《机械制造装备设计》讲义5要点.docx
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《机械制造装备设计》讲义5要点
第五章主轴组件设计
§5-1概述
主轴组件包括:
主轴、轴承、传动件、紧固件、密封件及定位元件等元件。
主轴组件是一个执行部件,直接参与工件表面的成形,主轴性能优劣将直接影响加工质量和生产率,因此,对主轴部件要有较高的要求。
一、主轴部件设计应满足的要求
1.旋转精度
指主轴装配后,在手动或低速空载条件下,在主轴端部的径向和轴向跳动。
旋转精度取决于组成主轴部件的主要零件的加工精度(如主轴、轴承、轴承孔等)及它们的装配精度。
2.刚度
指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力。
通常以主轴前端产生单位位移时,在位移方向上所需施加的作用力来表示。
单位:
N/m
它综合地反映了主轴和轴承抵抗变形的能力(静刚度)。
影响主轴部件刚度的主要因素:
主轴的结构尺寸、轴承的类型和配置形式、预紧、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配精度等。
通过CAE对主轴的结构尺寸进行优化设计。
3.抗振性
指主轴组件抵抗振动(受迫振动和自激振动)的能力。
受迫振动:
外界激振源(主轴本身的旋转不平衡、断续切削、齿轮啮合等引起的),交变力作用。
自激振动:
切削过程中当外界激振力接近主轴系统的固有频率时,发生共振(颤振)。
主轴部件的振动会严重影响工件的加工质量(粗糙度)和刀具的使用寿命,降低生产率,并产生噪声。
影响抗振性的主要因素:
①主轴部件的静刚度;
②质量分布以及阻尼(阻尼器抑制振动)。
采用动态优化设计,提高主轴组件的固有频率,使之远离激振源频率,主轴部件的低阶固有频率与振型是其抗振性的主要评价指标。
低阶固有频率应远高于激振频率,使其不容易发生共振。
4.温升和热变形
摩擦、搅油损耗、切削区的切削热等使主轴部件的温度升高。
热变形对加工精度的影响:
Ø导致主轴原有的位置发生变化,直接影响着加工精度。
Ø温升过高使得原有已调整好的轴承间隙发生变化,间隙小,影响轴承正常工作,使轴承过快磨损,严重时甚至烧伤。
影响主轴组件温升的主要因素:
轴承类型和布置、轴承间隙大小、润滑方式和散热条件等。
5.耐磨性(精度保持性)
精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力。
主轴部件丧失其原始精度的主要原因是磨损。
易磨损部位:
轴承、装夹工件或刀具的定位表面(内锥孔)。
提高内锥孔耐磨性方法:
提高硬度。
影响磨损的因素:
(1)选材、热处理及使用条件;
(2)轴承类型的选取及其润滑方式。
二.主轴组件的传动
1、主轴组件传动方式的确定
主要根据主轴转速的高低、所需传递的扭矩大小和运动平稳性等要求来确定。
2、主轴组件的传动方式
(1)齿轮传动:
传递扭矩大,线速度不能太高
主轴上尽量避免滑移齿轮(有间隙,振动),齿轮与主轴最好是圆锥面配合,并且是磨齿处理。
(2)带传动
带传动具有弹性,可以吸振,运转平稳,适用于高速传动,可以达到30~50m/s以上。
通常有平带、三角带、多楔带、同步齿形带,除了同步齿形带外,带传动依靠摩擦传动,因此有打滑现象,不适用于传动比准确的场合。
同步齿形带无打滑,传动比准确,近年来在数控机床的传动中应用较多。
(3)电机直接驱动(电主轴)
电主轴是主传动系统中“零传动”的典型结构。
电机置于主轴箱内,其转子直接安装在机床主轴上,主轴的转速用电机的变频调速与矢量控制装置来实现。
电主轴的优点:
a.超高速加工需要很大的加减速,只能取消中间环节(转动惯量小),将电机和主轴“合二为一”。
b.取消中间环节可以保证高速时振动、噪声小,可以大大提高加工精度和表面质量。
c.主电机置于前后支承之间,可以大大提高主轴系统的刚度和固有频率,避免超高速下共振(安全性)。
