现代制造装备及控制第5章-主轴组件设计

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1、现代制造装备及控制 第5章 主轴组件设计,贾秀杰 山东大学机械工程学院,第5章 主轴组件设计,主轴组件是机床的一个重要组成部分，它包括主轴，轴承以及安装在主轴上的传动件。主轴要求传递扭矩，直接承受切削力且还要满足机床结构上的一些要求。主轴组件应有更高的动、静刚度和抵抗热变形的能力。 (1) 旋转精度 主轴组件的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴前端安装工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动值满足要求。目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。,5.1 主轴组件的基本要求,第5章 主轴组件设计,瞬时旋转中心线相对于理想旋转中心线在空间的位置距离，就是主轴的旋转误差，而回转误差的范围

2、，就是主轴的旋转精度。 造成主轴旋转误差的主要原因是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其旋转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的旋转误差。因此机床的主轴不平衡量要严格控制。,第5章 主轴组件设计,主轴旋转精度的测量，一般分为三种：静态测量、动态测量和间接测量。 静态测量就是用一个精密的检测棒插入主轴锥孔中，使千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。千分表最大读数和最小读数的差值即为主轴的径向旋转误差。 动态测量是用一标准球装在主轴中心线上，与主轴同时旋转；在工作台上安装两个互成90角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。 间接测量是采用小切

3、削量加工有色金属试件，然后在圆度仪上测量试件的圆度来评价。,第5章 主轴组件设计,(2) 静刚度 主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。主轴组件的弯曲刚度K定义为：使主轴前端产生单位位移时，在位移方向测量处所需施加的力，即 K = F/,主轴组件的刚度,主轴组件刚度不足，主轴将产生较大弹性变形，影响加工质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件，加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、所选用的轴承类型及配置形式、轴承间隙的调整、主轴上 传动元件的位置等有关。设计时 应在其他条件允许的条件下，尽 量提高刚度值。,第5章 主轴组件设计,(3) 抗振

4、性 主轴组件抵抗受迫振动和自激振动的能力。主轴组件的低阶固有频率和振型是其抗振性的主要评价指标。低阶固有频率应远远高于激振频率，避免共振的发生。 提高主轴抗振性必须提高主轴组件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，以及在必要时安装阻尼(消振)器。另外，使主轴的固有频率远远大于激振力的频率。,第5章 主轴组件设计,(4) 温升和热变形 主轴组件工作时因各相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形状和位置发生变化(热变形)。引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发生变化，直接影响加工精度；其次温升会改变轴承等元件的间隙，破坏润

5、滑条件，加速磨损甚至抱轴，影响轴承的正常工作。 高精度机床，连续运转下的允许温升为810 ，精密机床为1520 ，普通机床为3040 。,第5章 主轴组件设计,(5) 精度保持性 主轴组件长期地保持其原始制造精度的能力。精度丧失主要是由磨损造成的，如主轴轴承、主轴轴颈表面、装夹工件或刀具的定位表面的磨损。要长期保持主轴组件精度，必须提高其耐磨性，涉及主轴和轴承的材料、热处理方式、轴承类型及润滑防护方式等。,第5章 主轴组件设计,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有很大的影响。同时，主轴结构要保证各零件定位可靠、工艺性好等要求。 5.

6、2.1 主轴轴端结构 主轴轴端用于安装夹具和刀具。要求夹具和刀具在轴端定位精度高、定位刚度好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。短锥法兰结构有很高的定心精度，主轴的悬伸长度短，可以大大提高主轴的刚度。,5.2 主轴,第5章 主轴组件设计,下图为常用的加工中心主轴的前端部形状。其主轴是空心的，前端有7:24的锥孔，用于插入铣刀锥柄或刀杆尾锥时定位，再由拉杆从主轴后端拉紧，防止切削时铣刀和主轴之间有相对松动。通常装夹BT40(或BT50等)刀柄或刀杆。主轴端面上有四个螺孔和两个端面长键，螺孔用来固定就刀，端面键既可传递刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位。,第5章 主轴组件设计,a)车床；b)铣床和

