買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 式數(shù)控車床主軸單元的開發(fā)設(shè)計 摘要 本次研究工作的主要目的是完成 其滿足旋轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、靜剛度，抗振性、溫升和熱變形及耐磨性等主要性能，以提高機床的加工質(zhì)量和加工效率。 第一部分主要介紹了 成、功用和特點以及影響主軸單元的各個因素：主軸單元或主軸組件是數(shù)控立式車床 軸組件由主軸、主軸軸承及安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成。機床工作時，由主軸夾持工件并帶動工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，直接完 成表面成形運動。由于機床轉(zhuǎn)速高，功率大，機床的加工質(zhì)量，在很大程度上要靠主軸組件保證，因此要求主軸組件具有良好的旋轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、溫升和熱變形及耐磨性等；第二部分主要說明了主軸組件的布局方式和主軸的設(shè)計以及滾動軸承設(shè)計選擇；第三部分主要是 主軸單元的部件的校核計算，主要包括 主軸的剛度 ， 前、后軸承支反力 ， 主軸的前端撓度 ， 前、后軸承的彈性變形量 ， 軸承預(yù)緊量 ， 滾子所受預(yù)載荷 等等。 式數(shù)控車床具有高轉(zhuǎn)速、大扭矩，高剛性等特點。該機床可加工各種短軸類、盤類零件，車削各種螺紋、圓弧、圓錐、回轉(zhuǎn)體的內(nèi) 外曲面、端面、溝槽、鉆、擴(kuò)、鉸等，適用于形狀復(fù)雜的中小批量零件，以及精度、尺寸一致性要求高的大批量零件的加工。該類機床在國內(nèi)外汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，是一種高效、高精度、高質(zhì)量、高效益、低成本，投資回報期短，性能價格比高的機床，因此設(shè)計為其一種優(yōu)良的主軸單元具有重大的現(xiàn)實意義。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床 主軸組件 剛度 軸承 高速切削 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 s s it to so on s s as as or by on s so on is to so s s as as s s a s of s of so so on of of of so of in is is of of 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 目 錄 引 言 1 第一章 主軸組件的設(shè)計介紹 2 軸單元的組成、功用和特點 2 軸組件的設(shè)計要求 2 第二章 主軸組件的結(jié)構(gòu)配置 8 軸組件的布局 8 動件的布局 9 軸的設(shè)計 9 動軸承 12 第三章 主軸組件的計算 14 承的簡化 14 軸組件剛度校核計算 15 第四章 主軸組件的密封和潤滑 18 結(jié)論 20 致謝 21 參考文獻(xiàn) 22 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 4 引 言 近年來高速切削的相關(guān)技術(shù)逐漸地成熟，成為正在迅速崛起的一項先進(jìn)制造技術(shù)，對機械制造業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。實現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)是研究開 發(fā)性能優(yōu)良的高速切削機床，因此自 20 世紀(jì) 80 年代中期以來，開發(fā)高速切削機床便成為國際機床工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流。目前適應(yīng)高速切削加工要求的高速加工中心和其他高速數(shù)控機床在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已呈普及應(yīng)用的趨勢。而我國也正在加快發(fā)展高速加工中心的生產(chǎn)、研究和應(yīng)用。 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。