金属切削机床戴曙第十章主轴部.ppt

第十章 主轴部件第一节 对主轴部件的基本要求第二节 主轴轴承的选择和株洲的滚动轴承第三节 主轴第四节 主轴组件第五节 提高主轴组件性能的一些措施第六节 主轴的滑动轴承第七节 主轴组件的计算第八节 润滑和密封,第一节 对轴组件的基本要求,一、旋转精度 机床在空载低速时，主轴前端安装刀具，夹具部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动。主轴的旋转轴线产生的跳动如图,二、刚度,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（牛/微米）,三、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。四、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，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，工作温度 一般滚动轴承的温升，工作温度,五、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。,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 轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、配置、精度、安装、调整和润滑等都直接影响主轴组件的工作性能，主轴的旋转精度在很大程度上由其轴承决定，轴承的变形量约占主轴组件总变形量的30-50%，轴承的发热量占的比重也较大，故主轴轴承应具有：旋转精度高、刚度大、承载能力强、抗振性高、速度性能好、磨擦功耗小、噪音低和寿命长。,主轴轴承可分滚动轴承与滑动轴承两大类。使用中，应根据主轴组件工作性能要求、制造条件和经济效果综合考虑，合理使用。,二、主轴滚动轴承的选择 主轴滚动轴承的型号，应根据承载能力和转速选择。同样尺寸的轴承，线接触的滚动轴承比之点接触的球轴承，承载能力和刚度都较高，但极限转速低。掌握一点：凡是能调整间隙的，都可以使精度和刚度有所提高.,主轴的滚动支承,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。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。1.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。,2.60接触角双向推力向心球轴承 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。3.单列圆锥滚子轴承 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。4.双列圆锥滚子轴承 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。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。,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。(P183),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的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,前轴承的精度对主轴精度影响大一些，因此前轴承的精度应选高一些。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。,四、主轴滚动轴承的寿命（1）表层疲劳发生点蚀：重载和高速主轴（2）因磨损降低精度 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。什么是极限转速？广义上讲，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。,五、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/D00.5时，Kd/K0.94，空心主轴的刚度降低较小。当d/D0=0.7时，Kd/K=0.76，空心主轴的刚度降低了24。一般应取d/D00.7。,第三节 主轴一、主轴构造 主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位方法。为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴径起向后递减，主轴是实心还是空心的，主要取决于机床类型。,主轴端部系指主轴前端，它的形状决定于机床的类型、安装夹具或刀具的形式。保证：夹具或刀具安装可靠，定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。,由于夹具和刀具都已标准化，因此通用机床主轴端的形状和尺寸也已标准化。设计时具体尺寸可参考机床制造标准，中孔对主轴刚度是有影响的。