立式数控铣床主轴部件的设计PPT课件.ppt

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1、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,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。,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

2、、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。,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,主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保

3、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”。,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。,XK5040数控

4、铣床主轴规格： 主轴锥度： 7:24 mm 主轴转速： 1004000 rpm轴承润滑方式： 润滑油 主轴马达功率： 5.4/7.5（30min）kw,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）D1,1、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.

5、4kw 主轴的计算转速(r/min)，已给出=160r/min代人数值得：d4.4cm 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，,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 空/实根据上式可绘制出主轴孔径对主轴刚度影响

6、曲线，如图4-1 D主轴平均直径 d主轴平均孔径 K空直径为实心主轴刚度 ， K实 直径为，孔径为d的空心轴的刚度。,由图4-1知：当d0.5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。此时空0.75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510mm。,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

7、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,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=（23.5）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。,跨距L对主轴组件

8、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,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及调整螺母实现。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 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。,主电机传来的运动由齿轮经双键，套筒（23）和双键带动主轴转动。齿轮安装在套筒（23）上，而且套筒（23）由一对向心球轴承支承在箱体上

9、，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。,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,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

10、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。,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

11、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。,主轴的滚动支承,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 112 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。,2.圆锥滚子轴承 这种轴承承载能力大，同时可

12、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。,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

13、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：=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。,（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,二、轴承配置 轴承配置是根据机床用途、主轴的工作条件

14、（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 0.030.07 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。,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

15、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，一般因载荷较小且对于主轴组件性能的影响较小，可选用较前轴承刚度、抗振性及精度略低的轴承匹配使用。但需注意的是，匹配使用的轴承都必须适应主轴转速的要求。 2.推力轴承配置 机床主轴一般承受两个方向的轴向载荷，需要两个相应的推力（止推）轴承匹配使用。推力轴承的布置方式或称主轴组件的轴向定位方式。立式铣床采用的是最简单的前端定位。,前端定位结构其特点：（1）主轴受热变形，向后伸长（热位移），不影响主轴前端的轴向精度。（2）主轴切削力受压段短，纵向稳定性好。（3）前支承的角刚度高，角阻尼大，因此主轴组件的刚度高和抗振性好。 （4）前支承的结

16、构较复杂，温升较高。,适用范围：对轴向精度和刚度要求较高的高速、精密机床主轴（如精密车床、镗床、坐标镗床等）及对抗振性要求较高的普通机床主轴（如卧式车床、多刀车床、铣床等）。,后端定位结构其特点：（1）前支承的结构简单、温升较小；（2）主轴受热向前伸长，影响主轴的轴向精度；（3）刚度及抗振性较差。 适用范围：不宜用于精密、抗振性要求高的机床，可用于要求不高的中速、普通精度机床的主轴（卧式车床、多刀车床、立式铣床等）。,3.同一支承中多轴承布置 同一支承中具有两个（或更多）同时承受径向、轴向载荷的角接触轴承时，其布置方式有三种如图所示。 1）背向（背靠背）布置 两个轴承外圈的宽边相对，可提高主轴

17、组件的刚度。 2）面向（面对面）布置 两个轴承外圈的窄边相对，因两轴承产生的反力矩很小，故主轴刚度提高不大。3）串联布置 两个（或更多）轴承外圈的宽窄边方向相同，可承受较大的轴向载荷。,XKFA714数控仿形铣床机械仿形选用的就是单列圆锥滚子轴承背对背组合。,三、 主轴滚动轴承精度及其选配 1.主轴滚动轴承精度 机床主轴滚动轴承一般要求有较高的精度，可采用B、C、D、E 四级，一般不用G 级轴承。国家新标准用P2、P4、P5 等表示，可参阅新标准。 主轴的前后轴承的精度选择对主轴精度影响很大，一般前轴承精度比后轴承精度高一级，影响主轴精度主要是前轴承的精度。 主轴滚动轴承精度的选择应注意： 1