超高速切削，超精密加工的應(yīng)用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，伺服性能，主軸驅(qū)動，機床結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)。隨著電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日臻完善，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 日益擴(kuò)大。 用機電液一體化結(jié)構(gòu)，占地面積小，整機布局緊湊合理，安裝、維修方便。機床具有高轉(zhuǎn)速、大扭矩，高剛性等特點。該機床可加工各種短軸類，盤類零件，車削各種螺紋、圓弧、圓錐、回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外曲面、端面、溝槽、鉆、擴(kuò)、鉸等，適用于形狀復(fù)雜的中小批量零件，以及精度、尺寸一致性要求高的大批量零件的加工。該類機床在國內(nèi)外汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，是一種高效、高精度、高質(zhì)量、高效益、低成本，投資回報期短，性能價格比高的機床。 工穩(wěn)定性好； 控制系統(tǒng)采用 西門子 840晶顯示彩色屏，主伺服電機及進(jìn)給電機全部采用 床的卡盤松開及卡緊在一次安裝加工中可實現(xiàn)兩種夾緊力的自動變換，便于粗精加工在一次裝卡中完成 ； 車床主軸垂直地面與人體站立平行，優(yōu)越于其它安裝形式，避免了主軸高速旋轉(zhuǎn)的慣性造成橢圓加工，而展現(xiàn)出近真圓的精度 ； 因加工件自重，所以能與夾具基準(zhǔn)面準(zhǔn)確地、緊密地接觸，使加工件獲得高精度且穩(wěn)定的加工；對于不規(guī)則形狀的加工件，易于加工，上下裝卸工件容易。夾具結(jié)構(gòu)簡單化，制造費用降低； 高性能數(shù)控系統(tǒng)，使自動化程度大副提高；整機采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)客 戶需求配制不同的功能部件，車床能更好的適應(yīng)客戶的需求； 機床可用于自動生產(chǎn)線，組線容易，可組成生產(chǎn)單元，如兩臺立車就能組成一條生產(chǎn)線，進(jìn)行工件的正、反面加工 。因此，可見 式數(shù)控車床在市場的容納潛力比較大。 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 第一章 主軸組件的設(shè)計介紹 式數(shù)控車床主軸單元的組成、功用和特點 大多數(shù)機床都有主軸組件（主軸單元），有的機床只有一個主軸組件，有的則有多個，如外圓磨床具有砂輪主軸組件和工件頭架主軸組件，又如組合機床，具有幾十個主軸組件，主軸組件是由主軸、主軸軸承和安裝在主軸上的傳動 件、密封件組成。 主軸組件是機床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動工件或者刀具，完成表面成形運動，同時還起傳遞運動和扭矩、承受切削力和驅(qū)動力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到機床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此它是機床中的一個關(guān)鍵組件。 主軸和一般傳動軸的相同點是，兩者都傳遞運動、扭矩并承受傳動力，都要保證傳動件和支承的正常工作條件。但主軸直接承受切削力，還要帶動工件或者刀具，實現(xiàn)表面成形運動。因此對主軸單元有較高的要求。 式數(shù)控車床主軸組件的設(shè)計要求 對主軸組件總的要求是，保證在一定 的載荷與轉(zhuǎn)速下，帶動工件或刀具精確而穩(wěn)定地繞其軸心線旋轉(zhuǎn)，并長期地保持這種性能。為此，對主軸組件提出以下幾方面的要求： 轉(zhuǎn)精度 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度是指機床處于空載手動或機動低速旋轉(zhuǎn)情況下，在主軸前端安裝工件或刀具的基礎(chǔ)面上所測得的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動的大小，目的是保證加工零件的幾何精度和表面粗糙度。