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“规格严格、功夫到家”机械制造装备设计哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所山东省现代数字化医疗装备高校重点实验室黄博本课程主要讲述内容机械制造装备及制造业动态机械制造装备设计方法金属切削机床设计典型部件设计工业机器人设计机床夹具设计物流系统设计机械加工生产线总体设计4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴组件包括主轴、支承轴承、传动件、定位元件、密封件。功用支承并带动工件或刀具旋转进行切削；承受切削力和驱动力，完成表面成形运动。基本要求旋转精度刚度抗振性温升和热变性精度保持性4.1典型部件设计——主轴部件设计1、旋转精度旋转精度指主轴装配后，在空载、低速转动状态下，安装刀具或工件的主轴部位的径向跳动和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔的制造、装配和调整精度。2、刚度受主轴的尺寸和形状，滚动轴承的类型、数量、预紧和配置形式，传动件的布置方式，主轴组件的制造精度和装配质量等因素影响。4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴的结构取决于主轴上安装的刀具、夹具、工件、传动件、轴承的类型、数量、位置和安装定位方法。主轴前端形式取决于机床的类型和安装夹具或刀具的形式。通用机床已有标准化的形式。主轴整体结构空心阶梯轴，外径从前端到尾部逐渐减小。4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴的选材依据：载荷类型、耐磨性、热处理方法。（1）普通机床主轴采用45#或60#优质结构钢。在主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面进行局部高频淬火，提高耐磨性，硬度为50~55HRC。（2）精密、大载荷、有冲击的机床主轴采用中碳或低碳合金钢，如40Cr，20Cr。进行高频淬火或渗碳淬火，提高耐磨性，硬度52~65HRC。（3）主轴材料的攻关点怎样减小高速、高效、高精密机床主轴的热变形、振动。已诞生的新型材料有玻璃陶瓷材料。主轴的技术要求：①主轴前后轴承轴颈的同轴度，②锥孔相对于前后轴颈中心连接线的径向跳动，③定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心线径向和轴向跳动等。4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴的传动形式（1）齿轮传动轮齿的啮合传动，结构简单、紧凑；能传递较大的扭矩，适应变转速、变载荷工作。不足：线速度需12~15m/s，且不如带传动平稳。（2）带传动靠摩擦力传递动力。结构简单，皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小；过载时打滑，具有过载保护作用。适用于中心距较大的两轴间传动。不足：传动速比不够准确。4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴的传动形式（3）同步齿形带传动通过带上的齿与带轮上的轮齿传递传动此传动无相对滑动，传动比大且准确，传动精度高；可传递较大动力，传动平稳；不需特别张紧，对轴和轴承压力小，传动效率高；不需润滑，耐腐蚀，耐高温。可达50m/s；传动比可达1:10不足：制造工艺复杂，安装条件高。（4）电动机直接驱动对于转速小于3000r/min的主轴，采用异步电动机和联轴器直接驱动主轴。如高速内圆磨床的磨头。对于转速小于8000r/min的轴，采用变频调速电动机直接驱动。4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴部件结构设计之1——支承数目1）前、后两个支承结构简单，制造方便，应用广泛。为提高刚度，前后支承应消除间隙或预紧。2）三个支承①前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；②前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。三支承方式对三支承孔的同心度要求较高，制造装配较复杂。要求“主”支承应该消除间隙或预紧，“辅助”支承应保留一定的径向间隙或选用较大游隙的轴承。以免发生干涉，恶化主轴的工作性能，使空载功率大幅度上升和轴承温升过高。