立式数控铣床主轴部件的设计

明德砺志博学笃行数控立式铣床主轴结构设计专业：机制主讲人：戎娜黄兰王耀锋明德砺志博学笃行主轴组件的设计主轴组件主要包括：主轴、主轴支撑和安装在主轴上的传动件、密封件等因为主轴带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动，所以它的工作性能对加工质量和生产率产生直接影响，是机床最重要的部件之一。明德砺志博学笃行一、主轴组件的设计要求回转精度主轴组件的回转精度,是指主轴的回转精度。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，每一瞬间都是变化的。这些瞬间回转中心线的平均空单位转移不为理想回转中心线，理想回转中心线在空间位置的距离，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构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。明德砺志博学笃行主轴刚度主轴组件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴组件的刚度越大，主轴受力的变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支撑跨距、所选轴承类型及配置形势、砂间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关明德砺志博学笃行主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳的运转而不发生振动的能力。主轴组件抗振性及在必要时安装阻尼（消振）器。另外，使主轴固有频率远远大于激振力的频率。主轴抗振性主轴温升主轴组件在运转中，温升过高会起两方面的不良结果：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有变化，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”。明德砺志博学笃行二、主轴材料的选择及尺寸、参数的计算主轴是主轴组件的重要组成部分，它的结构尺寸和形状、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的影响。（1）材料的选择：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。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。主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适应范围。明德砺志博学笃行主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。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，以提高硬度增加耐磨性。主轴轴承也需要有良好的润滑，提高其耐磨性。同时，主轴结构要保证部件定位可靠，工艺性能好等要求。主轴的耐磨性明德砺志博学笃行主轴主要结构参数的确定主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬伸量a和主轴主要支撑间的跨距L。这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴的刚度。明德砺志博学笃行XK5040数控铣床主轴规格：主轴锥度：7:24mm主轴转速：100～4000rpm轴承润滑方式：润滑油主轴马达功率：5.4/7.5（30min）kw明德砺志博学笃行主轴直径主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。同时极限转数下降。实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。一般前后端轴颈：D2≈（0.7-0.85）D11、主轴最小直径的估算当数值上p≤时，可按扭转刚度估算最小轴径，即：式中：d—主轴的最小直径（cm）P—主轴传递的功率(kw)，已给出P=5.4kw—主轴的计算转速(r/min)，已给出=160r/min代人数值得：d≥4.4cm取主轴的最小直径=45mm，最小直径本应该是后轴颈，但是考虑到轴承的轴向固定采用锁紧螺母，应留锁紧螺母的位置。考虑到轴上装轴承，有配合要求，应将后轴颈的直径圆整到标准直径，同时要考虑到选择轴承的类型，因此选择后轴颈的直径=50，jn411jnpdjn明德砺志博学笃行主轴内孔直径主轴内孔直径与机床的类型有关，确定孔径的原则是：为减轻主轴重量，在满足上述工艺要求及不削弱主轴刚度的前提下，尽量取较大值，孔径d对主轴刚度的影响是通过抗弯截面惯性矩而体现的，即主轴本身的刚度正比于抗弯截面惯性矩，其关系式为Ｉ空/Ｉ实＝根据上式可绘制出主轴孔径对主轴刚度影响曲线，如图4-1D—主轴平均直径d—主轴平均孔径K空—直径为Ｄ实心主轴刚度，K实—直径为Ｄ，孔径为d的空心轴的刚度。4444)(16464)(DdDdD空/实明德砺志博学笃行由图4-1知：当d／Ｄ≤0.5时，内孔d对主轴刚度几乎无影响，通常取孔径d的极限值＜0.7D。此时Ｉ空＞0.75Ｉ实，即刚度消弱量小于25%，若孔径再大主轴刚度急剧下降，一般铣床主轴孔径d可比刀具拉杆直径大5～10mm。明德砺志博学笃行主轴悬伸量a主轴悬伸量（又称悬伸长度）是指主轴前端至前支承点的距离，它的大小对主轴组件的刚度和抗振性有显著影响。悬伸量小，轴端位移就小，刚度得到提高。主轴悬伸量的大小往往受结构限制，主要取决于主轴端部的结构型式及尺寸、刀具或夹具的安装方式、前轴承的类型及配置、润滑与密封装置的结构尺寸等。主轴前后支承跨距（简称支距）L对主轴组件的刚度、抗振性和旋转精度等有较大的影响。支承跨距L明德砺志博学笃行支承跨距过小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前轴端的位移量增大；反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变形增大，也会引起主轴前端较大的位移。