當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運動時，線速度為零的點的連線稱為主軸的回轉(zhuǎn)中心線?；剞D(zhuǎn)中心線的空間位置，在理想的情況下應(yīng)是固定不變的。實際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉(zhuǎn)中心線的空間位置每一瞬間都是變化的 ，這些瞬時回轉(zhuǎn)中心線的平均空間位置稱為理想回轉(zhuǎn)中心線。瞬時回轉(zhuǎn)中心線相對理想回轉(zhuǎn)中心線在空間的位置距離，就是主軸的回轉(zhuǎn)誤差，而回轉(zhuǎn)誤差的范圍，就是主軸的回轉(zhuǎn)精度。純徑向誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨存在。當(dāng)徑向誤差和角度誤差同時存在時，構(gòu)成徑向跳動，而軸向誤差和角度誤差同時存在時構(gòu)成端面跳動。由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一個空間旋轉(zhuǎn)矢量，它并不是在所有的情況下都表示為被加工工件所得到的加工形狀。 主軸旋轉(zhuǎn)精度是主軸組件工作質(zhì)量的最基本的指標(biāo)，也是機床的一項主要精度指標(biāo)，它直接影響被加工零件的幾何精度和 表面粗糙度。當(dāng)主軸工作時存在著下列運動：主軸繞自身旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)軸線的徑向跳動，軸向竄動和端面跳動。主軸的旋轉(zhuǎn)精度，紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 承精度和間隙的影響，同時也和其他零件的（箱體、主軸本身等）的精度有關(guān)。 （ 1） 軸承精度和間隙的影響 滾道的徑向跳動 . 確定主軸旋轉(zhuǎn)軸心的是軸承的滾道表面，而軸承的內(nèi)孔則決定了主軸軸承徑幾何軸心位置。當(dāng)內(nèi)圈滾道和內(nèi)孔偏心時，則主軸的幾何軸線將產(chǎn)生徑向跳動。由于外圈一般是固定不動的，因此外圈滾道的偏心不會引起主軸的徑向跳動。 軸承滾道的形狀誤差會使主軸的旋轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生徑向跳動，從 而將這種形狀誤差部分地反映到被加工表面上。之所以只有部分反映，是由于滾道在載荷作用下，將產(chǎn)生彈性變形的補償作用。 各滾動體直徑不一致和形狀誤差，將會引起主軸旋轉(zhuǎn)軸線的徑向跳動，使加工表面產(chǎn)生形狀誤差。每當(dāng)最大的滾動體通過承載區(qū)一次，就使主軸旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)生一次最大的徑向跳動。由此所引起的軸線徑向跳動的周期取決于保持架的轉(zhuǎn)速，而保持架的轉(zhuǎn)速總比內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速低。當(dāng)主軸承受載荷時，由于滾道和滾動體的彈性變形，將會部分地補償滾動體直徑不一致和形狀誤差的影響。 滾道的端面跳動將引起主軸的軸向竄動。主軸旋轉(zhuǎn)一圈，來回 竄動一次，相當(dāng)于在主軸上附加一個螺旋運動，使被加工端面變?yōu)槁菪?。若車削螺紋，則造成螺距的周期誤差。 軸承滾道和滾動體之間的間隙，使主軸在受到變化的外力是產(chǎn)生位移，從而使主軸的旋轉(zhuǎn)軸線作復(fù)雜的周期運動，間隙越小，則旋轉(zhuǎn)軸線變動越小。如果用預(yù)加載荷來消除軸承間隙，甚至造成過盈，這不僅消除了間隙的影響，而且還提高了主軸組件的剛度，使旋轉(zhuǎn)精度進(jìn)一步提高，但過盈量不宜過大。 （ 2）主軸本身及支承座等零件精度的影響 主軸軸頸的尺寸和形狀誤差，將使軸承內(nèi)圈滾道產(chǎn)生相應(yīng)的變形，形狀誤差還使軸承在各個方向的剛度不一 致，從而降低了主軸工作時的旋轉(zhuǎn)精度。主軸支承軸頸的同軸度，錐孔、定心軸頸對主軸軸頸的同軸度，包括偏心及中心線的偏斜，將導(dǎo)致工件在縱向截面內(nèi)幾何形狀誤差和橫向截面內(nèi)的尺寸誤差，工件在多次裝卡時會引起各加工表面的不同軸。 前后支承座孔或主軸前、后軸頸的同軸度誤差，使軸承內(nèi)外圈滾道相對傾斜，引起旋轉(zhuǎn)軸線的徑向和軸向跳動。 調(diào)整間隙用的螺母、過度套、墊圈和主軸軸肩等的端面垂直度，將使軸承裝配后因受力不均而造成滾道畸變。