7、加工中心；c)外圆磨床；d)内圆磨床； e)钻、镗床；f)组合机床 主轴端部结构,第5章 主轴组件设计,5.2.2 主轴的主要尺寸参数 主轴的主要尺寸参数包括主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。 (1) 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。主轴前支承轴颈的直径可根据主电动机功率初步选择，后端支承轴颈的直径可以是0.70.8倍的前支承轴颈值。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。,第5章 主轴组件设计,(2) 主轴内孔直径 主轴的内孔直径用于通过刀具夹紧

8、装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴的孔径与主轴直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90% ；大于0.7时空心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。 (3) 前悬伸a 主轴前支承点至主轴前端的距离a称为主轴的前悬伸。主轴的前悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸，前轴承的类型、组合方式和轴承的润滑与密封有关。主轴的前悬伸长度对主轴的刚度影响很大，应尽量缩短悬伸量a。,第5章 主轴组件设计,(4) 主轴的支承跨距l 主轴前支承点至主轴后支承点之间的距离称为跨距l。 主轴组件的支承跨距对主轴本身刚度和对支承刚度有着很大的

9、影响。l较大，则主轴变形较大；l较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。最佳跨距l0，可使主轴组件前端位移最小。主轴组件由于受结构限制以及保证主轴组件的重心落在两支承点之间，实际的支承跨距大于最佳的支承跨距。,第5章 主轴组件设计,主轴最佳跨度计算线图,最佳跨距l0与前悬伸a之比 l0 /a可由下图求得。图中横坐标是综合变量,式中， E弹性模量，钢的E=2.1107MP；I主轴的截面惯性矩，I=0.05(d4-di4)，mm4； d、di主轴的外径和孔径，mm； KA前轴承的刚度，N/m； a前悬伸量，mm。,第5章 主轴组件设计,理想支承跨距l 0的经验公式： 式中， K刚度值，其下限值

10、250N/m，精密机床的K值为500N/m；D主轴平均外径(mm)；d主轴平均内径，即中空轴平均内径(mm)；l主轴轴承支承跨距(mm)。,从图上查出的l0 /a乘以前悬伸a ，即为最佳跨距。如实际跨距小于l0 ，则综合刚度将急剧降低；如大于l0 ，则刚度缓慢降低。所以实际跨距如不能等于l0 ，则宁大勿小。通常，l0=(23)a。,第5章 主轴组件设计,5.2.3 材料和热处理 主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性、热处理变形等因素确定。主轴材料首先考虑价格便宜的中碳钢(如45钢)。只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减小热处理变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨

11、性时，才考虑选用合金钢。,主轴常用的材料及热处理要求,第5章 主轴组件设计,5.2.4 主轴主要精度指标 主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴设计的技术要求主要包括主轴各配合表面的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、表面硬度等内容，并应在主轴零件图上标注准确、合理。 前支承轴承轴颈的同轴度约5m左右。 轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，过盈量为15m。 锥孔与轴承轴颈的同轴度为35m，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好。 装NN3000K 型调心圆柱滚子轴承的1:12锥面，与轴承内圈接触面积不小于85%。,第5章 主轴组件设计,数控机床主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具功能。刀

12、具自动夹紧机构安装在主轴内部，刀柄l由卡爪2夹持，碟形弹簧5通过拉杆4、卡爪2，在内套3的作用下将刀柄拉钉拉紧。换刀时，要求松开刀柄，此时将主轴上端汽缸的上腔通压缩空气，活塞7带动压杆8及拉杆4向下移动，同时压缩碟形弹簧5，当拉杆4下移到使抓刀爪2的下端移出内套3时，卡爪张开，同时拉杆4将刀柄顶松，刀具即可由机械手库拔出。待新刀装入后，汽缸6的下腔通压缩空气，活塞上移，在碟形弹簧的作用下，带动抓刀爪上移，抓刀爪拉杆重新进入内套3，将刀柄拉紧。活塞7移动的两个极限位置分别设有行程开关10，作为刀具夹紧和松开的信号。,5.3 主轴内部刀具自动夹紧机构,第5章 主轴组件设计,1-刀柄；2-卡爪；3-

