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1、第4章 金属切削机床典型零部件,4.1 主轴组件 4.2 机床导轨 4.3 传动装置 4.4 支承件 4.5 其他装置,4.1 主轴组件,4.1.1 对主轴组件的基本要求 4.1.2. 主轴组件的传动 4.1.3 主轴轴承的选择 4.1.4 主轴的结构 4.1.5 主轴组件的典型结构,4.1.1 对主轴组件的基本要求,1. 转速 2. 回转精度 3. 静刚度 4. 动刚度 5. 热稳定 6. 使用寿命 7其他,1. 转速,主轴的转速范围是根据机床所要求的切削速度及工件或刀具的尺寸确定的，可根据各类机床不同的实际工作状况来确定其主轴的计算转速。为满足主轴转速范围的要求，除主传动系统必须保证之外，
2、对主轴组件而言，主要应考虑选择适当的轴承及润滑方式，以满足速度、尤其是高速时的适应性。,2. 回转精度,当主轴作回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心。回转中心线的空间位置在理想状态下应当固定不变。而实际上，由于各种原因的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都在变化，这些瞬时回转中心线的平均位置称为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置距离，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。,3. 静刚度,静刚度是指弹性体承受的静态外力或转矩(交变频率低于0.167 Hz)的增量与其作用下弹性体受力处所产生的位移或转角的增量之比，即产生单位变形量所需静
3、载荷的大小。 影响主轴组件静刚度的因素主要是：主轴的结构形状；主轴前后轴承之间的距离；主轴前端的悬伸量；传动件的布置形式；轴承的刚度；主轴组件的制造和装配质量等等。要提高主轴组件的静刚度，必须在设计时对上述因素进行选择和计算。,4. 动刚度,主轴组件不但要具有一定的静刚度，而且要具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振力。抗振力用动刚度Kd来衡量。,5. 热稳定,（1）温升和热变形 轴系的典型区域温度与环境温度之差为温升。轴系组件运行时，各相对运动部件产生的摩擦热、搅油所产生的热量和工作区产生的热量以及周围环境的辐射热等都要使主轴的温度升高，温升使主轴组件的形状和位置发生畸变，即热变形。 （
4、2）热位移 热变形使主轴工作端截面形心相对固定坐标产生的位移称为热线位移。,6. 使用寿命,主轴组件的寿命主要指在使用期限内（一般为大修期），主轴组件的工作不应失去其设计时所规定的精度性能。精度保持性越好，寿命越长。 影响精度的主要原因是磨损 。 提高主轴组件的耐磨性的具体措施有：正确选择主轴的材料及其热处理方法，提高其定位面、轴颈等处的硬度；主轴的前后支承应尽可能同心；注意主轴轴承的润滑，润滑油应严格过滤；同时，注意主轴组件的制造精度和装配调整量。,7其他,主轴组件除应保证上述基本要求外，还应满足下列要求： (1) 主轴组件的定位要可靠，主轴在受力作用下，应有可靠的径向和轴向定位，使主轴在工
5、作时所受到力通过轴承可靠地传至箱体等基础零件上去。 (2)主轴前端结构应保证工件或刀具装夹可靠，并有足够的定位精度。 (3)结构工艺性好，在保证好用的基础上，尽可能地做到好造、好装、好拆及好修、并尽可能降低主轴组件的成本。,4.1.2. 主轴组件的传动,1.传动方式 2.主轴部件的支承数目 3主轴传动件位置的合理布置,1.传动方式,(1)齿轮传动 (2)带传动 (3)电机直接传动,2.主轴部件的支承数目,多数机床的主轴采用前、后两个支承。这种方式结构简单，制造装配方便，容易保证精度。为提高主轴部件的刚度，前后支承应消除间隙或预紧。 为提高刚度和抗振性，有的机床主轴采用三个支承 。三支承方式对三
