機(jī)床主要部件設(shè)計(jì)

機(jī)床主要部件設(shè)計(jì)第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日本章講授內(nèi)容第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)第二節(jié)支承件設(shè)計(jì)第三節(jié)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)第四節(jié)滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu)簡介第三章機(jī)床主要部件設(shè)計(jì)第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)主軸組件包括主軸、支承軸承、傳動件、定位元件、密封件。

功用

支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削；承受切削力和驅(qū)動力，完成表面成形運(yùn)動。一、主軸組件應(yīng)滿足的基本要求基本要求旋轉(zhuǎn)精度剛度抗振性溫升和熱變性精度保持性第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日１.旋轉(zhuǎn)精度旋轉(zhuǎn)精度指主軸裝配后，在空載、低速轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，安裝刀具或工件的主軸部位的徑向跳動和軸向跳動。第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度直接影響工件的加工精度。旋轉(zhuǎn)精度取決于主軸、軸承、箱體孔的制造、裝配和調(diào)整精度。第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

剛度

指主軸組件在外載荷作用下抵抗變形的能力。2.剛度

剛度的量化以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時，在位移方向所施加的作用力大小來表示。當(dāng)主軸外伸端受徑向作用力F，主軸受力方向上的彈性位移為δ時，其剛度K

的表達(dá)式為第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日主軸主件的剛度不足直接影響零件的加工精度和機(jī)床的性能第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)（2）動剛度

主軸組件在交變載荷作用下抵抗變形的能力，表示為

Kd=Fd/δd。（1）靜剛度

主軸組件在靜載荷作用下抵抗變形的能力，表示為

Kj=Fj/δj。主軸組件的剛度受主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的類型、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，傳動件的布置方式，主軸組件的制造精度和裝配質(zhì)量等因素影響。第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)在切削過程中，主軸部件受到靜態(tài)力的作用，也受到?jīng)_擊力和交變力的作用而產(chǎn)生振動。沖擊力和交變力是由材料硬度不均勻、加工余量的變化、斷續(xù)切削、主軸部件不平衡、軸承或齒輪存在缺陷以及切削過程中的顫振等引起。

抗振性

是指機(jī)床在額定載荷切削時，主軸組件抵抗受迫振動和自激振動的能力。3.抗振性主軸振動直接影響工件的表面加工質(zhì)量和刀具的使用壽命，并產(chǎn)生噪聲。第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

熱變形

是主軸組件運(yùn)動時，各相對運(yùn)動處的摩擦，切削區(qū)的切削熱等使主軸組件的溫度升高，造成形狀、尺寸及位置變化。4.溫升和熱變形熱變形會引起軸承間隙變化，潤滑油粘度降低，影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日精度保持性影響機(jī)床使用壽命內(nèi)的加工精度和工作穩(wěn)定性。第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

精度保持性

指主軸組件長期保持其原始制造精度的能力。5.精度保持性

精度保持性決定于主軸組件的耐磨性能。影響耐磨性的因素有主軸、軸承的材料、熱處理方法、軸承類型及潤滑防護(hù)措施等。明確：主軸組件喪失原始制造精度的原因——磨損。如主軸軸承、主軸軸頸表面、裝夾工件或刀具的定位表面的磨損。第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)二、主軸滾動軸承

◆

滾動軸承能在轉(zhuǎn)速和載荷變化幅度很大的條件下穩(wěn)定工作。

◆

滾動軸承能在無間隙，甚至在預(yù)緊（有一定過盈量）的條件下工作。故滾動軸承的摩擦系數(shù)小，有利于減小發(fā)熱。1.滾動軸承的特點(diǎn)

◆

滾動軸承潤滑容易，可以用油脂，一次填裝可用到修理時再換脂。如用油潤滑，單位時間用油量也比滑動軸承少。

◆滾動軸承由軸承廠生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定，成本低，經(jīng)濟(jì)性好。滾動軸承的缺點(diǎn)：滾動軸承的滾動體數(shù)量有限，其徑向剛度是變化的，易引起振動，阻尼低，振幅較大。滾動軸承的徑向尺寸比滑動軸承大。第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