d.结构简单,独立部件,由专业化生产(定做)。
电主轴是一种高科技机电一体化产品,著名的生产厂家有:
瑞士:
Fischer,Ibag,Step_up
瑞典:
SKF
德国:
GMN,FAG
美国:
Precise
日本:
NSK,Koyo
洛阳轴承研究所
三、主轴上传动件的布置
主要指传动件的轴向位置布置,
1.传动件在主轴上的布置原则
(1)齿轮布置在靠近主轴前轴承的位置上。
这时主轴传递扭矩的部分较短,可以减少弯曲和扭转变形。
(2)若是两个齿轮传动,应使较大的齿轮靠近主轴前端,因为大齿轮低速时作用力大,靠近前支承,弯矩小,弯曲变形小。
2.传动件轴向位置布置方式(图5-16)
(1)卸荷式主轴:
主轴不承受径向力。
P99,图3-24。
(2)后端布置:
主轴前端承受切削力P,后端承受传动力Q,适合于皮带传动。
更换皮带方便。
如外圆磨床。
(3)前端布置:
主轴前端承受切削力P和传动力Q.引起的主轴前端变形部分地相互抵消,前支承支反力也较小。
但导致主轴悬伸增加,影响主轴刚度,适用于大型、重型机床。
(4)中间布置:
靠近前支承减少弯曲和扭转变形;两个齿轮时,大齿轮靠近前支承;c图前支承力大,主轴前端位移小,适用精密机床;d图支反力小,位移大,适用普通精度机床。
§5-2主轴部件的结构设计
一、主轴组件的支承方式
1.两支承形式:
适用于短主轴的支承,多数主轴采用的支承方式。
2.三支承的形式:
跨距较大的主轴采用这种方式.
“前后主支承,中间辅助支承”(图3-24,P.99);
“前中主支承,后辅助支承”(图3-30,P.105);
主要支承要进行预紧处理,辅助支承要有一定的游隙。
二.主轴组件中的推力轴承的配置方式
推力轴承主要影响主轴轴向刚度、热变形的方向和大小。
1.前端配置方式(图a,b):
前端承受轴向力,轴承多,发热大;主轴热伸长向后跑,不影响轴向定位精度。
适用于轴向精度和刚度要求高的高精度机床及NC机床。
2.后端配置方式(图c):
后端承受轴向力,前端发热小;主轴热伸长向前跑,影响轴向定位精度。
适用于轴向精度要求不高的普通机床,如立铣、多刀车床。
3.两端配置方式(图d,e):
图d热伸长后间隙增大.图c热伸长易使主轴纵向弯曲,影响轴承的轴向间隙和精度。
三.主轴结构
1、结构特点
a.空心阶梯形:
惯性小,安装送夹料机构(棒料的最大直径);铣床主轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆等。
b.前端粗,后端小:
便于装配,前端刚大。
c.主轴前端形状和尺寸已经标准化:
装刀具、卡盘。
2、选材和热处理:
主轴材料一般选择中碳钢,要求高时用合金钢,并经过严格热处理(调质处理、淬火)。
对于超精密机床主轴,也用全陶瓷主轴(热变形非常小)。
3、技术要求:
设计基准,加工基准,要求基准统一。
四.主轴组件的设计计算
1、经验设计计算
主要的结构参数有主轴前、后轴颈直径Dl和D2,主轴内孔直径d,主轴前端悬伸量a,主轴的支承跨距L。
这些参数直接影响主轴静刚度和动刚度。
按照以下步骤进行:
(1)主轴前轴径D1选取(经验统计方法):
按照机床类型、主轴传递功率大小或最大加工直径来选取。
车、铣床的后轴径D2=(0.7~0.85)D1
(2)内孔直径d确定:
与其用途有关
车床主轴内孔d=(55~60%)主轴平均直径。
铣床主轴内孔d比刀具拉杆直径大5~10mm。
一般内孔不能太大,否则会削弱主轴的刚度。
(3)主轴前端的悬伸量a确定:
取决于主轴端部的结构、前支承轴承配置和密封装置的型式和尺寸,由结构设计确定,如腔体加工,要求主轴悬伸量大。
悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大.因此在满足结构要求的前提下,设计时应尽量缩短主轴端的悬伸量。
(4)主轴的合理支承跨距确定:
主轴组件的刚度主要取决于主轴本身的刚度和主轴支承的刚度,而主轴本身的刚度与主轴支承跨距有很大关系。
下面通过材料力学的方法推导最佳跨距公式。
