要进行预紧、调整间隙，在使用时会出现间隙或过盈量的变化，还应该进行重新调整。因此，采用间隙调整的方法来保持各类轴承合理的间隙或过盈是十分必要的，并必须力求调整方便、可靠。,常见的滚动轴承间隙调整的结构：,1.对于带锥孔的双列圆柱滚子轴承（NN3000K ) 它是移动轴承内圈使其锥孔与轴颈外锥面作相对移动，从而使内圈产生径向弹性变形来调整轴承的间隙或过盈量。 2.对于角接触轴承 它是通过使其内、外圈产生相对位移来实现间隙调整的。,3.3主轴,3.3.1主轴的结构 3.3.2主轴的材料和热处理 3.3.3主轴的技术要求,3.3.1主轴的结构,在一般情况下，轴的设计取决于刚度，而不是其机械强度。因此，主轴的构造和形状主要取决于轴上所安装的传动件和轴承等零件的类型、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。为了便于装配，常把主轴做成阶梯形。 主轴端部的形状与尺寸，必须相配于工作机构。对于通用机床主轴端部的形状和尺寸已标准化，可参见“金属切削机床设计手册”得出。,3.3.2主轴的材料和热处理,没有特殊要求时应优先选用价格便宜的优质结构钢，如45钢或60钢，调质到220一250 HB。在端部锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位，采用高频淬火至5055 HRC。装滚动轴承处的轴颈可不淬硬。装滑动轴承的轴颈处需高频淬硬，以保证其耐磨性。,中等精度、转速,40Cr等合金结构钢，调质、淬火,高精度轴,轴承钢GCr15、弹簧钢65Mn，调质、淬火,高转速、重载,20CrMnTi、20Cr，38CrMoAlA 渗碳淬火或氮化,3.3.3主轴的技术要求,主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度关系到接触精度。因此，主轴的技术要求，应根据专机精度标准有关的项目制定。 具体的技术要求可参阅有关的主轴组件而确定。,3.4主轴组件的计算,3.4.1主轴组件计算时支承的简化 3.4.2主轴结构参数的确定 3.4.3传动件的布置 3.4.4主轴组件的两支承的最佳跨距的计算 3.4.5主轴组件采用三支承的跨距的确定 3.4.6主轴组件的刚度校核,3.4.1主轴组件计算时支承的简化,深沟球轴承、单列或双列圆柱滚子轴承，简化后的支承点在轴承中部。 圆锥滚子轴承或角接触球轴承，则支承点在接触线与轴线交点处，如图3.9b,c。因此，这类轴承应使大口朝外，以使主轴前端的悬伸量减少。,3.4.1主轴组件计算时支承的简化,如一支承上安装两个轴承时，对于角接触轴承采用反装法可以提高其支承刚度，而支承点应在前端轴承的接触线与轴线交点处，如图3.9d所示。 对于接触角为0的向心轴承，则支承点在前端一个轴承中部，如图3.9e所示。其理由为预紧发生在前面一列滚子（或滚珠）与后轴承之间。,3.4.1主轴组件计算时支承的简化,如三联角接触球轴承，前两轴承为同向组合，接触线朝前（大口朝外），后轴承与之背靠背（反装），则支承点应在前面第一个轴承的接触线与轴线交点处，如图3.9f所示。数控车床主轴的前支承常采用三联轴承组合安装。,3.4.2主轴结构参数的确定,主轴结构参数主要包括 主轴前后支承轴颈D1 , D2 、 主轴内孔直径d(指空心主轴）、 前端的悬伸量a 主轴的支承跨距L,1主轴直径的确定,根据材料力学可知，主轴的刚度与其惯性矩成正比，而惯性矩与轴的直径的4次方成正比。主轴直径越大，刚度值越大，但直径越大后，会使材料增加，重量增大，使主轴上的传动件和轴承以及主轴箱尺寸增大；而且由于轴承线速度提高，增加了轴承的发热量。因此，主轴直径D1或D2应在合理范围内尽量选大些，以满足刚度的要求，并兼顾结构紧凑。 