13、内套；4-拉杆；5-弹簧；6-汽缸；7-活塞；8-压杆；9-撞块； 10-行程开关 刀具自动夹紧机构,第5章 主轴组件设计,主轴内部结构,第5章 主轴组件设计,刀杆尾部的拉紧机构，除上述的卡爪式外，常见的还有钢球拉紧机构，内部结构如下。,刀杆拉紧机构,第5章 主轴组件设计,5.4 主轴滚动轴承,主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。常用的主轴轴承有滚动轴承和滑动轴承。,第5章 主轴组件设计,相对于滑动轴承，滚动轴承有以下优点： 在转速和载荷变化很大的情况下滚动轴承仍能稳定工作，而动压滑动轴承在低速时难以形成具有足够压

14、力的油膜； 滚动轴承能在零间隙，甚至负间隙（预紧到有一定过盈量）的条件下工作，对提高旋转精度和刚度有利，而滑动轴承则必须有一定间隙才能正常工作； 滚动摩擦系数小，发热少； 滚动轴承容易润滑，可以用脂润滑，装填一次用到修理时才更换；若用油时所需油量也远比滑动轴承小； 滚动轴承为标准件，可以外购。,第5章 主轴组件设计,5.4.1 滚动轴承类型 双列圆柱滚子轴承 双列圆柱滚子轴承的特点是径向刚度和承载能力都大，旋转精度高。但它不能承受轴向载荷，内圈薄且开有两条滚道，厚薄不均，调整间隙时内圈滚道易发生畸变。,第5章 主轴组件设计,双向推力角接触轴承 双向推力角接触轴承的特点之一是接触角大，钢球直径小

15、而数量多，轴承承载能力和精度较高，允许的极限转速高于一般推力轴承，常用于高速、较精密的机床主轴。,第5章 主轴组件设计,圆锥滚子轴承 圆锥滚子轴承既能承受径向载荷，又能承受双向的轴向载荷，滚子数量大，故刚度和承载能力均较大。滚子大端的端面与内圈挡边之间为滑动摩擦，发热较大，故允许的极限转速较低。,第5章 主轴组件设计,角接触球轴承 这种轴承既可以承受径向载荷，又可以承受轴向载荷，接触角通常为=15 和=25 两种。为了提高轴承刚度和承载能力，可将多个角接触球轴承组合使用。,第5章 主轴组件设计,深沟球轴承 深沟球轴承只能承受径向载荷，轴向载荷则由配套的推力轴承承受。此种轴承一般不能调整间隙，常

16、用于精度要求和刚度要求不太高的地方。,第5章 主轴组件设计,5.4.2 轴承精度 主轴轴承的精度主要采用P2，P4，P5(旧标准B，C，D)3级，相当于ISO标准的2，4，5级。 高精度主轴可用P2级，要求较低的主轴或三支承主轴的辅助轴承可用P5级。轴承的精度不仅影响主轴部件的旋转精度，而且精度越高，各滚动体受力也越均匀，有利于刚度和抗振性的提高，减少磨损，提高寿命。目前普通机床主轴轴承趋向于选P4级。 主轴轴承的轴向定位采用的是前支承定位。这样前支承受轴向力，前端悬伸量小，主轴受热时向后延伸，使前端的变形小，精度高。,第5章 主轴组件设计,5.4.3 轴承刚度 轴承的滚动体与滚道之间是接触变形。轴承在零间隙时的变形和刚度可按照下列公式计算。 角接触轴承 滚动体与内、外滚道接触处总的弹性变形与滚动体上作用力之间的关系,