實踐證明，調(diào)整螺母的端面跳動超過 主軸前端的徑向跳動影響十分顯著。 必須指 出，提高軸承精度是提高主軸組件旋轉(zhuǎn)精度的前提條件，但只有同時提高主軸、支承座孔以及有關(guān)零件精度時，才可能獲得較高的旋轉(zhuǎn)精度。 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 度 主軸組件的剛度是指其在外加載荷作用下抵抗變形的能力。通常以主軸前端部產(chǎn)生一個單位的彈性變形時，在變形方向上所加的作用力 P 的大小來表示，如圖 1 所示，即剛度值為P/y（ N/m）。比值越大，剛度越大。有時也用它的反義詞柔度 y/P 來表示。 y 值直接影響加工精度，而 y 值與工件、刀具的安裝方式及尺寸無關(guān)，故較能反映主軸組件的結(jié)構(gòu)性能，便于對不同結(jié)構(gòu)的主軸組件進(jìn)行比較。 圖 1 主軸剛度值的確定 應(yīng)當(dāng)指出，在 式數(shù)控車床主軸組件的工作過程中，引起 y 的作用力不僅有切削力 P，而且還包括由切削力引起的作用在主軸端的力矩 . 式數(shù)控車床主軸組件的剛度，是主軸、軸承和支承座的剛度的綜合反映。它直接影響主軸組件的工作質(zhì)量。在加工精度方面，主軸前端彈性變形直接影響著工件的精度；在傳動質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動齒輪的嚙合狀況，并使軸承產(chǎn)生側(cè)邊壓力，從而使這些零件的磨損加劇，壽命縮短；在工作平穩(wěn)性方面，主軸組件的剛度不足，將使主軸在變 化的切削力和傳動力等作用下，產(chǎn)生過大的受迫振動，并容易引起切削自激振動，降低了工作的平穩(wěn)性。影響主軸組件剛度的因素很多，主要有 :主軸的結(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動件的布置方式、主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。 振性 主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)的能力。主軸組件的振動，影響被加工表面的質(zhì)量，限制機床的生產(chǎn)率；此外，還降低刀具耐用度和機床零件的壽命，發(fā)出噪聲，影響工作環(huán)境等。生產(chǎn)上常以對加工表面質(zhì)量、精度和生產(chǎn)率的影響來衡量主軸組件的抗振性。隨 著機床向高精度、高生產(chǎn)率方向發(fā)展，對抗震性要求越來越高 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 （ 1） 抵抗受迫振動的能力 主軸組件受迫振動的干擾力，主要包括由于主軸上旋轉(zhuǎn)零件的偏心質(zhì)量而產(chǎn)生的離心力，傳動件運動不均而產(chǎn)生的慣性力，以及斷續(xù)切削產(chǎn)生的周期性變化的切削力。由于這些干擾力，引起主軸并帶動刀具或工件一切振動，而在加工表面上留下振紋，使工件表面粗糙度提高。根據(jù)設(shè)計機床加工表面粗糙度要求，確定主軸前端的允許振幅，然后計算或測定主軸組件在各種動態(tài)干擾力的作用下，其前端的振幅，并與允許值比較，評價是否滿足要求。 粗略評價可根據(jù)機床應(yīng)達(dá)到的加工表 面粗糙度的參數(shù)值，查出相應(yīng)的表面不平度的高度考慮由工件和刀具相對振動產(chǎn)生的波紋深度為（ 1/2 1/3） 一般取 1/3 表面粗糙度較低時取 1/2，故在切削部位刀具與工件的允許相對振幅的單峰值 (1/4 1/6) 用數(shù)值見表 1 表 1 允許相對振幅 （ m） 加工方式 加工表面不平度允許相對振幅 磨削 精密 般 削 精密 般 10 單獨分析主軸組件時，只能求得主軸前端在切削部位的絕對振幅，它只能部分地反映刀具和工件之間的相對振幅。兩 者關(guān)系與激振頻率有關(guān)，目前主要由實驗來確定。此外，主軸組件的低階固有頻率與振型也是抗振性的評價指標(biāo)，一般來說，低階固有頻率應(yīng)高些，并遠(yuǎn)離激振頻率，主軸振型的節(jié)點應(yīng)靠近切削部位。 （ 2） 抵抗切削自激振動的能力 金屬切削加工時，雖然沒有外界動態(tài)干擾的作用，但由于機床 刀具彈性系統(tǒng)振動對切削過程的反饋作用，刀具與工件之間發(fā)生了周期性的強烈的相對振動，稱為切削自激振動，簡稱顫振。顫振將使加工表面質(zhì)量惡化，甚至使切削過程無法繼續(xù)下去，從而不得不降低切削用量來避免之，所以機床的切削用量極限往往不是由機床的功率所 決定，而是由加工時發(fā)生顫振的條件來決定。 