18、）首先选择主轴前支承的径向轴承（简称前轴承）精度，其精度等级应与机床精度相适应，即精度较高的机床选用较高精度的轴承，反之亦然。 2）主轴后支承的径向轴承（后轴承）精度可比前轴承低一级。 3）推力轴承精度一般可比前轴承低一级。 4）轴承精度越高，旋转精度及其他性能也越高，但轴承价格也越昂贵。,普通精度的立式铣床主轴前轴承应选 C 或 D，但 C 级轴承造价较高，一般选 D 级就可以了，后轴承一般选 D 或 E 级。精密、高精密的立式铣床前轴承应选 B 或 C 级，后轴承应选 C 或 D 级。 选择轴承时既要考虑机床的精度要求，又要考虑经济性，各级精度轴承的价格比如表 1 所示。,表 1各级精度轴

19、承的价格比,2.主轴滚动轴承选配 1）前轴承选配 主轴在前支承处的径向跳动对其端部的旋转精度影响最大。因此首先应采用轴承选配法来减小前支承处的径向跳动。 采用合理的轴承选配法，可在制造精度并非很高的情况下，也能使主轴组件获得较高的旋转精度。,2）后轴承选配 对主轴组件前轴承选配之后再对后轴承选配，还可进一步提高主轴组件的旋转精度。 把后轴承如同前轴承那样选配，可得到较小的轴端的偏心量。综上所述，为了提高主轴组件的旋转精度，采用轴承选配法的几点结论是：（1）首先对前轴承进行选配（高点导向），使其偏心量A为最小。（2）然后再对后轴承进行选配，使前、后支承处的最大跳动点位于同一轴向平面内，且在轴线的

20、同侧。（3）后轴承的精度比前轴承低一级，采用选配法有利于提高主轴组件的旋转精度。,对于立式铣床轴承与轴和轴承与箱体孔之间的配合，一般都选过渡配合，应采用比一般传动轴松一些的配合，采用j5、js5、j6、js6 比较合适，另外，轴承的内外环都是薄壁件，轴和孔的形状误差都会反映到轴承上去。 如配合精度选得过低，会降低轴承的回转精度，所以轴和孔的精度应与轴承精度相匹配。,表 2 主轴上轴承配合选择,四、铣床主轴滚动轴承间隙及其调整 为提高主轴回转精度和刚度，在设计主轴组件时必须设有主轴间隙调整结构，铣床主轴轴承间隙一般应调到合适的负间隙 （过盈）， 形成一定的负载，这样可使主轴回转精度和刚度都能提高

21、，寿命、噪音和抗振性也可得到改善。 调整时应注意负载不能过大， 过大的预负载对提高刚度没有明显效果，而磨损发热量和噪音都会增大，轴承寿命将因此而降低。双列圆柱滚子轴承内圈相对外圈可以沿轴向移动，当内圈向大端沿轴向移动时，由于轴承内锥孔有1:12 锥度将内圈胀大，因而会消除滚子与内外环之间的间隙。,铣床主轴常用的调整间的结构形式及调整方法见表 3,表3 轴承铣床主轴的典型结构及调整,五、主轴的润滑和密封,轴承的润滑对主轴组件的工作性能和轴承寿命有密切关系。作用：降低摩擦，减轻磨损，减少功率消耗；还能带走热量，降低温升；增大阻尼，提高抗振性；防止腐蚀等。,脂润滑 适用于轴承的速度、温度较低且不需要冷却的场合。如果密封效果好，能够避免润滑油、冷却液及其他杂质混入润滑脂中，则轴承中的润滑脂可长期使用，拆修前不需要补充或更换。 润滑脂不要把轴承空间填满，以免发热过高，并引起润滑脂熔化外流，通常充填量约为轴承空间的1/3。主轴滚动轴承密封用脂润滑的主轴，密封主要是防止外界异物进入，可采用间隙式或迷宫式密封装置。,用油润滑的主轴，润滑油的防漏，主要靠疏导，可采用油沟式和挡油圈式密封装置。,XK5040铣床就是用的油润滑主轴,