1）轉(zhuǎn)速較高，負(fù)載不大，而旋轉(zhuǎn)精度要求較高，采用球軸承。

2）轉(zhuǎn)速較低，負(fù)載大或有沖擊負(fù)載，采用滾子軸承。

3）徑向載荷和軸向載荷都較大時，如果轉(zhuǎn)速高，采用角接觸球軸承。如果轉(zhuǎn)速不高，采用圓錐滾子軸承。2.選擇滾動軸承選擇的基本原則

4）軸向載荷比徑向載荷大得多，但轉(zhuǎn)速較低時，采用兩種不同類型的軸承組合，分別承受軸向和徑向負(fù)載。

5）徑向載荷比軸向載荷大得多，且轉(zhuǎn)速較高，采用深溝球軸承。

6）支承剛度要求較高時，可采用成對角接觸型軸承。第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日

“背靠背組合”，使軸承的接觸線與軸線的交點(diǎn)間距大，抵抗彎曲變形的支反力矩大，支承剛度比“面對面組合”高，應(yīng)用廣泛。第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

3.角接觸球滾動軸承組合安裝

機(jī)床主軸常選用“背靠背組合”，為什么？第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)與鋼軸承相比具有：①高速下重量輕，作用在滾動體上的離心力較小，壓力和滑動摩擦??；②滾動體熱膨脹系數(shù)小，溫升較低，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中預(yù)緊力變化緩慢，運(yùn)動平穩(wěn)；③彈性模量大，軸承的剛度增大。

4.陶瓷滾動軸承

1）特點(diǎn)2）陶瓷軸承的應(yīng)用

①陶瓷鋼混制軸承其滾動體和外圈采用不同材料，運(yùn)轉(zhuǎn)時分子親合力很小，摩擦系數(shù)小，有一定的自潤滑性能，可在供油中斷的無潤滑時正常工作。適用于高速、超高速、精密機(jī)床的主軸組件。

②全陶瓷軸承適用于耐高溫、耐腐蝕、非磁性、電絕緣、要求減輕重量和超高速場合。第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)磁浮軸承是利用磁力來支承運(yùn)動部件，使其與固定部件脫離接觸來實(shí)現(xiàn)軸承功能。

①無機(jī)械磨損，運(yùn)轉(zhuǎn)無噪聲，溫度低，能耗??；不需要潤滑，不污染環(huán)境；能在超低溫、高溫、真空、蒸氣腐蝕性環(huán)境中正常工作。

②磁力軸承主軸可以自適應(yīng)控制，通過監(jiān)測定子線圈電流，靈敏地控制切削力，并可通過檢測切削力微小變化來控制機(jī)械運(yùn)動，加工精度高。特別適用于高速、超高速加工。

5.磁浮軸承（磁力軸承）磁浮軸承的特點(diǎn)：第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

主軸的結(jié)構(gòu)取決于主軸上安裝的刀具、夾具、工件、傳動件、軸承的類型、數(shù)量、位置和安裝定位方法。三、主軸

1.主軸的結(jié)構(gòu)

主軸前端形式取決于機(jī)床的類型和安裝夾具或刀具的形式。通用機(jī)床已有標(biāo)準(zhǔn)化的形式。

主軸整體結(jié)構(gòu)是空心階梯軸，外徑從前端到尾部逐漸減小。第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

（2）精密、大載荷、有沖擊的機(jī)床主軸

采用中碳或低碳合金鋼，如40Cr，20Cr。進(jìn)行高頻淬火或滲碳淬火，提高耐磨性，硬度52~65HRC。2.主軸的材料及熱處理主軸的選材依據(jù)：載荷類型、耐磨性、熱處理方法。（3）主軸材料的攻關(guān)點(diǎn)怎樣減小高速、高效、高精密機(jī)床主軸的熱變形、振動。已誕生的新型材料有玻璃陶瓷材料。

（1）普通機(jī)床主軸

采用45#或60#優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。在主軸支承軸頸及裝卡刀具的定位基面進(jìn)行局部高頻淬火，提高耐磨性，硬度為50~55HRC。第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

（1）滿足主軸旋轉(zhuǎn)精度要求

①

主軸前后軸承軸頸的同軸度，

②

錐孔相對于前后軸頸中心連接線的徑向跳動，

③定心軸頸及其定位軸肩相對于前后軸頸中心連線的徑向和軸向跳動等。

3.主軸的技術(shù)要求

（2）其它性能要求

表面粗糙度，表面硬度等。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)1.傳動方式

（1）齒輪傳動

輪齒的嚙合傳動，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；能傳遞較大的扭矩，適應(yīng)變轉(zhuǎn)速、變載荷工作。