为便于安装传动件及支承件，主轴通常为阶梯形，各段直径向尾端逐渐减小。各段直径中最重要的，并对主轴结构尺寸有决定性影响的是同主轴前轴承相配合的轴颈直径D1。,2.主轴内孔直径d的确定,对于空心主轴，内孔直径d的大小，应在满足主轴的刚度前提下尽量取大值。,3.主轴前端部悬伸量的确定,主轴前端悬伸量a是指主轴前支承径向支反力作用点到前端受力作用点之间的距离。 悬伸量a一般取决于主轴端部的结构型式和尺寸、主轴轴承的布置形式及密封形式。经分析可得，缩短悬伸量a可以明显地提高主轴组件的刚度和抗振性。 设计时，在满足结构要求的前提下应尽可能取小值，以提高主轴的刚度。,3.4.3传动件的布置,主轴组件一般都由带或齿轮来传动。通常，主轴前端受到工作载荷（力或扭矩）的作用，而主轴中间或后端受到齿轮或带传动的力的作用。在这些力（或扭矩）作用下，主轴产生弯曲和扭转变形，各支承受到压力。在结构允许的条件下，合理地布置这些传动件的位置和传动力的方向，可以减少主轴的受力和变形，提高主轴组件的刚度和抗振性。同时，主轴组件的刚度还与支承跨距L有关。,1传动件的位置,带传动装置多半装在后轴承的外侧，以防止胶带沾油和便于胶带更换。为了改善主轴的受力变形情况，有时可采用卸荷式带轮结构，这样，传动力对主轴只产生扭矩而不产生弯矩，消除了传动力所引起的主轴弯曲变形。 主轴上的传动齿轮一般安装在各主轴支承之间。为了减少主轴的弯曲变形和扭转变形，应尽可能缩短主轴受扭部分的长度，即将齿轮安置在靠近主轴前支承处。当主轴上的传动齿轮有两个时，应使传递扭矩大的那个齿轮更靠近前支承。,2.传动力的位置和方向,先假定工作载荷F与传动力FQ作用在同一平面内，这样主轴端部上引起的挠度为最大，是一种最差的状态。 主轴受力变形时，其端部的挠度和支承上受力的大小与作用在主轴上的传动力的位置和方向有关,1）如图3.10a所示，带轮安装在主轴后轴承外侧，FQ与F同向，不能使作用力F和传动力FQ所引起的主轴前端变形部分地相互抵消。所以，这种布局可用于胶带拉力较小的场合。若胶带拉力很大，则可考虑采用卸荷式带轮结构。,2）如图3. 10b所示，当作用力F和传动力FQ均作用在主轴前端，二者方向相反时，能使引起的主轴前端变形部分地抵消。此外，前支承支反力也较小，主轴受扭长度也较短，但是传动件需要安装在前支承外侧，增加了主轴的悬伸长度，结构上也较复杂。,3）如图3.10c,d所示，大多数机床或专用机床均采用这种布局。图3. 10c所示的F与FQ的方向相同，能使引起的主轴前端变形抵消一部分，但前轴承的受力较大，要求前轴承有较高的承载能力和刚度。在一般设计中，前轴承直径通常大于后轴承，因而前、后轴承的寿命反而比较接近。图310d所示的F与FQ的方向相反，则主轴前端的变形较大，而前轴承受力却较小。,3.4.4主轴组件的两支承的最佳跨距的计算,主轴组件所承受的外力通常是作用在主轴前端的径向力F和力偶矩M以及作用在主轴某处的传动力FQ。这些作用力将使主轴端部发生挠度，它直接影响主轴组件的工作性能。它是由主轴本身的刚度及其主轴支承的刚度所决定。 根据力的独立性原理，分别考虑在F, M、凡的单独作用下求出主轴前端的挠度，然后进行向量合成，得出前端的挠度。当L=L。（主轴组件的最佳跨距）时，主轴端部的总挠度为最小（Y=Ymin），即主轴组件具有最大的刚度。,3.4.5主轴组件采用三支承的跨距的确定,大多数的主轴组件采用前后两支承。如果前后轴承间距太大（L远大于L。），可以加第三支承以提高刚度而成为三支承主轴组件。 三支承主轴有两种情况：,前、后支承为主，中间支承为辅； 前、中支承为主，后支承为辅。,3.4.5主轴组件采用三支承的跨距的确定,在三支承中，“主”支承应消除间隙或预紧，“辅”支承则应保留游隙以至选用较大的游隙，且不能预紧，决不能三个轴承都预紧，否则会发生干涉。 