4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴部件结构设计之2——主轴轴向定位为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度，推力轴承在主轴前后支承的配置形式。它影响主轴的刚度、热变形方向和大小。①前端配置（前端定位）指推力轴承布置在前支承处。该配置在前支承处轴承较多，发热大，温升高，但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高。用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。②后端配置（后端定位）推力轴承布置在后支承处。主轴前支承处轴承较少，发热少，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。常用于轴向精度要求不高的普通机床，如立铣、多刀车床。4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴部件结构设计之2——主轴轴向定位为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度，推力轴承在主轴前后支承的配置形式。它影响主轴的刚度、热变形方向和大小。③两端配置（两端定位）推力轴承布置在前后两个支承处。主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。故需采用弹簧消除间隙和补偿热变形。常用于较短主轴或轴向间隙变化不影响正常工作的机床。如组合机床主轴。④中间配置两个方向的推力轴承布置在前支承后侧。可减少主轴的悬升量，并使主轴受热膨胀后向后伸长，但前支承结构较复杂，温升也可能较高4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴部件结构设计之3——主轴传动件轴向布置布置原则应使由传动力引起的主轴弯曲变形小，引起主轴前端在影响加工精度的敏感方向上的位移小。方法传动件轴向布置尽量靠近前支承；最大传动件应靠近前端。传动件在前支承内侧前支承直径大，刚度高，大齿轮靠前可减少主轴的弯曲变形，而且转矩传递长度短，扭转变形小，使用最普遍。传动件在前支承外侧用于具有大转盘的机床，如:立式车床、镗床。传动件在后支承外侧传动件放在主轴的后悬伸端，使前后支承获得较好的支承跨距。多用于主轴的带传动。更换传动带方便，防止油液侵蚀。4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴部件结构设计之4——主轴主要结构尺寸参数的确定1.前支承轴颈D1主轴直径越大其刚度越大，主轴组件尺寸越大。在保证主轴组件刚度的同时，尽量减小轴颈D1的尺寸。2.主轴内孔直径d内孔直径d与主轴的用途有关。在保证主轴刚度的同时，参考主轴直径和刀杆直径确定d。3.主轴前端悬伸量a取决于主轴端部的结构、前支承轴承的配置和密封装置的型式和尺寸。满足结构要求前提下，尽量缩短悬伸量a。4.主轴支承间跨距L跨距的大小影响主轴弯曲和前端位移量。跨距L减小时，主轴弯曲变形较小，但支承变形又引起主轴前端的位移量增大；跨距L增大时，主轴弯曲变形也增大，也会引起主轴前端较大的位移。设计时，要确定一个最佳支承垮距L，使主轴弯曲变形和支承变形引起的主轴前端总位移量最小。L≥(2~3.5)a4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴滚动轴承滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作。滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧（有一定过盈量）的条件下工作。故滚动轴承的摩擦系数小，有利于减小发热。滚动轴承润滑容易，可以用油脂，一次填装可用到修理时再换脂。如用油润滑，单位时间用油量也比滑动轴承少。滚动轴承为标准件，质量稳定，成本低，经济性好。滚动轴承的缺点：滚动轴承的滚动体数量有限，其径向刚度是变化的，易引起振动，阻尼低，振幅较大。滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。4.1典型部件设计——主轴部件设计选择滚动轴承选择的基本原则1）转速较高，负载不大，而旋转精度要求较高，采用球轴承。2）转速较低，负载大或有冲击负载，采用滚子轴承。3）径向载荷和轴向载荷都较大时，如果转速高，采用角接触球轴承。如果转速不高，采用圆锥滚子轴承4）轴向载荷比径向载荷大得多，但转速较低时，采用两种不同类型的轴承组合，分别承受轴向和径向负载。5）径向载荷比轴向载荷大得多，且转速较高，采用深沟球轴承6）支承刚度要求较高时，可采用成对角接触型轴承。