数控技术毕业设计（论文）CK518立式数控车床主轴单元的开发设计

CK518立式数控车床主轴单元的开发设计摘要 本次研究工作的主要目的是完成CK518主轴单元设计。使其满足旋转精度、结构刚度、静刚度，抗振性、温升和热变形及耐磨性等主要性能，以提高机床的加工质量和加工效率。第一部分主要介绍了CK518立式数控车床的主轴单元的组成、功用和特点以及影响主轴单元的各个因素：主轴单元或主轴组件是数控立式车床CK518的一个重要组成部分。主轴组件由主轴、主轴轴承及安装在主轴上的传动件、密封件等组成。机床工作时，由主轴夹持工件并带动工件旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，直接完成表面成形运动。由于机床转速高，功率大，机床的加工质量，在很大程度上要靠主轴组件保证，因此要求主轴组件具有良好的旋转精度、结构刚度、抗振性、温升和热变形及耐磨性等；第二部分主要说明了主轴组件的布局方式和主轴的设计以及滚动轴承设计选择；第三部分主要是主轴单元的部件的校核计算，主要包括主轴的刚度，前、后轴承支反力，主轴的前端挠度，前、后轴承的弹性变形量，轴承预紧量，滚子所受预载荷等等。CK518立式数控车床具有高转速、大扭矩，高刚性等特点。该机床可加工各种短轴类、盘类零件，车削各种螺纹、圆弧、圆锥、回转体的内外曲面、端面、沟槽、钻、扩、铰等，适用于形状复杂的中小批量零件，以及精度、尺寸一致性要求高的大批量零件的加工。该类机床在国内外汽车行业广泛应用，是一种高效、高精度、高质量、高效益、低成本，投资回报期短，性能价格比高的机床，因此设计为其一种优良的主轴单元具有重大的现实意义。关键词：数控车床 主轴组件 刚度 轴承 高速切削Development and Design of CK518s Spindle AssemblyAbstract This research works main purpose completes the CK518 main axle unit design. Causes it to satisfy the running accuracy, the structure rigidity, the static rigidity, the vibration-proof, the temperature rise and the thermal deformation and wear resistant and so on main performance, improves engine beds processing quality and the processing efficiency.The first part mainly introduced CK518 vertical numerical control lathes main axle unit composition, function and characteristic as well as influence main axle unit each factor: The main axle unit or the main axle module are numerical control vertical lathe CK518 important components. The main axle module by the main axle, the main shaft bearing and installs on main axles biography moving parts, the seal and so on is composed.therefore requests the main axle module to have the good running accuracy, the structure rigidity, the vibration-proof, the temperature rise and the thermal deformation and wear resistant and so on; The second part mainly explained the main axle modules layout way and main axles design as well as the rolling bearing design choice; The third parts are mainly the main axle unit parts