在一般情况下，前支承必须为主支承，否则会影响到主轴前端的旋转精度。 “主”支承既可用圆柱滚子轴承，也可用圆锥滚子轴承。“辅”支承通常用深沟球轴承或圆柱滚子轴承。,3.4.5主轴组件采用三支承的跨距的确定,当传动力对主轴的作用点较靠近中支承时，以前、中支承为主要支承可以提高主轴组件的刚度的抗振性； 当传动力对主轴的作用点靠近后支承时，宜以前、后支承为主要支承； 当传动力对主轴的作用点靠近前支承时，可以前、中支承为主要支承，也可以前、后支承为主要支承 有资料推荐：当L12L0p时，可取L12=0.42L13。L12为前、中支承的跨距；L13为前、后支承的跨距；L0p为两支承的最佳跨距。,3.4.6主轴组件的刚度校核,对一般设备中的主轴，主要进行刚度验算。 通常，如果能满足刚度要求，也就能满足强度要求。只有对重载荷（如粗加工）的主轴才需进行强度验算； 对于高速主轴，有时需要进行临界转速的验算，以防发生共振。,3.5提高主轴组件性能的措施,3.5.1径向圆跳动量的测定 3.5.2滚动轴承的定向误差装配,3.5.1径向圆跳动量的测定,对于深沟球轴承等：被测定轴承放在V型铁上，如图3.15所示。测量表头指向轴承内孔最低点，然后转动内圈，测出最高点并在内圈端面上用硫酸铜溶液标记。 对于NN3000等轴承：测量时，应将轴承平放在平台上，并将外圈固定，测量方法同上，找出内 圈的最高点，并在内圈端面上用硫酸铜溶液标记 对主轴内锥孔：以主轴轴颈为定位面，将主轴固定在V型铁上，插入主轴锥孔的测量心棒，就可测出锥孔相对于轴颈的最低点，其值为中心线的偏移量。,3.5.2滚动轴承的定向误差装配,主轴的前端必须要有定位表面（外圆柱表面或前锥孔表面）。在安装轴承前，必须首先测出轴承内圈及定位表面的径向圆跳动量，然后再按定向装配法来装配轴承，便可达到提高主轴的旋转精度的目的。,谢谢！,轴向窜动,径向圆跳动,角度摆角,主轴旋转误差综合,一、数控车床主轴部件的结构与调整,（1)主轴部件结构 CK7815型数控车床主轴部件结构如图所示，该主轴工作转速范围为15-5 000 r/min。主轴9前端采用三个角接触轴承12，通过前支承套14支套，由螺母11预紧。后端采用圆柱滚子轴承15支承径向间隙由螺母3和螺母7调整。螺母8和螺母10分别用来锁紧螺母7和螺母11，防止螺母7和11的回松。带轮2直接安装在主轴9上（不卸荷）。同步带轮1安装在主轴9后端支承与带轮之间，通过同步带和安装在主轴脉冲发生器4轴上的另一同步带轮相连，带动主轴脉冲发生器4和主轴同步运动。在主轴前端，安装有液压卡盘或其他夹具。,CK7815型数控车床主轴部件结构图,知识拓展,角接触球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，也可以承受纯轴向载荷，其轴向载荷能力由接触角仅（载荷作用线与轴承径向平面之间的夹角）决定，接触角越大，承受轴向载荷的能力也越大。角接触球轴承的装球数量比深沟球轴承多，因而载荷容量在球轴承中最大，刚性也大，且可预凋，工艺性好，公差等级是球轴承中最高的类型之一，尤其适用于高速、高精度的场合。 此类轴承适用于支承间距不大，双支承轴上，如机床主轴，尤其是磨床砂轮轴，内燃机液力变速箱、蜗杆减速器、电钻、离心机和增压器等。,2、加工中心主轴部件的结构与功能,行程开关,弹簧,压缩空气管接头,钢球,端面键,液压缸,液压缸,碟形弹簧,拉杆,主轴,刀柄,拉钉,行程开关,加工中心主轴部件的结构如图所示，主轴前端有7：24的锥孔，用于装 夹锥柄刀具。端面键13既作刀具定位用，又可通过它传递转矩。为了实 现刀具的自动装卸，主轴内设有刀具自动夹紧装置。