6、支承孔的同心度要求较高，制造装配较复杂。主支承也应消除间隙或预紧，“辅”支承则应保留一定的径向游隙或选用较大游隙的轴承。由于三个轴颈和箱体上三个孔不可能绝对同轴，因此不能三个轴承都预紧，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。,3主轴传动件位置的合理布置,机床主轴一般都由皮带或齿轮传动。 （1）传动件的位置 皮带传动装置大多装在主轴的尾部，以防止皮带沾油和便于皮带更换。 （2）传动力的位置和方向 合理布置传动件的轴向和径向位置，可以改善主轴的受力状况，减少主轴的变形；改善传动件和轴承的工作条件，减少轴承的受力；提高主轴组件的抗振性能。,传动件布置,4.1.3 主轴
7、轴承的选择,1.滚动轴承 2.液体动压轴承 3.液体静压轴承 4.其他类型轴承简介,1.滚动轴承,滚动轴承在旋转精度、刚度、承载能力等主要性能上能满足大部分主轴组件的工作要求，尤其是在转速和载荷变动幅度很大的条件下，运转稳定可靠。 滚动轴承的缺点是：由于轴承内的滚动体数目有限，刚度是变化的，高速时容易引起振动和噪声，而且滚动轴承的径向尺寸比较大。,主轴常用滚动轴承的类型,(1)角接触球轴承 (2)双列短圆柱滚子轴承 (3)圆锥滚子轴承 (4)推力轴承 (5)双向推力角接触球轴承 (6)滚针轴承 (7)陶瓷滚动轴承,典型的主轴滚动轴承,2.液体动压轴承,(1)液体动压轴承的工作原理 多油楔轴承工
8、作原理：主轴旋转时周围可产生几个油楔，把主轴推向轴承中央。当主轴的转速发生变化时，各油楔的油膜压力变化值大致相同，不易引起主轴轴心位置的变化。当主轴受到外载荷时，轴承颈稍有偏心，这时轴承的油楔变薄而压力升高，与此同时，其对面的油楔变厚而压力降低，形成压力差，压力高的油楔将主轴推向压力低的油楔一边，使得轴承内有了新的平衡。 (2)液体动压轴承的种类 固定式多油楔轴承 用于磨床砂轮的固定式多油楔轴承 用于车床主轴的固定式多油楔轴承 活动式多油楔,用于车床主轴的固定式多油楔,活动式多油楔轴承的结构型式,a 五块瓦 b 三块瓦,3.液体静压轴承,(1)液体静压轴承的特点 与动压轴承不同，静压轴承的承载
9、能力取决于轴的结构尺寸和液压系统的供油压力，而与轴的转速等几乎无关，即使轴在低速或静止状态下，静压轴承也具有很大的承载力。 轴承的油膜刚度高，通常比轴本身的刚度高好几倍。 由于轴被一层压力油膜所包围，故其抗振性（即动刚度）比滚动轴承好的多。 压力油膜弥补轴承本身的加工误差，油膜附着在轴上，轴与轴承的表面凹陷下去的地方均被油膜所填平。因此，有效地减少了由于轴与轴承因几何误差和表面粗糙度引起的径向和轴向跳动，提高了主轴的回转精度。 静压轴承的静摩擦系数极小（小于0.001）。,(2)液体静压轴承的工作原理,(3)液体静压轴承的分类,液体静压轴承按供油方式的不同，可分为恒流量供油和恒压供油两类。按轴
10、承承受载荷的方向不同，可分为径向轴承、推力轴承和径向推力轴承三种。按油腔形式的不同，可分为对称等面积油腔和不等面积油腔两种。按油腔形状的不同，可区分为矩形油腔、环形油腔、和油槽形油腔。按润滑油的回油方式 ，可分为有周向回油槽和无周向回油槽两种。,(4) 静压轴承的应用,静压轴承按照其结构和用途分为：径向轴承、推力轴承和径向推力轴承。,4.其他类型轴承简介,(1) 滑动轴承 (2)空气静压轴承 (3)自调磁浮轴承,4.1.4 主轴的结构,1.主轴的结构 2.主轴的材料和热处理 3.提高主轴工作性能的措施,1.主轴的结构,车床主轴主要参数示意图,2.主轴的材料和热处理,主轴材料的选择，主要应根据耐
11、磨性和热处理后变形大小来选择。 (1)为了使主轴得到较高的硬度，增加耐磨性，可选用20Cr渗碳后淬硬。 (2)为了提高主轴的强度和韧性，可选用45或40Cr，进行调质处理。 (3)精密机床、数控机床的主轴，要求精度保持性好，应选用热处理后残余应力小的材料。如：40Cr、65Mn等，整体调质后再作局部淬硬处理。 (4)高速机床的主轴，要求很高的耐磨性和精度保持性，可选用热处理后能得到极高的硬度和变形最小的材料，如渗碳钢20CrMnTi进行渗碳后淬硬。,3.提高主轴工作性能的措施,(1)提高主轴的静刚度 (2)提高主轴的运动精度 (3)提高主轴的运动刚度,4.1.5 主轴组件的典型结构,1. 两支
