第十章主轴组件.

P1第十章主轴组件设计主轴组件是机床的一个重要组成部分主轴部件：是由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件、密封件和固定件等组成。功用：安装并支承带动工件或刀具完成表面成形运动；传递转矩、承受切削力和驱动力等载荷。结构型式：有卧式、立式和倾斜式的不同布置方式。Δα端面跳动ΔαΔo轴向窜动ΔoΔr径向跳动Δr第一节、对主轴组件的基本要求对机床主轴的要求，有与一般传动轴共同之处：都要在一定的转速下传递一定得转矩，保证轴上的传动件和轴承正常的工作条件。但是，主轴又是直接带着工件或刀具进行切削的。机床的加工质量，在很大程度上靠主轴组件保证。主轴直接承受切削力，通用机床(包括数控机床)的转速变化范围又往往很大。因此，对于主轴组件，又有的许多特殊要求。P2P31.旋转精度机床在空载低速时，主轴前端安装刀具或夹具部位的径向跳动、端面跳动、轴向窜动和角度摆动。主轴的旋转轴线产生的跳动如图：P42.静刚度静刚度：是指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位弹性变形时，在变形方向上所加的作用力的大小来表示，比值越大，说明刚度越好。如图所示K=F／δ（牛/微米）P53.抗振性抗振性：是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运动的能力。用主轴端部测得的最大振幅来衡量的。振幅越小，抗振性越好。受迫振动：是由机床外部的振源或机床其他部件振动及主轴部件本身所引起的。自激振动：是由切削过程引起的。P64.温升和热变形机床在工作时，各相对运动处的摩擦，搅油等耗损而发热造成的温差，称为温升。使主轴部件在形状和位置上产生畸变，称为热变形。热变形是用主轴运转一定时间和因发热而造成的各部分的位置上的变化来度量，也可用温升近似的表达。一般滑动轴承的温升３０℃，工作温度６０℃一般滚动轴承的温升４０℃，工作温度７０℃P75.耐磨性耐磨性又叫精度保持性：是主轴组件长期的保持其原始制造精度的能力，所以相对运动部件间都必须有一定的硬度，对摩擦表面要进行热处理和化学处理。综合上述：机床的工作精度----旋转精度静态工作精度----刚度动态工作精度----抗振性精度保持性----耐磨性-----温升和热变形P8此外还有结构上的要求：（1）主轴的定位可靠，轴向、径向（在切削力和传动力作用下）。（2）主轴端部的结构要保证工件或刀具的装夹定位可靠及足够的定位精度。（3）保持长期可靠的运转，润滑与密封。（4）结构工艺性好，好造、好装、好拆、好修。并降低成本。P9第二节主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承一、主轴轴承的选择机床主轴用的轴承，有滚动和滑动两类。从旋转精度来看，两类轴承都能满足要求。其他指标相比，滚动轴承比滑动轴承的优点是：（1）滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作。（2）滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧(有一定的过盈量)的条件下工作。（3）滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。（4）滚动轴承润滑容易，可以用脂润滑，一次装填一直用到修理时才换脂。如果用油润滑，单位时间所需的油量也远比滑动轴承小。（5）滚动轴承是由轴承厂生产，可以外购。缺点是：（1）滚动体的数量有限，所以在旋转中的径向刚度是变化的。这是引起振动的原因之一。（2）辊动轴承的阻尼较低。（3）滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。在一般情况下应尽量采用滚动轴承。特别是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。只有要求加工表面粗糙度数值较小，主轴又是水平的机床如外圆和平面磨床、高精度机床等才用滑动轴承。主轴组件的抗振性主要决定前轴承。因此，也有的主轴前支承用滑动轴承，后支承和推力轴承用滚动轴承。最为常用的滑动轴承有下列６类:深沟球轴圆柱滚子轴承推力球轴角接触球轴承圆锥滚子轴承调心球轴承P12二、主轴滚动轴承类型选择主轴较粗，主轴轴承的直径较大。