examination computations, mainly includes main axles rigidity, first, a rear bearing reaction, main axles front end amount of deflection, first, rear bearings elastic amount of deformity, the bearing pre-tight quantity, the roller receives pre-load and so on. The CK518 vertical numerical control lathe has the high speed, the great torque, characteristics and so on high rigidity. This engine bed may process each kind of minor axis class, the plate class components, turning each kind of thread, the circular arc, the circular cone, the solid of revolution inside and outside surfaces, the end surface, the trench, drill, expand, the articulation and so on. This kind of engine bed widely applies in the domestic and foreign automobile profession, is one kind highly effective, the high accuracy, high grade, the high benefit, the low cost, the investment repayment time is short, performance price scaled height of burst engine bed, therefore designs for its one kind of fine main axle unit has the significant practical significance.Keywords Numerical control lathe Main axle module Rigidity Bearing High-speed cutting目 录引 言1第一章 主轴组件的设计介绍 21.1 主轴单元的组成、功用和特点21.2 主轴组件的设计要求2 第二章 主轴组件的结构配置82.1 主轴组件的布局82.2 传动件的布局92.3 主轴的设计 92.4 滚动轴承12第三章 主轴组件的计算143.1 支承的简化143.2 主轴组件刚度校核计算15第四章 主轴组件的密封和润滑18结论20致谢21参考文献22引 言近年来高速切削的相关技术逐渐地成熟，成为正在迅速崛起的一项先进制造技术，对机械制造业发展产生了深远影响。实现高速切削的关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床，因此自20世纪80年代中期以来，开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。目前适应高速切削加工要求的高速加工中心和其他高速数控机床在工业发达国家已呈普及应用的趋势。而我国也正在加快发展高速加工中心的生产、研究和应用。科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。超高速切削，超精密加工的应用，对数控机床的数控系统，伺服性能，主轴驱动，机床结构等提出了更高的性能指标。随着电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大。 CK518立式数控车床，采用机电液一体化结构，占地面积小，整机布局紧凑合理，安装、维修方便。机床具有高转速、大扭矩，高刚性等特点。该机床可加工各种短轴类，盘类零件，车削各种螺纹、圆弧、圆锥、回转体的内外曲面、端面、沟槽、钻、扩、铰等，适用于形状复杂的中小批量零件，以及精度、尺寸一致性要求高的大批量零件的加工。该类机床在国内外汽车行业广泛应用，是一种高效、高精度、高质量、高效益、低成本，投资回报期短，性能价格比高的机床。