12、承主轴组件的典型结构 2. 三支承主轴组件的典型结构,使用空心圆锥滚子轴承的主轴组件,（2）转速较高而载荷较小的主轴组件,(3)滚动轴承与动压轴承组合的主轴组件,MGB1412型高精度半自动外圆磨床砂轮架,(4)滚动轴承与静压轴承组合的主轴组件,滚动轴承与静压轴承组合的主轴结构 1. 前支承静压轴承 2. 推力滚柱轴承 3. 前支承静压轴承 4. 推力滚柱轴承,1. 两支承主轴组件的典型结构,C7620型多刀半自动车床的主轴组件,2. 三支承主轴组件的典型结构,CK6150型数控车床的主轴组件,CA6140型车床的主轴组件,4.2 机床导轨,4.2.1 导轨的功用及其应满足的要求 4.2.2
13、导轨的结构 4.2.3 导轨的类型,4.2.1 导轨的功用及其因应满足的要求,1.导轨的功用及分类 2导轨应满足的要求,1.导轨的功用及分类,机床导轨的功用是导向与支承，就是使机床的运动部件能够沿着一定的轨迹运动，同时，承受运动部件及工件的重量和切削力。从机械结构的角度来说，机床的加工精度和使用寿命在很大程度上取决于导轨的质量。 机床导轨按其运动性质可分为主运动导轨、进给运动导轨和移置导轨三种。,2导轨应满足的要求,(1)精度 几何精度 接触精度 (2)精度保持性 (3)运动的平稳性 (4)结构简单，工艺性好,4.2.2 导轨的结构,1导轨的截面形状 2.直线运动导轨的结构 3.回转运动导轨的
14、结构 4. 导轨的间隙调整装置,1导轨的截面形状,2.直线运动导轨的结构,直线运动导轨的常用组合形式,3.回转运动导轨的结构,回转运动导轨的截面,4. 导轨的间隙调整装置,平镶条,斜镶条,(2)压板,4.2.3 导轨的类型,1. 滑动导轨 2. 滚动导轨 3. 液体静压导轨,1. 滑动导轨,（1）滑动导轨的特点 滑动导轨是使用最多的一种导轨，其特点是导轨面直接接触.这种导轨结构简单，制造方便，接触刚度高，抗振性好，但摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别较大，低速易产生爬行现象。 (2)滑动导轨的材料 滑动导轨对材料的要求 良好的耐磨性 内应力小 导轨副材料的匹配 常用导轨材料,2. 滚动导轨
15、,（1）滚动导轨的优点 滚动导轨的最大优点是：摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，因此，运动轻便灵活，运动所需功率小，摩擦发热少，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，移动精度和定位精度都较高。滚动导轨还具有润滑简单（有时可用脂润滑）的特点。 但是，滚动导轨结构比较复杂，制造比较困难，成本也比较高，而抗振性比较差。另外，滚动导轨对异物比较敏感，因此，必须有良好的防护装置。,（2）滚动导轨的材料与类型 滚动导轨的导轨材料最常用的是淬硬钢导轨。 滚动导轨的类型有以下两种： 滚动导轨块 直线滚动导轨,滚动导轨块,滚动导轨块的应用,直线滚动导轨副,3. 液体静压导轨,(1)液体静压导轨的特点和种类 液
16、体静压导轨具有下列特点： 摩擦系数小，（约为0.0005）由于摩擦消耗的功率小，所以机械效率高，而且低速时不会产生爬行。 使用寿命长，导轨面相互不接触，不会磨损，能长期保持导轨精度。 油膜具有平均误差的作用，能减少制造误差的影响，因而运动精度高，定位精度和重复精度也高。 油膜具有较好的吸震能力，所以抗震性好。 虽然需要一套可靠的专用供油装置，初期投资费较多，但因使用寿命长，总成本并不高。 液体静压导轨按供油方式和导轨结构两个方面分类，可分为恒流量供油和恒压供油两类。,(2)液体静压导轨的工作原理,开式静压导轨工作原理示意图 闭式静压导轨工作原理示意图,(3)静压导轨的应用,开式静压导轨特点 1）承受正方向垂直载荷的性能较好，承受偏载引起的颠覆力矩的性能较差； 2）结构简单，加工和调整比较方便； 开式静压导轨一般用于偏载较小，载荷较均匀的机床和机械设备。 闭式静压导轨特点 承受正、反方向垂直载荷及偏载引起的颠覆力矩