因此存在一个最佳跨距L0，在该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般取L0=（2～3.5）a，本文所设计的主轴暂取L=2.5a=360，但是实际结构设计时，由于结构上的原因，以及支承刚度因磨损会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距L往往大于最佳跨距。明德砺志博学笃行跨距L对主轴组件刚度的影响(1)刚性轴承上弹性主轴的端部位移y1(2)弹性轴承上刚性主轴的端部位移y2(3)主轴端部的总位移y(4)最佳支距L0的确定32133aFaFaLyEIEI222(1)()ABFaFayKLKL32221211[(1)()]33aABaaLaayyyFEIEIKLKL30066(1)0AAABKEIEILLKaKK明德砺志博学笃行数控铣床主传动系统由主轴电动机、传动系统和主轴部件等几部分组成。主轴工作台转盘明德砺志博学笃行主轴⑫前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承，承受径向载荷，轴承间隙的调整靠修磨半环①及调整螺母⑬实现。后支承采用一对向心推力球轴承，承受径向和轴向载荷，使主轴轴向定位。轴承间隙靠修磨隔套⑯来调整，旋紧螺钉经法兰（24）推动轴承外环，使轴承产生一定的预紧力。明德砺志博学笃行主电机传来的运动由齿轮⑭经双键，套筒（23）和双键带动主轴转动。齿轮⑭安装在套筒（23）上，而且套筒（23）由一对向心球轴承支承在箱体上，使主轴得到卸荷（即主轴只传递扭矩），这样减少了主轴变形，提高了主轴工作性能。明德砺志博学笃行整个主轴部件装在长套筒中，转动手轮经过锥齿轮，使丝杠转动，通过螺母⑪带动套筒（23）作轴向调整，调整后将套筒（23）夹紧。主轴前端采用迷宫式密封装置，主轴轴承由针阀供油得到润滑明德砺志博学笃行适应刚度和承载能力的要求：主轴轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。径向承载较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力，比单列大。同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力，比采用单个轴承的大。一般说来，前支承的刚度应比后支承大。因为前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后支承大。适应精度的要求：起止推作用的轴承的布置有三种方式：前端定位——止推轴承集中布置在前支承；后端定位——集中布置在后支承；两端定位——分别布置在前、后支承。采用前端定位时，主轴受热变形向后延伸，不影响轴向定位精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙较不方便，前支承处发热量较大；后端定位的特点与前述的相反；两端定位时，主轴受热伸长后，轴承轴向间隙的改变较大，若止推轴承布置在径向轴承内侧，主轴可能因膨胀而弯曲。明德砺志博学笃行主轴支承是指主轴轴承、支承座及其他相关零件的组合体，其中核心元件是轴承。因此把采用滚动轴承的主轴支承称为主轴滚动支承；把采用滑动轴承的称为主轴滑动支承。主轴滚动支承的主要设计内容是：滚动轴承类型的选择，轴承的配置，轴承的精度及其选配，轴承的间隙调整，支承座的结构，轴承的配合及其配合零件的精度，轴承的润滑与密封等。明德砺志博学笃行一、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。立式铣床主轴前轴承有两种常用的类型1.圆锥孔双列圆柱滚子轴承这种轴承承载力大，静刚度好，允许的转速高等优点，并能够调整轴承的径向间隙，内孔有1∶12锥度，摩擦系数小，温升低，但不能承载轴向力，必须和能够承载轴向力的轴承配合使用，因此整个组件的支承结构比较复杂。明德砺志博学笃行2.圆锥滚子轴承这种轴承承载能力大，同时可承载轴向力和径向力，结构比较简单，但允许的极限转速低，温升较大。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。通双列圆锥滚子轴承（2697100型）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。明德砺志博学笃行与双列圆柱滚子轴承配套使用承受轴向力的承主要有3种：（1）双向推力角接触球轴承。这是新型轴承，在近新设计生产的机床上广泛采用。这种轴承具有承受双向轴向负荷、精度高、刚度好、温升低、转速高、装拆方便等优点，是当代主轴轴承的新型结构，特别适用于与双列圆柱滚子轴承组配，应用在机床主轴上，但这种轴承不承受径向力。（2）角接触球轴承。有3种：α=15°、25°、60°，常用的是前两种。这种轴承特点是：允许极限转速高、运转平稳、低摩擦、精度高，但承载能力较低些。X6132、X5032型升降台铣床就采用这种轴承与圆柱滚子轴承组配使用的，实践证明这种组配完全可以满足要求，且较为经济。明德砺志博学笃行（3）推力球轴承。接触角为90°，因此承受轴向力能力高，但允许极限转速低，且容易发热。XK5040立式铣床就是用的双列圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承及角接触球轴承明德砺志博学笃行二、轴承配置轴承配置是根据机床用途、主轴的工作条件（载荷大小及方向、转速等）以及所要求的工作性能来确定的。对于铣床主轴轴承，主张采用两支点配置，两支点结构简单、制造方便、经济效果好，但要求主轴单件应有足够的刚度。三支点主轴工艺性差，三孔同轴度很难保证，主轴温升也高，在刚度允许的情况下尽可能不采用三支点结构。如果主轴刚度不足可采用两支点为主要支承，第三点为辅助支承，辅助支承可放在中间或后边，采用这种结构要求有较大的游隙，一般在0.03~0.07之间，只有当载荷较大主轴产生弯曲时辅助支承才起作用，这样可以弥补主轴刚度不足，也可以减少温升。明德砺志博学笃行1.径向轴承配置立式铣床采用两支承主轴组件，在每个支承处都要有径向轴承。前支承的径向轴承对主轴组件的性能影响重大，故首先应选定前支承的径向轴承。后支承的径向轴承，一般因载荷较小且