CK518数控车床在主传动结构上采用无级调速，加工稳定性好；控制系统采用西门子840D系统，液晶显示彩色屏，主伺服电机及进给电机全部采用AC电机；机床的卡盘松开及卡紧在一次安装加工中可实现两种夹紧力的自动变换，便于粗精加工在一次装卡中完成；车床主轴垂直地面与人体站立平行，优越于其它安装形式，避免了主轴高速旋转的惯性造成椭圆加工，而展现出近真圆的精度；因加工件自重，所以能与夹具基准面准确地、紧密地接触，使加工件获得高精度且稳定的加工；对于不规则形状的加工件，易于加工，上下装卸工件容易。夹具结构简单化，制造费用降低；高性能数控系统，使自动化程度大副提高；整机采用模块化设计，可根据客户需求配制不同的功能部件，车床能更好的适应客户的需求；机床可用于自动生产线，组线容易，可组成生产单元，如两台立车就能组成一条生产线，进行工件的正、反面加工。因此，可见CK518立式数控车床在市场的容纳潜力比较大。 第一章 主轴组件的设计介绍1.1 CK518立式数控车床主轴单元的组成、功用和特点大多数机床都有主轴组件（主轴单元），有的机床只有一个主轴组件，有的则有多个，如外圆磨床具有砂轮主轴组件和工件头架主轴组件，又如组合机床，具有几十个主轴组件，主轴组件是由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件、密封件组成。主轴组件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或者刀具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产效率，因此它是机床中的一个关键组件。主轴和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工作条件。但主轴直接承受切削力，还要带动工件或者刀具，实现表面成形运动。因此对主轴单元有较高的要求。1.2 CK518立式数控车床主轴组件的设计要求对主轴组件总的要求是，保证在一定的载荷与转速下，带动工件或刀具精确而稳定地绕其轴心线旋转，并长期地保持这种性能。为此，对主轴组件提出以下几方面的要求：1.2.1 旋转精度主轴组件的旋转精度是指机床处于空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基础面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变的。实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置称为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对理想回转中心线在空间的位置距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。纯径向误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在时构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是在所有的情况下都表示为被加工工件所得到的加工形状。主轴旋转精度是主轴组件工作质量的最基本的指标，也是机床的一项主要精度指标，它直接影响被加工零件的几何精度和表面粗糙度。当主轴工作时存在着下列运动：主轴绕自身旋转轴线的转动，旋转轴线的径向跳动，轴向窜动和端面跳动。主轴的旋转精度，直接受轴承精度和间隙的影响，同时也和其他零件的（箱体、主轴本身等）的精度有关。（1） 轴承精度和间隙的影响 滚道的径向跳动. 确定主轴旋转轴心的是轴承的滚道表面，而轴承的内孔则决定了主轴轴承径几何轴心位置。当内圈滚道和内孔偏心时，则主轴的几何轴线将产生径向跳动。由于外圈一般是固定不动的，因此外圈滚道的偏心不会引起主轴的径向跳动。轴承滚道的形状误差会使主轴的旋转轴线产生径向跳动，从而将这种形状误差部分地反映到被加工表面上。之所以只有部分反映，是由于滚道在载荷作用下，将产生弹性变形的补偿作用。 各滚动体直径不一致和形状误差，将会引起主轴旋转轴线的径向跳动，使加工表面产生形状误差。每当最大的滚动体通过承载区一次，就使主轴旋转轴线发生一次最大的径向跳动。由此所引起的轴线径向跳动的周期取决于保持架的转速，而保持架的转速总比内圈的转速低。当主轴承受载荷时，由于滚道和滚动体的弹性变形，将会部分地补偿滚动体直径不一致和形状误差的影响。 滚道的端面跳动将引起主轴的轴向窜动。主轴旋转一圈，来回窜动一次，相当于在主轴上附加一个螺旋运动，使被加工端面变为螺旋面。若车削螺纹，则造成螺距的周期误差。 