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 機床切削穩(wěn)定性極限還可以由機床結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性來表示。 根據(jù)機床動力學(xué)理論知，在切削過程中可能發(fā)生各種自激振動，其中較易發(fā)生的是再生自振。產(chǎn)生自振的界限為 : m a x)(21 （ 1 式中：切削剛度，表示單位切削寬度下，單位切削厚度變化量所產(chǎn)生的動態(tài)切削力； U 機床 刀具系統(tǒng)在切削部位，以切削力方向的激振力為輸入，以刀具和工件之間在切削表面法線方向的相對振幅為輸出的交叉柔度 主軸組件是顫振的主振部分，因此在單獨分析主軸組件時，可以認(rèn)為主軸前端在切削部位激振點動柔度的最大負(fù)實部，反映了主軸組件抵抗切削自振的能力。即有（ 1可得交叉動柔度的允許值： a x)( 21 （ 1 升和熱變形 生了溫升。溫升使主軸組件的形狀和位置發(fā)生畸變，稱為熱變形。熱變形以主軸組件運轉(zhuǎn)一定時間后各部分位置的變化來度量。 控立式車床主軸組件溫升和熱變形，使機床個部件相對位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度機床尤為嚴(yán)重；熱變形造成主軸彎曲，使軸承的工作狀態(tài)變壞；還使主軸和軸承、軸承和支承座之間以調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承的正常工作，間隙過小將加速軸承的磨損，嚴(yán)重時甚至發(fā)生軸 承抱軸的現(xiàn)象。 使主軸組件產(chǎn)生溫?zé)?，熱變形的熱源主要是主軸支承中的軸承、潤滑油以及直接裝在主軸上的電動機。在溫室（ 020 C）條件下，主軸軸承允許的溫度可參考表 2，表中數(shù)值表示軸承外壁或臨近箱壁溫度值，當(dāng)溫度增加時，潤滑油粘度降低，軸承溫差減小，故室溫變化至 0t )20(20 （ 1 式中 室溫超過 020 20 30號機械油（ 20 30）厘斯 / 050 C）紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 =3 6號主軸油（ 3 5厘斯 / 050 C）， T K =滑脂的 2 主軸軸承允許的溫度（ 0 C） 機床精度等級 普通機床 精密機床 高精密機床 特高精密機床 軸承外圈 允許溫度 50 55 40 45 35 40 28 精度保持性 主軸組件的精度保持性是指長期地保持其原始制造精度的能力。為此， 式數(shù)控車床主軸組件中的各滑動表面，包括主軸軸頸和滑動軸承的配合面，滾動軸承的磨損不僅使主軸組件喪失原有的旋轉(zhuǎn)精度，而且將降低剛度和抗振性，因此必須保證這些表面的耐磨性和有調(diào)整間隙的可能。其影響因素主要有主軸、軸承的材料和熱處理，軸承的類型及潤滑方式。 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 第二章 主軸組件的結(jié)構(gòu)配置 軸組件的布局 為了能提高剛度和抗振性， 主軸組件采用三支承。 1 后軸承 2 中軸承 3 前軸承 4 端蓋 圖 2 主軸組件結(jié)構(gòu)簡圖 如 2 圖所示：由于結(jié)構(gòu)上的原因，主軸箱長度較大，主軸支承跨距也很大，故加中間支承是有利的。但由于制造工藝上的限制，要使箱體中的三 個主軸支承座孔中心完全一致是不可能的，為了保證主軸組件的剛度和旋轉(zhuǎn)精度，通常只有兩個支承起主要作用，另一個支承起輔助作用，即處在所謂“浮動”狀態(tài)。 輔助支承采用剛度和承載能力較小的軸承，并選用其外圈與支承座孔配合比主要支承松1 2 級 次設(shè)計時主要支承與輔助支承的軸承搭配是：以雙列圓柱滾子軸承為主要支承，以角接觸球軸承為輔助支承。 以前后支承為主要支承，則中支承座壁的厚度可以小些，箱體內(nèi)可有較大的空間。當(dāng)輔助支承遠(yuǎn)離主要支承時，對輔助支承座孔與主要支承座孔間的同軸度要求可以低些，相反，當(dāng)輔助 支承靠近主要支承時，則對同軸度的要求較高。 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 12 動件的布局 數(shù)控立式車床 軸采用皮帶傳動，通常，主軸前端受到切削力的作用，而主軸后端或中間受到皮帶傳動力的作用。