《机械制造装备设计》讲义5要点Word下载.docx

1、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:主轴部件的静刚度;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： 导致主轴原有

2、的位置发生变化，直接影响着加工精度。 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

3、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3050m/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

4、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

5、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516）（1）卸荷式主轴：主轴不承受径向力。P99，图324。（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

6、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

7、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

8、，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=（0.70.85）D1（2）内孔直径d确定：与其用途有关 车床主轴内孔d=（5560%）主轴平均直径。 铣床主轴内孔d比刀具拉杆直径大510mm。 一

9、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

10、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=（23.5）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、

11、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：可以在转速和载荷较大的情况下稳定工作； 摩擦系数小，发热少、功率损失小； 可以在无间隙或预紧下工作，可以提高旋转精度； 专业化生产，成本低，质量稳定； 润滑容易。缺点：滚动体数目有限，刚度变化，易引起振动和噪声； 径向尺寸大。2滑轴承 运动平稳。 抗振性好。液体油膜，阻尼特性好。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

12、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。高速、精密主轴组件中。（4）

13、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：滚动体为陶瓷材料；滚动体和内圈为陶瓷材料；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