轴承滚道和滚动体之间的间隙，使主轴在受到变化的外力是产生位移，从而使主轴的旋转轴线作复杂的周期运动，间隙越小，则旋转轴线变动越小。如果用预加载荷来消除轴承间隙，甚至造成过盈，这不仅消除了间隙的影响，而且还提高了主轴组件的刚度，使旋转精度进一步提高，但过盈量不宜过大。（2）主轴本身及支承座等零件精度的影响 主轴轴颈的尺寸和形状误差，将使轴承内圈滚道产生相应的变形，形状误差还使轴承在各个方向的刚度不一致，从而降低了主轴工作时的旋转精度。主轴支承轴颈的同轴度，锥孔、定心轴颈对主轴轴颈的同轴度，包括偏心及中心线的偏斜，将导致工件在纵向截面内几何形状误差和横向截面内的尺寸误差，工件在多次装卡时会引起各加工表面的不同轴。 前后支承座孔或主轴前、后轴颈的同轴度误差，使轴承内外圈滚道相对倾斜，引起旋转轴线的径向和轴向跳动。 调整间隙用的螺母、过度套、垫圈和主轴轴肩等的端面垂直度，将使轴承装配后因受力不均而造成滚道畸变。实践证明，调整螺母的端面跳动超过0.05mm时，对主轴前端的径向跳动影响十分显著。必须指出，提高轴承精度是提高主轴组件旋转精度的前提条件，但只有同时提高主轴、支承座孔以及有关零件精度时，才可能获得较高的旋转精度。1.2.2 刚度 主轴组件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端部产生一个单位的弹性变形时，在变形方向上所加的作用力P的大小来表示，如图1所示，即刚度值为P/y（N/m）。比值越大，刚度越大。有时也用它的反义词柔度y/P来表示。y值直接影响加工精度，而y值与工件、刀具的安装方式及尺寸无关，故较能反映主轴组件的结构性能，便于对不同结构的主轴组件进行比较。图1主轴刚度值的确定应当指出，在CK518立式数控车床主轴组件的工作过程中，引起y的作用力不仅有切削力P，而且还包括由切削力引起的作用在主轴端的力矩M和作用在主轴某一部位的传动力Q.CK518立式数控车床主轴组件的刚度，是主轴、轴承和支承座的刚度的综合反映。它直接影响主轴组件的工作质量。在加工精度方面，主轴前端弹性变形直接影响着工件的精度；在传动质量方面，主轴的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况，并使轴承产生侧边压力，从而使这些零件的磨损加剧，寿命缩短；在工作平稳性方面，主轴组件的刚度不足，将使主轴在变化的切削力和传动力等作用下，产生过大的受迫振动，并容易引起切削自激振动，降低了工作的平稳性。影响主轴组件刚度的因素很多，主要有:主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造和装配质量等。1.2.3 抗振性主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运转的能力。主轴组件的振动，影响被加工表面的质量，限制机床的生产率；此外，还降低刀具耐用度和机床零件的寿命，发出噪声，影响工作环境等。生产上常以对加工表面质量、精度和生产率的影响来衡量主轴组件的抗振性。随着机床向高精度、高生产率方向发展，对抗震性要求越来越高（1） 抵抗受迫振动的能力主轴组件受迫振动的干扰力，主要包括由于主轴上旋转零件的偏心质量而产生的离心力，传动件运动不均而产生的惯性力，以及断续切削产生的周期性变化的切削力。由于这些干扰力，引起主轴并带动刀具或工件一切振动，而在加工表面上留下振纹，使工件表面粗糙度提高。根据设计机床加工表面粗糙度要求，确定主轴前端的允许振幅，然后计算或测定主轴组件在各种动态干扰力的作用下，其前端的振幅，并与允许值比较，评价是否满足要求。粗略评价可根据机床应达到的加工表面粗糙度的参数值，查出相应的表面不平度的高度，考虑由工件和刀具相对振动产生的波纹深度为（1/21/3），一般取1/3，表面粗糙度较低时取1/2，故在切削部位刀具与工件的允许相对振幅的单峰值=(1/41/6) 常用数值见表1表1 允许相对振幅 （m）加工方式加工表面不平度允许相对振幅磨削精密1.60.25一般3.20.5车削精密6.31.0一般101.6在单独分析主轴组件时，只能求得主轴前端在切削部位的绝对振幅，它只能部分地反映刀具和工件之间的相对振幅。两者关系与激振频率有关，目前主要由实验来确定。此外，主轴组件的低阶固有频率与振型也是抗振性的评价指标，一般来说，低阶固有频率应高些，并远离激振频率，主轴振型的节点应靠近切削部位。（2） 抵抗切削自激振动的能力金属切削加工时，虽然没有外界动态干扰的作用，但由于机床-工件-刀具弹性系统振动对切削过程的反馈作用，刀具与工件之间发生了周期性的强烈的相对振动，称为切削自激振动，简称颤振。