相对地说，轴承的负载较轻。因此，一般情况下，承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要指标。主轴轴承，应根据精度、刚度和转速选择。为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该是可调的。这是主轴轴承主要的特点。线接触的滚子轴承，比点接触的球轴承刚度高，但一定温升下允许的转速较低。1．角接触球轴承这种轴承可承受径向和轴向载荷。接触角常见的有α＝15°和α＝25°两种。15°接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的地方，如磨床主轴；25°的多用于轴向载荷较大的地方，如车床和加工中心主轴。把内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧。这种轴承多用于高速主轴。P13P14为了提高刚度和承栽能力，可以多个组合。下图为三种基本组合方式：图a为背靠背组合，图b为面对面组合。图c为同向组合。这三种方式，两个轴承都共同承担径向载荷；图a和b承受双向轴向载荷．图c只承受一个方向的轴向载荷，但承载能力较大，轴向刚度较高。P152.圆锥孔双列圆柱滚子轴承这种轴承具有径向尺寸较小、制造精度较高、承载能力较大、静刚度好以及允许的转速高等优点，并能够调整轴承的径向间隙，因此在机床主轴组件上得到广泛应用。P163、双向推力角接触球轴承这种轴承的优点是制造精度高，允许转速高，温升较低，抗振性高于推力球轴承8000型，装配调整简单，精度稳定可靠。与双列圆柱滚子轴承相配套，用于承受轴向载荷。用来承受双向轴向载荷，常与双列短圆柱滚子轴承配套使用。P174．深沟球轴承这种轴承一般不能调整间隙，常用于精度和刚度要求不太高的地方，如钻床主轴。轴向载荷则由配套的推力轴承承受．P185.圆锥滚子轴承普通单列圆锥滚子轴承（7000型），能同时承受径向和轴向载荷，承载能力和刚度较高，价格便宜，支承简单，间隙调整方便。可用于中速、中载、一般精度的主轴组件。此外，角接触球轴承、单向推力球轴承、滚针轴承及滚锥轴承等，可根据结构选取。P19双列圆锥滚子轴承由外圈2、两个内圈1和隔套3（也有的无隔套）组成。修磨隔套3就可以调整间隙或进行预紧。轴承内圈仅在滚子的大端有挡边，内圈挡边与滚子之间为滑动摩擦，所以发热较多，允许的最高转速低于同尺寸的圆柱滚子轴承。能够同时承受径向载荷和双向轴向载荷，承载能力、刚度及抗振能力较高，适用于中速、径向载荷大，轴向载荷中等、一般精度的机床主轴组件。6.双列圆锥滚子轴承主轴滚动轴承可按下列原则选择：●中等转速，较大载荷，要求刚度较高时，可用线接触的轴承；●双列向心短圆柱滚子轴承允许的转速更高一些，使用时最好配以60度角接触双向推动向心球轴承；●高速时可用向心推力球轴承，载荷加大时，可用两个以上的轴承以轴向力为主。要求精度不太高的主轴，可用单列向心球轴承，配推力轴承。●径向尺寸受到限制时，可用滚针轴承；●主轴轴承常用轻系列、特轻系列和超轻系列，以特轻系列为主，轴承越“轻”滚动体的直径越小，但滚动体的数量越多，虽然基本额定动静载荷递减，但刚度变化却不大，主轴轴承的实际载荷，相对于其基本额定载荷，是较低的。承载能力通常都有富余。三、主轴滚动轴承的精度主轴轴承精度应采用P2、P4、P5级，前后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。由于轴承的工作精度主要决定于旋转精度，壳体孔和主轴径是根据一定间隙和过盈要求配作的，因此，内外圈的尺寸精度即使较低，也不影响工作，但可以降低成本。轴承的精度不仅影响主轴组件的回转精度，而且精度越高，各滚动体受力越均匀，有利于提高刚度，提高抗振性、减少磨损和提高寿命。主轴的前后轴承的精度选择对主轴精度影响很大，一般影响主轴精度主要是前轴承的精度。它对主轴精度影响大一些，应选高一些。前轴承精度比后轴承精度高一级，主轴滚动轴承内外圈的旋转精度见表10-1、表10-2、表10-3。P24四、转速轴承是以dmn值(mm.r/min)作为衡量转速性能的指标的。dm是轴承的中径(mm)，是内径与外径的平均值，n为转速(r/min)。dmn值与滚动体的公转线速度成正比。同样的d，不同的直径系列(轻、特轻、超轻…)，外径是不同的。因此，dmn值同时反映了转速、内径和直径系列。