4.1典型部件设计——主轴部件设计常用滚动轴承的布置角接触球轴承接触角是设计参数：接触角为0，深沟球轴承；接触角在0-45度之间，角接触球轴承；接触角在45到90度之间，推力角接触球轴承角接触球轴承的布置一般多选用15度——25度成组安装，以便承受双方向进给力及调整间隙预紧。机床主轴常选用“背靠背组合”，为什么？轴承的接触线与轴线的交点间距大，抵抗弯曲变形的支反力矩大，支承刚度比“面对面组合”高4.1典型部件设计——主轴部件设计几种典型的主轴轴承配置形式根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声要求等选择。速度型主轴前后轴承都采用角接触球轴承，切削力轴向分量大时，可选用25度球轴承；较小时，选用15度球轴承即可。该类型适合高速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速CNC机床。刚度型前轴承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷，60度角接触双列推力轴承承受轴向载荷；后轴承采用双列圆柱滚子轴承。适合于中速和切削负载较大、要求刚度高的机床，如数控车床、镗削主轴单元等。刚度速度型前轴承采用三联角接触球轴承（外侧的两个角接触大口朝向主轴工作端，承受轴向力，第3个通过轴套背靠背，提高承受颠覆力矩刚度），后轴承采用双列圆柱滚子轴承（承受传动力，因动力从后端传入）。参见图3-14“三种类型的主轴单元”4.1典型部件设计——主轴部件设计高速结构4.1典型部件设计——主轴部件设计高刚度结构图1是上述提到的典型“高刚度结构”图2是采用圆锥滚子轴承的主轴部件，结构比采用双列短圆柱滚子轴承简化，承载能力和刚度比角接触球轴承高。但是因为圆锥滚子轴承发热大、温升高，允许的极限转速要低些。适用于载荷较大、转速不太高的普通精度的机床主轴。4.1典型部件设计——主轴部件设计速度刚度结构4.1典型部件设计——主轴部件设计CA6140车床的主轴箱布置——刚度型4.1典型部件设计——主轴部件设计轴承精度等级的选择前轴承与后轴承的精度对主轴旋转精度影响不同前大后小，前轴承精度应高；如前后轴承便宜方向在同一侧，可有效降低主轴端部的偏移。轴承精度影响旋转精度、刚度与抗振性，应选择P4(SP)以上精度。主轴滚动轴承的预紧预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。预紧力通常分为三级：轻预紧、中预紧和重预紧，代号为A、B、C。参见《图3-22、图3-23》滚动轴承的润滑和密封滚动轴承所用的润滑剂主要有润滑脂和润滑油。密封的方式主要有非接触式和接触式4.1典型部件设计——主轴——滑动摩擦1.干摩擦－2.边界摩擦－3.液体摩擦－4.混合摩擦－两摩擦面间无任何润滑剂→固体表面直接接触→摩擦、磨损大→强烈温升→不允许→ｆ≈0.30～0.35两摩擦面由吸附着的很簿的边界膜隔开的摩擦→ｆ≈0.1～0.3两摩擦面完全由液体隔开的摩擦→理想→ｆ≈0.001～0.01干、边界、液体摩擦并存→实际→非液体摩擦4.1典型部件设计——主轴部件设计主轴滑动轴承有良好的抗振性，旋转精度高，运动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数控机床中。按产生油膜的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。1、动压轴承主轴旋转时，带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔，产生油膜压力浮起主轴。承载能力与速度、润滑油粘度、油楔结构等有关。4.1典型部件设计——主轴部件设计2、液体静压轴承一套专用供油系统、节流器和轴承。静压轴承与动压轴承相比具有的优点：承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在低速下工作，也能在高速下工作；摩擦小，轴承寿命长。缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。4.2支承件设计机床的支承件指相互固联成机床基础和框架的部件，一般指床身、立柱、横梁、底座等大件。床身立柱底座工作台摇臂横梁升降台箱体珩磨机4.2支承件设计支承件的基本要求1.具有足够静刚度和较高固有频率整体刚度（自身刚度）指机床床身承受载荷抵抗整体弯曲、扭转变形的能力。与支承件材料以及截面形状、尺寸等参数有关。局部刚度指支承件载荷集中的局部结构处抵抗变形的能力。如导轨承受载荷产生局部变形。接触刚度指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触