颤振将使加工表面质量恶化，甚至使切削过程无法继续下去，从而不得不降低切削用量来避免之，所以机床的切削用量极限往往不是由机床的功率所决定，而是由加工时发生颤振的条件来决定。机床切削稳定性极限还可以由机床结构的动态特性来表示。根据机床动力学理论知，在切削过程中可能发生各种自激振动，其中较易发生的是再生自振。产生自振的界限为: （1-1）式中：切削刚度，表示单位切削宽度下，单位切削厚度变化量所产生的动态切削力；机床-工件-刀具系统在切削部位，以切削力方向的激振力为输入，以刀具和工件之间在切削表面法线方向的相对振幅为输出的交叉柔度W的最大负实部。主轴组件是颤振的主振部分，因此在单独分析主轴组件时，可以认为主轴前端在切削部位激振点动柔度的最大负实部，反映了主轴组件抵抗切削自振的能力。即有（1-1）式可得交叉动柔度的允许值： （1-2）1.2.4 温升和热变形CK518数控立式车床主轴组件工作时因各相对运动处的摩擦和搅油而发热，产生了温升。温升使主轴组件的形状和位置发生畸变，称为热变形。热变形以主轴组件运转一定时间后各部分位置的变化来度量。CK518数控立式车床主轴组件温升和热变形，使机床个部件相对位置精度遭到破坏，影响工件加工精度，高精度机床尤为严重；热变形造成主轴弯曲，使轴承的工作状态变坏；还使主轴和轴承、轴承和支承座之间以调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承的正常工作，间隙过小将加速轴承的磨损，严重时甚至发生轴承抱轴的现象。使主轴组件产生温热，热变形的热源主要是主轴支承中的轴承、润滑油以及直接装在主轴上的电动机。在温室（C）条件下，主轴轴承允许的温度可参考表2，表中数值表示轴承外壁或临近箱壁温度值，当温度增加时，润滑油粘度降低，轴承温差减小，故室温变化至C时轴承允许温度 按下式计算： = （1-3）式中是室温超过C后不同润滑剂的修正系数：2030号机械油（2030）厘斯/C） =0.60.5；36号主轴油（35厘斯/C），=0.850.8：润滑脂的=0.9表2 主轴轴承允许的温度（C）机床精度等级普通机床精密机床高精密机床特高精密机床轴承外圈允许温度50554045354028-301.2.5 精度保持性主轴组件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力。为此，CK518立式数控车床主轴组件中的各滑动表面，包括主轴轴颈和滑动轴承的配合面，滚动轴承的磨损不仅使主轴组件丧失原有的旋转精度，而且将降低刚度和抗振性，因此必须保证这些表面的耐磨性和有调整间隙的可能。其影响因素主要有主轴、轴承的材料和热处理，轴承的类型及润滑方式。第二章 主轴组件的结构配置2.1主轴组件的布局为了能提高刚度和抗振性，CK518立式数控机床，其主轴组件采用三支承。1后轴承 2中轴承 3前轴承 4端盖图2 主轴组件结构简图如2图所示：由于结构上的原因，主轴箱长度较大，主轴支承跨距也很大，故加中间支承是有利的。但由于制造工艺上的限制，要使箱体中的三个主轴支承座孔中心完全一致是不可能的，为了保证主轴组件的刚度和旋转精度，通常只有两个支承起主要作用，另一个支承起辅助作用，即处在所谓“浮动”状态。辅助支承采用刚度和承载能力较小的轴承，并选用其外圈与支承座孔配合比主要支承松12级.考虑到以上因素，本次设计时主要支承与辅助支承的轴承搭配是：以双列圆柱滚子轴承为主要支承，以角接触球轴承为辅助支承。以前后支承为主要支承，则中支承座壁的厚度可以小些，箱体内可有较大的空间。当辅助支承远离主要支承时，对辅助支承座孔与主要支承座孔间的同轴度要求可以低些，相反，当辅助支承靠近主要支承时，则对同轴度的要求较高。2.2 传动件的布局数控立式车床CK518主轴采用皮带传动，通常，主轴前端受到切削力的作用，而主轴后端或中间受到皮带传动力的作用。在这些力的作用下，主轴产生弯曲和扭转变形，各支承受到压力，在结构允许的情况下，合理布置这些传动件和传动力的方向，可以减小主轴的受力和变形，提高主轴组件的刚度和抗振性。CK518立式数控车床的传动皮带安装在主轴的尾部，可以防止皮带沾油和便于皮带的更换，为了改善主轴的受力变形情况，采用卸荷式结构，即皮带装在独立的支承上，借助弹性连接传动主轴，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。2.3 主轴的设计2.3.1主轴的结构主轴的结构主要取决于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位方法，同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性。