轴承都规定了极限转速，指的普通精度级轴承，在轻负荷下运转，达到规定稳定温度时的转速。这些条件各厂有自己的规定，且一般不公开。主轴轴承的使用条件，与轴承厂的测试条件不一定一致，故规定的极限转速只能供参考。轴承的最高转速．决定于轴承的类型，负荷，间隙的调整，允许的温升，选用的润滑剂和润滑方式．可通过试验决定。五、主轴滚动轴承的寿命主轴轴承的失效形式：（1）表层疲劳发生点蚀（重载和高速主轴）；（2）因磨损降低精度。对一般机床，由于主轴较粗，载荷相对来说不大，往往以磨损后精度下降作为失效的依据的。当轴承精度因磨损而降低时，我们认为它失效。决定主轴滚动轴承寿命的是精度，失效原因是磨损。六、滚动轴承的刚度孔径增大会削弱主轴刚度，主轴端部的刚度与截面惯性矩成正比。当d/D0≤0.5时，空心主轴的刚度降低较小；当d/D0=0.7时，空心主轴的刚度降低了24％；一般应取d/D0≤0.7。滚动轴承的刚度不是一个定值，而是载荷的函数。它随载荷的增加而增长。计算时，如外载荷无法确定，可取额定动裁荷(可查样本)的1／10作为轮承的载荷，计算的结果一般地代表轴承的刚度。P27第三节主轴一、主轴结构形状要求主轴的结构和形状主要取决于主轴所安装的刀具、夹具、传动件、轴承及密封装置等的类型、数目、位置和安装方法，同时还要考虑主轴的加工和装配工艺性。主轴头部已标准化，见《机床设计手册》第3册。为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端面的距离称为悬伸。悬伸量应尽可能地小些。P28图(a)为车床的主轴端部。图(b)为铣、镗类机床的主轴端部。图(c)为外圆磨床砂轮主轴的端部。图(d)为内圆磨床砂轮主轴的端部。图(e)、(f)为钻床主轴的端部。通用机床主轴端部的形状P29主轴的外形为阶梯轴主轴端部的形状与尺寸已经标准化。内孔：用于通过棒料、拉杆和取出顶尖。主轴材料的选择依据二、主轴的材料及热处理耐磨性热处理方法热处理后的变形大小保证足够的刚度和强度便于轴上零件的装卸得到足够多的止推面P30常用：结构钢，15#，20#，45#。合金钢，20Cr,40Cr,50Mn,65Mn.球墨铸铁也开始应用。（2）热处理方法：滑动轴承支承，前端定位表面，淬硬HRC50~55；低碳钢，渗碳淬火；合金可以化学处理。三、主轴的技术条件主轴的精度是根据机床的精度来提出技术要求，主轴的精度是：尺寸精度，形状精度，以及支承轴颈与壳心表面之间的位置精度和光洁度。支承轴颈为主轴基准，是工艺基准和测量基准，技术条件可以根据机床手册和同等精度机床主轴图纸上的条件确定。主轴的材料，应根据主轴的耐磨性、热处理方法和热处理后的变形来选择。强度不是选材的依据，因为主轴的载荷相对来说不大，引起的应力通常小于钢的强度极限。刚度也不是选材的依据，因为各种钢材的弹性模量几乎没有多少差别。主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，材料的刚性是通过弹性模量E反映的，钢的E值较大—2.1×106kg/cm²,刚性好，承载能力大，耐磨性好，加工性能好，热处理变形小，价格便宜。所以一般主轴材料首选钢材。P31普通机床主轴可选用中碳钢（如45钢）。调质处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬。以提高其耐磨性。特殊要求时，才考虑选用合金钢。当载荷大和有冲击时，或精密机床需要减小热处理后的变形时。支承为滑动轴承，则轴颈也需淬硬，以提高耐磨性。主轴常用材料及热处理要求P32三、主轴的技术要求主轴的技术要求，应根据机床精度标准有关项目制定。首先制定出满足主轴旋转精度所必需的技术要求，如主轴前后轴承轴颈的同轴度，锥孔相对于前后轴颈中心连线的径向圆跳动，定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心连线的径向圆跳动和端面圆跳动等。再考虑其它性能所需的要求，如表面粗糙度，表面硬度等。主轴的技术要求要满足设计要求、工艺要求、检测方法的要求，应尽量做到设计、工艺、检测的基准相统一。P33主轴各部位的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和表面硬度等具体数值应根据机床的类型、规格、精度等级及主轴轴承的类型来确定。P341、轴颈A和B的圆度：A＝0.003，B＝0.00252、莫氏锥孔和A、B面用涂色法检查接