,J空=1/64(D4平-d4)J实=1/64 D4平J空/J实=1-(d/D平)4当d/D0.5时 J空/J实0.9 对刚度影响不大;当d/D0.7时，则影响大.为了不致使主轴的刚度受太大的影响，孔径不应超过外径70%。如超，惯性矩将下降24%。这里的刚度包括抗弯和抗扭刚度，要说明的是加大孔径的车床主轴不受此限，因这时D也加大了。,二、材料和热处理 主轴材料主要根据载荷特点、耐磨性和热处理、变形大小等因素决定。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，因此强度不是选材的依据。,主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大，所以主轴材料首选钢。值的注意的是：钢的弹性模量E的数值与钢的种类和热处理方式无关，即无论是普通钢还是合金钢，其弹性模量E基本相同，因此在选择钢材时首先选用价格便宜的中碳钢（45#），只有在载荷特别重和有较大冲击时，或者精密机床主轴需要减少热处理变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑用合金钢。,目前，由于球墨铸铁具有高强度、耐磨、吸振、工艺性好，成本低以及简化主轴深孔加工等优点，开始应用于主轴上，如有些国产铣床的主轴材料已改用球墨铸铁。当主轴轴承采用滚动轴承时，轴径可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴径的配合表面，不少45#（C6150，X62W，C6140）等轴径仍用高频淬火（HRC48-54）。,当采用滑动轴承时，为了减少磨损，轴径必须有很高的硬度。45#的主轴通常在滑动轴径处进行高频淬火。对大直径（350-400）可用火焰淬火来提高其表面硬度。对受较大冲击的主轴可用15#钢或30#钢，并在滑动轴颈表面渗碳，淬火及回火。10.4.3 主轴的技术要求（P189）,第四节 主轴组件,一、车、镗、铣、加工中心类机床主轴组件,角接触球轴承主轴组件,双列圆柱滚子轴承主轴组件,主轴单元,圆锥滚子轴承主轴组件,自动换刀自动镗铣床主轴组件,主轴组件的典型结构,角接触球轴承主轴组件,主轴最高转速为5000rmin，前支承类型及预紧，后轴承类型及预紧等。,主轴组件的典型结构,双列圆柱滚子轴承主轴组件-1,CA6140型车床主轴组件改进后的结构，注意前后支承类型及结构。,主轴组件的典型结构,双列圆柱滚子轴承主轴组件-2,书10-8，注意前后支承类型及结构。,圆锥滚子轴承主轴组件,书10-9，注意前后支承类型及结构。,主轴单元,书10-10，注意前后支承类型及结构。,主轴组件的典型结构,GAMET型圆锥滚子主轴组件,主轴组件的典型结构,自动换刀数控镗铣床主轴组件,主轴组件的典型结构,总结一般采用滚动轴承,1、要求刚度较高速度不是很高时，常选用三支承结构或者是采用线接触滚动轴承。,2、要求速度较高刚度不是很高时，常选用两支承结构或者是采用点接触滚动轴承。,3、应用三支承结构时要尤其注意壳体孔的加工工艺和轴承的预紧问题。（三个可行）,主轴组件的典型结构,二、磨床类主轴组件,见图10-11,1、这种主轴组件是一个独立的单元，由专门工厂制造2、主轴的转动由电动机(P13kW)经平带输入主轴左端平带轮，主轴的右端装砂轮杆。主轴两端载荷都较大，故前后支承都配置两个同向角接触球轴承。若载荷较小时，两端支承各装一个轴承，由于磨削时轴向载荷为左右对称而且又不大，故轴承采用背靠背组配也是对称方式，其接触角=15,主轴组件的典型结构,三、钻床类主轴组件,特点：旋转的同时有轴向进给,1、主轴1的旋转主运动由其尾部的花键传入，主轴由轴承3和8支承在套筒5内旋转；2、转动齿轮6，使套筒(右侧面为齿条)连同主轴作轴向进给运动；3、力的承担和轴承的选择。,第五节 提高主轴组件性能的一些措施一.提高精度:采用选配法二.控制温升、提高转速、减少热变形三.改善动态特性使主轴组件的固有频率避开激振频率加大前支承的的阻尼采用三支承采用消振装置,第六节 主轴的滑动轴承,机床主轴组件采用的滑动轴承，根据其流体介质的不同，可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。液体滑动轴承按其油膜压力的形成方式，又可分为液体动压滑动轴承和液体静压滑动轴承。一、主轴液体动压滑动轴承 机床主轴动压轴承与一般动压轴承不尽相同，对主轴的旋转精度和油膜刚度有着更高的要求。1.几种常用的主轴多油楔滑动轴承 1）成形多油楔轴承 这种成形多油楔轴承的油囊加工比较困难，但轴承工作时的尺寸精度、接触状况及油楔参数等较为稳定；拆装后的变化小，维修较方便，因此可用于高精度磨床。对于动压滑动轴承，入口间隙h1与出口间隙h2所形成的油楔角大小，对其承载能力有很大影响。根据最佳间隙比可得入口间隙为h1=2.2h2=0.033mm。油囊最有利深度h=h1/2=0.018mm。,2）活动多油楔轴承 这种轴承是由三个或五个瓦块所组成。如图示三瓦式活动多油楔轴承，三个短瓦4各由一个球头螺钉所支承。,优点：结构简单、制造和维修方便，轴瓦与箱体孔不接触，故对箱体孔加工无特殊要求。缺点：轴瓦仅靠螺钉的球形头支承，虽然要求其接触面不少于80（配对研磨），但接触刚度仍比油膜刚度低得多，故使轴承的综合刚度下降。这种轴承广泛应用于各种外圆磨床和卧轴平面磨床上。