一般在机床主轴上安装较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴径起向后递减，数控立式车床CK518采用空心轴，可以提高主轴的刚度。主轴组件的结构参数主要包括：主轴的平均直径D（初选时用主轴前轴颈的直径D来表示），主轴内孔直径d，主轴前端部的悬伸量a,以及主轴支承跨距L。（1）主轴直径对主轴组件刚度的影响很大，直径越大，主轴本身的变形和轴承变形引起的主轴前端位移就越小，即主轴组件的刚度越高。主轴前轴颈D可根据传递功率确定，见表3表3 主轴前轴颈直径D的选择 （mm）机床机 床 功 率 （千瓦）1.47-2.52.6-3.63.7-5.55.6-7.37.4-1111-14.714.8-18.418.5-2222-29.5车床60-8070-9070-10595-130110-145140-165150-190220230主轴后轴颈直径D和D的关系和根据下列经验公式确定：D=（0.70.85）D （2-1）（2）主轴内孔直径d由材料力学可知，刚度J正比于截面惯性矩I，它与直径之间有下列关系： (2-2)根据此式，可绘出主轴孔径d对刚度的影响曲线，如图3所示，由曲线可知，0.3时，空心与实心截面的刚度很接近；当=0.5时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%，对刚度影响不大；当0.7时，则刚度急剧下降，故一般应使0.7。有式 = 0.7 （2-3）得出主轴内孔直径d取值为d=180mm图3 主轴内孔直径对刚度的影响(3)主轴前端悬伸量的计算主轴悬伸量指主轴前支反力作用点到主轴前端受力作用点之间的距离。如图4所示，它对主轴组件刚度的影响较大。在主轴前端有作用力P=10000N的情况下，若悬伸量为时，主轴端部位移为20m，则刚度为m；当悬伸量为（=1/2）时，主轴前端位移减至6.5m，则m。这说明由于缩短悬伸量一半而使主轴组件刚度增加三倍多。因此，在满足结构要求的前提下，应尽可能减少悬伸量，以利于提高主轴组件的刚度。有经验公式 可取=100mm.图4 悬伸量对主轴刚度的影响（4）主轴支承跨距L主轴支承跨距L是指主轴前后支反力作用点之间的距离。由公式（24）可计算出， （2-4）式中：跨距主轴材料的弹性模量，值约是2.110N/CM主轴截面平均惯性矩，=主轴悬伸量，前，后支承刚度。代入数据得=420mm.2.3.2主轴的材料与热处理CK518立式数控车床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。主轴的刚度与材料的弹性模量E有关，钢的E值较大，所以主轴材料首先考虑用钢。因为钢的E值与钢的种类和热处理方式无关，因此在选择时首先选择价格便宜的中碳钢，只有在载荷特别大和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减小热处理变形时等等，才考虑选用合金钢。CK518数控车床采用滚动轴承，轴颈可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，仍进行高频淬火。根据机床主轴常用的材料和热处理要求查设计手册可得：CK518机床主轴采用45钢，调质热处理，硬度为HB220250。2.4 滚动轴承滚动轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、配置、精度、安装、调整和润滑等都直接影响主轴组件的工作性能。主轴的旋转精度在很大成度上由其轴承决定，故主轴轴承应具有：旋转精度高、刚度大、承载能力强、抗振性好、速度性能高、摩擦功耗小、噪声低和寿命长等特点。滚动轴承具备上述特点，因此数控立式车床CK518采用滚动轴承，故这里主要介绍滚动轴承的预紧特点：为了提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴的振动，CK518立式数控车床的主轴轴承用预紧来提高其旋转精度与轴向刚度。所谓预紧，就是在安装时用某种方法在轴承中产生并保持一轴向力，以消除轴承中的轴向游隙，并在滚动体和内、外圈接触处产生初变形。预紧后的轴承受到工作载荷时，其内圈的径向及轴向相对移动量要比未预紧的轴承大大地减小。常用的预紧装置有：1.夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧（下图5 a）；2.用弹簧预紧，可以得到稳定的预紧力（下图5 b）；3.