在這些力的作用下，主軸產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，各支承受到壓力，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，合理布置這些傳動件和傳動力的方向，可以減小主軸的受力和變形，提高主軸組件的剛度和抗振性。 式數(shù)控車床的傳動皮帶安裝在主軸的尾部，可以防止皮帶沾油和便于皮帶的更換，為了改善主軸的受力變形情況，采用卸荷式結(jié)構(gòu)，即皮帶裝在獨立的支承上，借助彈性連接傳 動主軸，這樣，傳動力對主軸只產(chǎn)生扭矩而不產(chǎn)生彎矩，消除了傳動力所引起的主軸彎曲變形。 軸的設(shè)計 主軸的結(jié)構(gòu)主要取決于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位方法，同時還要考慮主軸加工和裝配的工藝性。一般在機床主軸上安裝較多的零件，為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設(shè)計成階梯軸，即軸徑從前軸徑起向后遞減，數(shù)控立式車床 用空心軸，可以提高主軸的剛度。 主軸組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：主軸的平均直徑 D（初選時用主軸 前軸頸的直徑 表示），主軸內(nèi)孔直徑 d，主軸前端部的懸伸量 a,以及主軸支承跨距 L。 （ 1）主軸直徑對主軸組件剛度的影響很大，直徑越大，主軸本身的變形和軸承變形引起的主軸前端位移就越小，即主軸組件的剛度越高。主軸前軸頸 根據(jù)傳遞功率確定，見表3 表 3 主軸前軸頸直徑 選擇 （ 機床 機 床 功 率 （千瓦） 床 6000510405020 230 主軸后軸頸直徑 關(guān)系和根據(jù)下列經(jīng)驗公式確定： 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 13 （ （ 2 （ 2）主軸內(nèi)孔直徑 d 由材料力學(xué)可知，剛度 ，它與直徑之間有下列關(guān)系： 44444 1)(164/64/) 實空實空 (2根據(jù)此式，可繪出主軸孔徑 d 對剛度的影響曲線，如圖 3 所示，由曲線可知， ，空心與實心截面的剛度很接近；當(dāng) =，空心主軸的剛度為實心主軸剛度的 90%，對剛度影響不大；當(dāng) 剛度急劇下降，故一般應(yīng)使 有式 = （ 2 得出主軸內(nèi)孔直徑 d=180 3 主軸內(nèi)孔直徑對剛 度的影響 (3)主軸前端懸伸量 a 的計算 主軸懸伸量 a 指主軸前支反力作用點到主軸前端受力作用點之間的距離。如圖 4 所示，它對主軸組件剛度的影響較大。在主軸前端有作用力 P=10000懸伸量為 1a 時， 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 14 主軸端部位移 y 為 20m ，則剛度為 001m 1 ；當(dāng)懸伸量為 2a （ 2a =1/2 1a ）時，主軸前端位移減至 則 5402 m 1 。這說明由于縮短懸伸量一半而使主軸組件剛度增加三倍多。因此，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡可能減少懸伸量 a ，以利于提高主軸組件的剛度。 有經(jīng)驗公式 a 可取 a =100圖 4 懸伸量對主軸剛度的影響 （ 4） 主軸支承跨距 L 主軸支承跨距 公式（ 2 4）可計算出， 0)1(6621113 2 式中： L 跨距 E 主軸材料的彈性模量，值約是 107 N/I 主軸截面平均慣性矩， I = 64/)44 （ 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 15 a 主軸懸伸量， 21, 前，后支承剛度。 代入數(shù)據(jù)得 L =420式數(shù)控車床主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點、耐磨性和熱處理變形大小等因素選擇。主軸的剛度與材料的彈性模量 的 以主軸材料首先考慮用鋼。因為鋼的 E 值與鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，因此在選擇時首先選擇價格便宜的中碳鋼，只有在載荷特別大和有較大的沖擊時，或者精密機床主軸需要減小熱處理變形時等等，才考慮選用合金鋼。 控車床采用滾動軸承，軸頸可不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，仍進(jìn)行高頻淬火。