不足：線速度需<12~15m/s，且不如帶傳動平穩(wěn)。（2）帶傳動

靠摩擦力傳遞動力。結(jié)構(gòu)簡單，皮帶有彈性可吸振，傳動平穩(wěn)，噪聲??；過載時打滑，具有過載保護(hù)作用。適用于中心距較大的兩軸間傳動。

不足：傳動速比不夠準(zhǔn)確。

四、主軸組件的傳動方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)齒輪傳動、帶傳動、同步齒形帶傳動、電動機(jī)直接驅(qū)動第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)（4）電動機(jī)直接驅(qū)動對于轉(zhuǎn)速小于3000r/min的主軸，采用異步電動機(jī)和聯(lián)軸器直接驅(qū)動主軸。如高速內(nèi)圓磨床的磨頭。

對于轉(zhuǎn)速小于8000r/min的軸，采用變頻調(diào)速電動機(jī)直接驅(qū)動。此傳動無相對滑動，傳動比大且準(zhǔn)確，傳動精度高；可傳遞較大動力，傳動平穩(wěn)；不需特別張緊，對軸和軸承壓力小，傳動效率高；不需潤滑，耐腐蝕，耐高溫。

不足：制造工藝復(fù)雜，安裝條件高。

（3）同步齒形帶傳動通過帶上的齒與帶輪上的輪齒傳遞傳動第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日三支承方式對三支承孔的同心度要求較高，制造裝配較復(fù)雜。要求“主”支承應(yīng)該消除間隙或預(yù)緊，“輔助”支承應(yīng)保留一定的徑向間隙或選用較大游隙的軸承。以免發(fā)生干涉，惡化主軸的工作性能，使空載功率大幅度上升和軸承溫升過高。第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)（1）主軸的支承數(shù)目

2）三個支承

①前、后支承為主要支承，中間支承為輔助支承；②前、中支承為主要支承，后支承為輔助支承。

1）前、后兩個支承結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，應(yīng)用廣泛。為提高剛度，前后支承應(yīng)消除間隙或預(yù)緊。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

①前端配置（前端定位）指推力軸承布置在前支承處。該配置在前支承處軸承較多，發(fā)熱大，溫升高，但主軸受熱后向后伸長，不影響軸向精度，精度高。用于軸向精度和剛度要求較高的高精度機(jī)床或數(shù)控機(jī)床。主軸軸向定位指為使主軸具有足夠的軸向剛度和軸向位置精度，推力軸承在主軸前后支承的配置形式。它影響主軸的剛度、熱變形方向和大小。（2）主軸軸向定位第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

②后端配置（后端定位）推力軸承布置在后支承處。主軸前支承處軸承較少，發(fā)熱少，溫升低；但主軸受熱后向前伸長，影響軸向精度。常用于軸向精度要求不高的普通機(jī)床，如立銑、多刀車床。

③兩端配置（兩端定位）推力軸承布置在前后兩個支承處。主軸受熱伸長后，影響主軸軸承的軸向間隙。故需采用彈簧消除間隙和補(bǔ)償熱變形。常用于較短主軸或軸向間隙變化不影響正常工作的機(jī)床。如組合機(jī)床主軸。第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

布置原則

應(yīng)使由傳動力引起的主軸彎曲變形小，引起主軸前端在影響加工精度的敏感方向上的位移小。

方法傳動件軸向布置盡量靠近前支承，有多個傳動件時，最大傳動件應(yīng)靠近前端。

傳動件在前支承內(nèi)側(cè)齒輪在兩支承中間靠近前支承。前支承直徑大，剛度高，大齒輪靠前可減少主軸的彎曲變形，而且轉(zhuǎn)矩傳遞長度短，扭轉(zhuǎn)變形小，使用最普遍。（3）傳動件的軸向布置第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)主軸組件設(shè)計(jì)

傳動件在前支承外側(cè)齒輪在主軸的前懸伸端，用于具有大轉(zhuǎn)盤的機(jī)床，如:立式車床、鏜床。

傳動件在后支承外側(cè)

傳動件放在主軸的后懸伸端，使前后支承獲得較好的支承跨距。多用