在一对轴承中间装入长度不等的套简而预紧，预紧力可由两套筒的长度差控制（下图5 c），这种装置刚性较大；4.夹紧一对磨窄了的外圈而预紧（下图5 d）；反装时可磨窄内圈并夹紧。这种特制的成对安装角接触球轴承，可由生产厂选配组合成套提供。在滚动轴承样本中可以查到不同型号的成对安装角接触球轴承的轻、中、重三个系列预紧载荷值及相应的内圈或外圈的磨窄量。根据上述各特点和轴的结构设计参数，查滚动轴承手册，选择前轴承为NN3060K,中轴承为7060，后轴承为NN3056K。前轴承预紧量留3m，后轴承预紧量留0m图5 轴承的预紧第三章 主轴组件的计算CK518立式数控车床主轴组件设计部分参数：最大切削力： 14700N主轴最大扭矩: 2940Nm主电动功率： 15KW 横梁移动电动功率： 1.5KWCK518立式数控车床主轴往往有较高的刚度要求, 因此, 轴承直径的尺寸往往较大, 根据这些轴承直径尺寸所选定的滚动轴承, 其疲劳寿命往往是较长的, 因此常常不需要作疲劳寿命的计算, 这类轴承的选择主要取决于其精度和刚度。而主轴的轴向刚度完全取决于轴承的轴向刚度, 下面主要对主轴组件的刚度进行校核计算。3.1 支承的简化先将主轴组件简化为主轴组件计算模型, 由于一对背对背角接触球轴承只承受轴向力, 故可将支承点简化为双列圆柱滚子轴承中心, 见图6图6主轴组件计算模型3.2 主轴刚度计算已知主轴前轴承NN3060K 轴承内径=300mm , 后轴承NN3056K 轴承内径=280mm , 跨距=420mm , 主轴前端悬伸量=100mm ,主轴孔直径=180mm ,前轴承预紧量=3m, 后轴承预紧量0,主轴前端加载=6000N , 则主轴的径向刚度为:=() （3-1）式中:主轴的前端挠度, m;前轴承的弹性变形量, m; 后轴承的弹性变形量, m。3.2.1计算轴承支反力前轴承支反力 为: （3-2）代入数据得：=7428.57N 后轴承支反力 为: = - （3-3）= 1428.57N 3.2.2主轴前端挠度的计算主轴的当量直径为:mm （3-4）在轴端载荷F 的作用下, 主轴前端挠度 可按下式计算:= F/30() （3-5）将有关数据代入计算得: = 0.139m。3.2.3轴承径向弹性变形量计算经查表知轴承NN3060K 滚动体列数=2, 每列中的滚动体数=30, 滚动体有效长度=8.8mm;轴承NN3056K 的相关参数为=2, =27, =8.8mm。(1) 前轴承径向弹性变形量 的计算前轴承为NN3060K, 预紧量=3m, 这时一个滚子的预载荷可由下式求得:= 0.077 （3-6）式中: 轴承预紧量, m;滚子所受预载荷,N;滚动体有效长度,mm。由式(3-6) 可推算出= =,则= 404.49N , 相当于前轴承增加了附加载荷, 可由= 5/iz 中推算出= /5 (3-7)= 4853.88N 则前轴承所受载荷为:= + (3-8)= 12282.45N 前轴承的总弹性变形为:= 0.077/ (3-9) = 0.077(5/)/= 7.012m 扣除预紧量3m, 实际总变形量为= 7.012-3= 4.012m。折合到主轴前轴承的弹性变形量 为: = (+ )/= 4.967m (3-10)(2) 后轴承径向弹性变形量 计算同理可算出主轴后轴承的弹性变形量 =0.386m。故主轴组件的刚度 为:=F/(+) (3-11)=1092.5Nm 从主轴单元样本可以看出, 同类型同尺寸轴承主轴单元的刚度值与计算基本吻合, 轴承内径与刚度曲线见图7图7 轴承内径和径向刚度曲线图因此, 可以说明CK518 数控车床主轴的刚度完全满足设计要求。而该机床在使用中也完全能达到各项精度要求。第四章 主轴组件的密封和润滑（1）CK518立式数控车床设计主轴组件的密封装置时要考虑下列要素： 适应主轴的转速、轴承的润滑方式和工作温度，在工作压力和工作温度范围内具有良好的密封性能，密封部位的摩擦力应尽量小，磨损后能作一定程度的自动补偿。 适应轴承的工作环境、润滑剂的腐蚀。 润滑剂的选用原则：为了获得良好的润滑效果，润滑剂必须具备：较低的摩擦系数，良好的吸附能力以及渗入能力，以便能够很好地渗入到摩擦副的微小间隙内，牢固吸附在摩擦面上，形成具有一定强度的抗压油膜。在机械结构的设计中，应该根据轴承的类型、速度和工作负荷选择润滑剂的种类和润滑方式，如果润滑剂和润滑方式选择得合适，可以降低轴承的工作温度并延长轴承的使用寿命。（2）滚动轴承的润滑滚动轴承可以用润滑脂或润滑油来润滑。试验说明，在速度较低时，用润滑脂比用润滑油温升低；速度较高时，用润滑油较好。一般情况下，判断的指标是速度因数dn。