根據(jù)機床主軸常用的材料和熱處理要求查設(shè)計手冊可得：床主軸采用 45 ，調(diào)質(zhì)熱處理，硬度為 250。 動軸承 滾動軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、配置、精度、安裝、調(diào)整和潤滑等都直接影響主軸組件的工作性能。主軸的旋轉(zhuǎn)精度在很大成度上由其軸承決定，故主軸軸承應(yīng)具有：旋轉(zhuǎn)精度高、剛度大、承載能力強、抗振性好、速度性能高、摩擦功耗小、噪聲低和壽命長等特點。滾動軸承具備上述特點，因此數(shù)控立式車床 用滾動軸承，故這里主要介紹滾動軸承的 預(yù)緊 特點： 為了提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度 ， 增加軸承裝置的剛性，減小機器工 作時軸的振動 ， 式數(shù)控車床 的主軸軸承用預(yù)緊來提高其旋轉(zhuǎn)精度與軸向剛度。 所謂預(yù)緊，就是在安裝時用某種方法在軸承中產(chǎn)生并保持一軸向力，以消除軸承中的軸向游隙，并在滾動體和內(nèi)、外圈接觸處產(chǎn)生初變形。預(yù)緊后的軸承受到工作載荷時，其內(nèi)圈的徑向及軸向相對移動量要比未 預(yù) 緊的軸承大大地減 小。 常用的預(yù)緊裝置有： 圖 5 a）； 以得到穩(wěn)定的預(yù)緊力（下圖 5 b）；緊力可由兩套 筒 的長度差控制（下圖 5 c），這種裝置剛性較 大； 圖 5 d）；反裝時可磨窄內(nèi)圈并夾緊。這種特制的成對安裝角接觸球軸承，可由生產(chǎn)廠選配組合成套提供。在滾動軸承樣本中可以查到不同型號的成對安裝角接觸球軸承的輕、中、重三個系列預(yù)緊載荷值及相應(yīng)的內(nèi)圈或外圈的磨窄量。 根據(jù)上述各特點和軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，查滾動軸承手冊，選擇前軸承為 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 16 為 7060，后軸承為 軸承預(yù)緊量留 3m，后軸承預(yù)緊量留 0m 圖 5 軸承的預(yù)緊 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 17 第三章 主軸組件的計算 部分參數(shù)： 最大切削力： 14700N 主軸最大扭矩 : 2940N m 主電動功率： 15橫梁移動電動功率： 因此 , 軸承直徑的尺寸往往較大 , 根據(jù)這些軸承直徑尺寸所選定的滾動軸承 , 其疲勞壽命往往是較長的 , 因此常常不需要作疲勞壽命的計算 , 這類軸承的選擇主要取決于其精度和剛度。而主軸的軸向剛度完全取決于軸承的軸向剛度 , 下面主要對主軸組件的剛度進(jìn)行校核計算。 承的簡 化 先將主軸組件簡化為主軸組件計算模型 , 由于一對背對背角接觸球軸承只承受軸向力 , 故可將支承點簡化為雙列圓柱滾子軸承中心 , 見圖 6 圖 6 主軸組件計算模型 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 18 軸剛度計算 已知主軸前軸承 承內(nèi)徑 1D =300 后軸承 承內(nèi)徑 2D =280 跨距 l =420 主軸前端懸伸量 a =100主軸孔直徑80前軸承預(yù)緊量 r =3m, 后軸承預(yù)緊量 0,主軸前端加載 F =6000N , 則主軸的徑向剛度為 : K = /F = /F ( ) （ 3 式中 : s 主軸的前端撓度 , m; A 前軸承的彈性變形量 , m; B 后軸承的彈性變形量 , m。 算軸承支反力 前軸承支反力 1F 為 : )(1 （ 3 代入數(shù)據(jù)得： 1F =后軸承支反力 2F 為 : 2F = 1F - F （ 3 = 軸前端撓度的計算 主軸的當(dāng)量直徑為 : 2902/)( 21 （ 3 在軸端載荷 F 的作用下 , 主軸前端撓度 s可按下式計算 : s= a /30 ( 44) （ 3 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入計算得 : s= 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 19 承徑向彈性變形量計算 經(jīng)查表知軸承 動體列數(shù) 1i =2, 每列中的滾動體數(shù) 1Z =30, 滾動體有效長度1承 相關(guān)參數(shù)為 2i =2, 2Z =27, 2 (1) 前軸承徑向彈性變形量 A 的計算 