,二、主轴液体静压滑动轴承 是利用轴承各个油腔中的静压力和节流器的调压作用，而把轴颈推向轴承中央位置的。在静压轴承常用的定压供油系统（向各个油腔的供油压ps为一定）中，每个油腔之前必须串联一个起调压作用的节流器，否则轴承就会失去承载能力。其调压作用是指当主轴受载偏移后，能使轴承在载荷方向上的两个油腔产生压力差以支承载荷，从而使静压轴承在液体摩擦状态下具有承载能力。,第七节 主轴组件的验算 设计和计算可按下列步骤进行:（1）根据统计资料，初选主轴直径（2）选择主轴的跨距（3）根据构造要求，对数据进行修正（4）验算（5）根据验算结果，对设计进行修改,一、主轴直径的初选 车床和铣床:d2(后轴承直径）=(0.7-0.9)d1(前轴承直径）磨床主轴常为前、后轴径相等，中段较粗。前轴径根据功率选取（表10-6）（P206）,二、主轴悬伸量a的确定：缩短悬伸量，可以明显提高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时应努力缩短悬伸量。三、主轴最佳跨距的选择1.假设轴承为刚性支承，主轴为弹性体2.假设主轴为刚体，支承为弹性体,四、主轴组件的验算 对一般机床主轴，主要进行刚度验算。通常，如果能满足刚度要求，也就能够满足强度要求。只有对粗加工、重载荷的主轴，才需进行强度验算。,主轴组件刚度的校核：（1）根据静态弹性变形对加工精度的影响（2）推荐值（3）根据不出现切削自激振动来确定主轴 组件的刚度,第八节 润滑与密封,润滑的作用和润滑剂的选择原则作用:减少摩擦、降低温升和防止腐蚀润滑不良轴承温升剧增，加速轴承的磨损，影响主轴组件的正常工作润滑剂的选用和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷,润滑与密封,针对滚动轴承有：滚动轴承润滑脂或润滑油润滑速度较低时，温升较低脂润滑速度较高时油润滑按轴承的速度因数ndm选择ndm较低时脂润滑ndm较高时油润滑,润滑与密封,脂润滑：优点：润滑脂的粘度大，不易流失，不需要经常更换，密封简单缺点：摩擦阻力大，机械效率低，流动性差，导热系数小适用于ndm值较低的场合，特别适用于立式或套筒式主轴组件，可防止漏油常用的油脂有：理基润滑脂 精密主轴润滑脂,润滑与密封,润滑油：主轴轴承速度较高时，宜采用润滑油优点：摩擦阻力小，冷却效果好，具有冲洗作用为了保证滚动体与滚道接触面上有足够压强的油膜，应使润滑油在轴承工作温度下的粘度为（1223）10-6m2/s润滑方式：飞溅、滴油、循环、油雾和喷射等主要根据轴承的速度因素ndm值选择，可参考表,润滑与密封,润滑与密封,1）飞溅润滑：利用齿轮或专门叶片等的旋转，使润滑油飞溅一般溅油齿轮浸入油中高度为1/2齿高至齿高的23倍，圆周速度为36ms，以免引起润滑不充分或过大的空载损失油的粘度一般在50C时为（2030）10-6m2/s。常用N46或N68机械油适用于要求不高的机床上,润滑与密封,2）滴油润滑：采用滴油器或绒线间断地供给少量润滑油应通过试验找出温度最低的滴油量，一般每小时供油1100g适用于需油量不大的场合常用N46或N68机械油,润滑与密封,3）循环润滑：用专门油泵经油管供油进行强制循环润滑同时具有润滑和冷却作用；油容易过滤，清洁度较好，能保证充分而均匀地输出润滑油，是一种比较完善的润滑方法适用于高速重载主轴组件角接触轴承有泵油效应，油从小口进入 常用N46或N68机械油,润滑与密封,4）油雾润滑：利用压缩空气，通过专门的雾化系统形成含少量油的油雾喷入轴承，起到润滑和冷却作用没有油的搅拌损失，油的温升小以空气气流作为冷却剂，冷却效果好需要专门设备，价格较高，用于高速主轴油的粘度一般在40C时为（1837）10-6m2/s,润滑与密封,5）喷射润滑：轴承周围安装34个喷嘴，将压力为 0.4MPa的油注射到保持架与轴承圈空隙中周期性供油特别适用于转速极高的主轴设备复杂，价格更高油的粘度一般在40C时为(815)10-6m2/s,润滑与密封,主轴组件的密封：作用:1.防止灰尘、屑未和切削液等进入轴承，以减少腐蚀和磨损；2.防止润滑油外漏，保护环境，避免污染,润滑与密封,主轴组件的密封：分类:分接触式密封和非接触式密封两类。接触式:有摩擦和磨损，发热严重，用于低速主轴。非接触式:迷宫式和隙缝式，发热很小，应用广泛。为保证密封作用，旋转部分与固定部分之间的径向间隙应小于0.20.3mm，还要有回孔油，以防漏油。,润滑与密封,对于脂润滑的密封：脂润滑，密封主要是防止外界异物进入采用间隙式或迷宫式密封装置油沟式在盖的内腔中车出梯形或半圆形截面的环形油槽，并填满润滑脂。,润滑与密封,对于脂润滑的密封：迷宫式密封，是在组件的转动和固定部分之间做成复杂而曲折的通道，间隙不超过0.20.3mm，并填满润滑脂。,润滑与密封,对于油润滑的密封：对于用油润滑的主轴，润滑油的防漏，主要靠疏导，可采用图示的油沟式和挡油圈式密封装置。用轴上的油沟,润滑与密封,对于油润滑的密封：用衬套上的油沟防止油液外漏在旋转时流入油沟的油液被离心力甩到端盖的空腔1中，再通过端盖下面的小孔2流回到轴承中锯齿的方向逆着油流方向,润滑与密封,对于油润滑的密封：泵油效应小口进大口出具体结构见书,润滑与密封,例子：X61型卧式铣床主轴的前端，采用挡油圈式密封挡油圈1用来挡油和甩油，毛毡圈2用来防止灰尘、屑末等进入,