d为轴承内径（mm），n为转速（r/min）。 脂润滑 脂润滑可用于dn值较低，又不需要冷却的场合。脂润滑的结构比较简单，不存在漏油问题。使用润滑脂进行润滑，润滑脂的充填量不宜过多，不能把轴承填满。否则将引起轴承发热并把脂熔化流出，润滑效果将适得其反。另外填充油脂时不要用手抹（因手上有汗，会腐蚀轴承），应该用针筒注入，使滚道和每个滚动体都粘上脂。油润滑 油润滑适用一切转速，既可以起润滑作用，又能起冲洗降温作用。润滑油的粘度是随油温的升高而降低的。为了保证滚动体与滚动道接触面内有足够强度的油膜，应使润滑油在轴承工作温度下的粘度为1223cst。转速越高，粘度应越低，负荷越重，粘度应越高。如果轴系机械结构中使用普通轴承，而且轴系运行速度不是很高，润滑一般采用油浴方式；对于精度较高的设备，要求使用精密轴承，建议使用滴油或循环方式供油润滑，因为采用这两种润滑方式，可以对润滑油进行更好的过滤，减少赃物进入轴承，同时这两种润滑方式可以使润滑油充分散热，可以更好使轴承降温。通过以上两种比较，CK518立式数控车床的润滑选用油润滑。（3）密封结构 机械系统中的密封结构，对于油润滑的轴承结构来说，为的是防止润滑油外漏和灰尘屑末切削液等进入；对于脂润滑的轴承结构来说，由于脂不会外泄，主要是防止上述外物。脂润滑的机械结构对防止外物进入的要求高些，因此对于密封结构的设计主要是考虑防漏和外物的侵入。润滑油的防漏主要靠疏导，同时也要设计合理的结构。由于角接触轴承有泵油作用，而轴承一般是背靠背安装，所以主轴箱和端盖之间要有回油通道，以便润滑和防漏。甩油环密封结构，在工作时就能起到防漏和疏导作用。润滑油经轴承后，向右经螺母外流。螺母的外圆有锯齿形环槽。主轴旋转时将油泵向压盖内的空腔，然后经回油孔流回主轴箱。锯齿的方向应逆着油流的方向。环形槽应有23条，回油孔直径应尽量大一些。结 论主轴单元作为CK514数控立式车床的一个重要的组成部分，对它的设计及改造成为机床设计及改造的核心之一。经过近4个月的设计工作，围绕CK514主轴单元进行的设计改造，经过前期的理论、数据及资料准备，中期的结构模型的建立及设计定型，后期图纸的绘制以及设计说明书的撰写等一系列的研究设计工作，设计出来的主轴单元基本上满足了旋转精度、结构刚度、静刚度、抗振性、温升和热变形及耐磨性等主要性能，可以提高机床的加工质量和加工效率，符合CK514数控立式车床的加工需要。在数控立式车床CK514主轴单元的设计中采用了空心轴结构，这种结构既保证了主轴刚度又具有良好的经济性；三支承的主轴单元布局形式保证主轴单元良好的传动精度和刚度；法兰式轴端的设计起到简化主轴单元的作用，同时也便于主轴单元的安装；前轴承和法兰式轴端间装入迷宫式挡块，既保证了前轴承的定位，又起到良好的润滑和密封作用；机床主轴往往有较高的刚度要求, 因此, 轴承直径的尺寸往往较大, 根据这些轴承直径尺寸所选定的滚动轴承, 其疲劳寿命往往是充足的, 因此常常不需要作疲劳寿命的计算, 这类轴承的选择主要取决于其精度和刚度，而主轴的轴向刚度完全取决于轴承的轴向刚度；轴承的选择是个 重点和难点，所选轴承既要满足主轴运转需要，又要保持主轴的精度和刚度要求。参考文献：1 戴 曙.金属切削机床设计.修订2版.北京：机械工业出版社，19852 贾亚洲.金属切削机床概论.北京：机械工业出版社，1994.3 贾亚州.现代金属切削机床概论.北京：机械工业出版社，1996.4 文怀兴.数控机床系统设计.北京：化学工业出版社，2006.5 成大先.机械设计手册.第三版第二卷.北京：化学工业出版社，1993.6 吴宗泽.机械设机师手册.北京：机械工业出版社，1994.7 李 洪.实用机床设计手册.第二版.沈阳：辽宁科学技术出版社，1995.8 唐保宁.机械设计与制造简明手册.第三版.上海：同济大学出版社，2001.9 王爱玲.现代数控机床.北京：国防工业出版社，2003.10 方 键.机械结构设计.北京：化学工业出版社，2006.11 张超英.数控车床.北京：化学工业出版社，2004.12 陈婵娟.数控车床设计.北京：化学工业出版社，2006.13 刘书华.控机床及编程.北京：机械工业出版社，2002.14 王润孝.机床数控原理与系统.西安：西北工业大学出版社，1989.15 余仲裕.控机床维修.北京：机械工业出版社，2002.16 赵俊生.控机床控制技术基础.北京：化学工业出版社，2006.17 李善术.控机床及其应用.北京：机械工业出版社，2004.18 戴 曙.数控机床设计讲座.北京：机械工业出版社，1994.19 濮良贵，纪明刚.机械设计.8版.北京：高等教育出版社，2006.25