a.刚性支承上弹性主轴端部的位移y1:
当a已知、P一定时,以和(悬伸比)为变量绘制曲线图。
结论:
由于主轴本身变形引起的端部挠度,随着支承跨距的加大而成线形增加(图示1)。
b.弹性支承上刚性主轴端部的位移y2:
设支承刚度为:
c1和c2
和为双曲线关系,随着增加,急剧减少,并趋于平缓(图示2)。
c.位移综合:
y=y1+y2,最佳跨距。
上述最佳跨距可以通过曲线图方法求解(查机床设计手册)。
也可以根据经验公式计算:
L0=(2~3.5)a。
支承跨距的选择往往受到结构的限制(如变速机构、总体尺寸等),这时可以通过改变支承结构、布局、主轴直径等方法,满足刚度要求。
从上述计算可以看出:
经验设计存在着很大误差,要确定出合理的结构尺寸,必须通过CAE方法确定。
§5-3主轴轴承
一、主轴轴承的选用
常用轴承主要有两大类:
滚动轴承和滑动轴承。
综合考虑工作要求、载荷条件、制造条件和经济效果进行轴承的选择。
1.滚动轴承
优点:
①可以在转速和载荷较大的情况下稳定工作;②摩擦系数小,发热少、功率损失小;
③可以在无间隙或预紧下工作,可以提高旋转精度;
④专业化生产,成本低,质量稳定;⑤润滑容易。
缺点:
①滚动体数目有限,刚度变化,易引起振动和噪声;②径向尺寸大。
2.滑轴承
优点:
①运动平稳。
②抗振性好。
液体油膜,阻尼特性好。
缺点:
制造、结构较复杂,要求精度高。
一般需要进行具体设计计算,非专业化生产。
一般来讲,尽量选用滚动轴承,只有高精度、精密或重型机床采用滑动轴承。
二、滚动轴承
1.分类
(1)角接触球轴承:
常用接触角为15°、25°;可以同时承受轴向和径向载荷,极限转速较高,通常使以组合的方式使用,可以进行轴承预紧。
角接触球轴承的配置方式:
a.背靠背组合:
承双向载荷,角刚度大,轴向伸长使预紧减少;
b.面对面组合:
承双向载荷,角刚度小,轴向伸长使预紧增加;
c.同向组合:
单向承载;有三联组配、四联组配形式。
(2)双列短圆柱滚子轴承
内圈为1:
12的锥孔,内外圈分离,利用锥孔进行消隙处理,只能承受径向力,旋转精度高,径向尺寸小,
适用:
径向载荷大、刚度要求高、中转速的场合。
如CA6140。
(3)双向推力角接触球轴承
接触角为40°、60°,主要承受双向轴向载荷,常与双列短圆柱滚子轴承配合使用,可以进行预紧,允许的极限转速比推力轴承高,滚球的离心力由外滚道承载。
适用:
高速、精密主轴组件中。
(4)圆锥滚子轴承
有单列和双列两类,这种轴承可以承受轴向和径向载荷,单列承受一个方向的轴向载荷,双列可以承受两个方向的轴向载荷;刚度和承载力大,滚子大端与挡边滑动摩擦,发热大,极限转速低。
双列可以预紧,主要用于前支承。
空心滚子,可以减振(两侧滚子数相差一个,刚度变化的频率不同),吸振(中空有润滑油),润滑、散热效果好,为法国加梅(Gamet)公司专利产品。
(5)陶瓷轴承
一般有三种类型:
①滚动体为陶瓷材料;②滚动体和内圈为陶瓷材料;③全陶瓷材料。
陶瓷材料为氮化硅,密度为钢的40%,线膨胀系数比钢小得多(1/4),弹性模量比钢大,在相同承载下,陶瓷轴承的滚球可以很小,离心力远远小于一般轴承,热膨胀小,因此更适合于目前的高速、超高速、精密机床的主轴组件。
2.主轴轴承的配置方式
主轴轴承的配置方式应根据主轴的转速、刚度、承载能力、抗振性和噪声要求来选择。
通常有以下三种配置型式:
(1)速度型
前后轴承都采用角接触球轴承(两联或三联),当轴向力较大时,选用接触角为25°的球轴承(轴向刚度好);当轴向力较小时,选用接触角为15°的球轴承。
角接触轴承具有良好的高速性能,但承载能力较小,适用于高速轻载或精密机床,如镗削单元、高速CNC车床等。
(2)刚度型
前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60”角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷,后支承采用