前軸承為 預(yù)緊量 r =3m, 這時一個滾子的預(yù)載荷可由下式求得 : r = / ar （ 3 式中 : r 軸承預(yù)緊量 , m; 滾子所受預(yù)載荷 ,N; 滾動體有效長度 , 由式 (3可推算出 r 則 1 相當(dāng)于前軸承增加了附加載荷 5推算出 11i 1Z /5 (3= 則前軸承所受載荷 1F + (3= 前軸承的總彈性變形為 : a = (3= (5 i 1Z ) 扣除預(yù)緊量 3m, 實際總變形量為 A = 折合到主軸前軸承的彈性變形量 A 為 : A = A (l + a )/l = (3紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 20 (2) 后軸承徑向彈性變形量 B 計算 同理可算出主軸后軸承的彈性變形量 B = 故主軸組件的剛度 K 為 : K =F/( s + A + B ) (3= 從主軸單元樣本可以看出 , 同類型同尺寸軸承主軸單元的剛度值與計算基本吻合 , 軸承內(nèi)徑與剛度曲線見圖 7 圖 7 軸承內(nèi)徑和徑向剛度曲線圖 因此 , 可以說明 控車床主軸的剛度完全滿足設(shè)計要求。而該機床在使用中也完全能達(dá)到各項精度要求。 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 21 第四章 主軸組件的密封和潤滑 （ 1） 適應(yīng)主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的潤滑方式和工作溫度，在工作壓力和工作溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能，密封部位的摩擦力應(yīng)盡量小，磨損后能作一定程度的自動補償。 適應(yīng)軸承的工作環(huán)境、潤滑劑的腐蝕。 潤滑劑的選用原則 ： 為了獲得良好的潤滑效果，潤滑劑必須具備：較低的摩擦系數(shù)，良好的吸附能力以及滲入能力，以便能夠很好地滲入到摩擦副的微小間隙內(nèi)，牢固吸附在摩擦面上，形成具有一定強度的抗壓油膜。在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)軸承的類型、速度和工作負(fù)荷選擇潤滑劑的種類和潤滑方式，如果潤滑劑和潤滑方式選擇得合適，可以降低軸承的工作溫度并延長軸承的 使用壽命。 （ 2） 滾動軸承的潤滑 滾動軸承可以用潤滑脂或潤滑油來潤滑。試驗說明，在速度較低時，用潤滑脂比用潤滑油溫升低；速度較高時，用潤滑油較好。一般情況下，判斷的指標(biāo)是速度因數(shù) d n。 r/ 脂潤滑 脂潤滑可用于 d 不需要冷卻的場合。脂潤滑的結(jié)構(gòu)比較簡單，不存在漏油問題。使用潤滑脂進(jìn)行潤滑，潤滑脂的充填量不宜過多，不能把軸承填滿。否則將引起軸承發(fā)熱并把脂熔化流出，潤滑效果將適得其反。另外填充油脂時不要用手抹（因手上有汗，會腐蝕軸承），應(yīng)該用針筒注入， 使?jié)L道和每個滾動體都粘上脂。 油潤滑 油潤滑適用一切轉(zhuǎn)速，既可以起潤滑作用，又能起沖洗降溫作用。潤滑油的粘度是隨油溫的升高而降低的。為了保證滾動體與滾動道接觸面內(nèi)有足夠強度的油膜，應(yīng)使?jié)櫥驮谳S承工作溫度下的粘度為 12 23速越高，粘度應(yīng)越低 ， 負(fù)荷越重，粘度應(yīng)越高。如果軸系機械結(jié)構(gòu)中使用普通軸承，而且軸系運行速度不是很高，潤滑一般采用油浴方式；對于精度較高的設(shè)備，要求使用精密軸承，建議使用滴油或循環(huán)方式供油潤滑，因為采用這兩種潤滑方式，可以對潤滑油進(jìn)行更好的過濾，減少贓物進(jìn)入軸承，同時這兩種潤 滑方式可以使?jié)櫥统浞稚幔梢愿檬馆S承降溫。 通過以上兩種比較， （ 3） 密封結(jié)構(gòu) 機械系統(tǒng)中的密封結(jié)構(gòu)，對于油潤滑的軸承結(jié)構(gòu)來說，為的是防止?jié)櫥屯饴┖突覊m屑末切削液等進(jìn)入；對于脂潤滑的軸承結(jié)構(gòu)來說，由于脂不會外泄，主要是防止上述外物。脂潤滑的機械結(jié)構(gòu)對防止外物進(jìn)入的要求高些 ， 因此對于密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是考慮防漏和外物的侵入。 潤滑油的防漏主要靠疏導(dǎo)，同時也要設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)。由于角接觸軸承有泵油作用， 紙全套， Q 號交流 4013