从图中可以看出， 该机床是由拉紧机构拉紧锥柄刀夹尾端的轴颈来实现刀夹的定位及夹紧 的。 1、夹紧刀夹时，液压缸上腔接通回油，弹簧11推活塞6上移，处于图 示位置，拉杆4在碟形弹簧5的作用下向上移动。 2、装在拉杆前端径向孔中的4个钢球12进人主轴孔中直径较小的d2处被 迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内，因而刀杆拉杆拉紧，依靠摩擦 力紧固在主轴上。 3、换刀前需将刀夹松开时，压力油进入液压缸上腔，活塞6推动拉杆4 向下移动，碟形弹簧被压缩； 4、当钢球12随拉杆一起下移至进人主轴孔中直径较大的d1，处时，它 就不再能约束拉钉的头部，紧接着拉杆前端内孔的台肩端面碰到拉钉， 把刀夹顶松，此时行程开关10发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。 5、压缩空气由管接头9经活塞和拉杆的中心通孔吹人主轴装刀孔内，把 切屑或脏物清除干净，以保证刀具的装夹精度。机械手把新刀装上主轴 后，液压缸7接通回油，碟形弹簧又拉紧刀夹。刀夹拉紧后，行程开关8 发出信号。,加工中心主轴刀柄,刀柄拉钉,3、数控机床主轴维护特点,（1）、主轴润滑 保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件的热量带走，通常采用的是循环润滑系统。 有两种方式： 1）油气润滑方式 定时定量的把油雾送进轴承空隙中 2）喷注润滑方式 用较大流量的恒温油喷注到主轴轴承上，达到润滑、冷却的目的。,（2）防泄漏,图中(a)是利用轴承盖与轴的间隙密 封，轴承盖的孔内开槽是为了提高 密封效果，这种密封用在工作环境 比较清洁的油脂润滑处； 图中(b)是在螺母2的外圆上开锯齿 形环槽，当油向外流时，靠主轴转 动的离心力把油沿斜面甩到端盖1的 空腔内，油液流回箱内； 图中(c)是迷宫式密封结构，在切屑 多，灰尘大的工作环境下可获得可 靠的密封效果，这种结构适用油脂 或油液润滑的密封。非接触式的油 液密封时，为了防漏，重要的是保 证回油能尽快排掉，要保证回油孔 的畅通。,卧式加工中心主轴前支承处采用 的双层小间隙密封装置。主轴前 端车出两组锯齿形护油槽，在法 兰盘4和5上开沟槽及泄漏孔，当 喷人轴承2内的油液流出后被法盘 4内壁挡住，并经其下部的泄油槽 9和套筒3上的回油斜孔8流回箱， 少量油液沿主轴6流出时，主轴护 油槽在离心力的作用下被甩至法 兰盘4的沟槽内，经回油斜孔8重 新流回油箱，达到了防止润滑介 质泄漏的目的。,拓展知识,1、电主轴功能及结构 数控机床为了实现高速、高效、高精度的加工，要采用特定的主轴功能部件并且要具有大功率、宽调速范围的特性。最适合高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装人主轴单元内部（称之为电主轴），通过交流变频控制系统，使主轴获得所需的工作速度和扭矩。电主轴结构紧凑、速度快、转动效率高，取消了传动带、带轮和齿轮等环节，实现“零传动”，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时传动带和带轮等传动件的振动和噪声问题。 以往电主轴主要用于轴承行业的高速内圆磨削，随着数控技术和变频技术的发展，电主轴在数控机床中的应用越来越广泛，不仅在高速切削机床上得到广泛应用，也应用于对工件加工有高效率、高表面质量要求的场合以及小孔的加工。 一般主轴转速越高，加工的表面质量越好，尤其是对于直径为零点几毫米的小孔，采用高转速的主轴有利于提高内孔加工质量。,2、电主轴的主要技术特点 高速轴承技术 高速电机技术 润滑 冷却装置 内置脉冲编码器 自动换刀装置 高速刀具的装夹方式 高频变频装置,