機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)第3章

主軸組件設(shè)計(jì)

3.1主軸組件的基本要求

3.2主軸軸承的選擇與配置

3.3主軸

3.4主軸組件的計(jì)算

3.5提高主軸組件性能的措施

3.1主軸組件的基本要求

旋轉(zhuǎn)精度

靜剛度

抗振性

熱變形

耐磨性

1．旋轉(zhuǎn)精度

主軸的旋轉(zhuǎn)中心線:主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)線速度為零的點(diǎn)的連線稱。在理想狀態(tài)下，該線即為主軸的幾何中心線，其位置是不隨時(shí)間而變化的。旋轉(zhuǎn)誤差:

由于制造和裝配等誤差的影響，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，該線的空間位置每時(shí)每刻都在發(fā)生著變化。瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心線相對于理想旋轉(zhuǎn)中心線在空間位置上的偏差，即主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的瞬時(shí)誤差（旋轉(zhuǎn)誤差）,其范圍就為主軸的旋轉(zhuǎn)精度.1．旋轉(zhuǎn)精度

主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度:是指專機(jī)在空載低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在主軸前端定位面上測得的徑向圓跳動(dòng)、端面圓跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)值的大小。

動(dòng)態(tài)的旋轉(zhuǎn)精度:

主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度是在靜態(tài)無載條件下測出的。如果在工作條件下，則旋轉(zhuǎn)精度就會(huì)有所不同，這種精度稱為運(yùn)動(dòng)精度。

影響主軸組件旋轉(zhuǎn)精度的因素軸承精度和間隙

與軸承相配合零件（箱體、主軸本身）的精度

軸承安裝、調(diào)整

運(yùn)動(dòng)精度主軸轉(zhuǎn)速

軸承組合設(shè)計(jì)

軸承的性能

2.靜剛度

靜剛度簡稱為剛度。

定義：主軸組件的剛度是指在外加載荷作用下抵抗變形的能力。指在主軸工作端部作用一個(gè)靜態(tài)力F（或扭矩M）時(shí)，F(xiàn)與主軸在F作用方向上所產(chǎn)生的變形y之比根據(jù)作用力：徑向剛度軸向剛度扭轉(zhuǎn)剛度對于大多數(shù)專機(jī)來說，主軸的徑向剛度是主要的。

影響主軸組件剛度的主要因素

主軸的結(jié)構(gòu)型式及尺寸

軸承的類型、配置及預(yù)緊

傳動(dòng)件的布置方式

主軸組件的制造與裝配質(zhì)量

3．抗振性主軸組件的抗振性：指機(jī)器工作時(shí)主軸組件抵抗振動(dòng)、保持主軸平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。

主軸組件的振動(dòng)的影響：工件的表面質(zhì)量刀具的耐用度主軸軸承的壽命還會(huì)產(chǎn)生噪聲而影響工作環(huán)境。

4．熱變形主軸組件的熱變形：是指機(jī)器工作時(shí)，因各相對運(yùn)動(dòng)處的摩擦和攪油等耗損而發(fā)熱造成的溫差，使主軸組件在形狀和位置上產(chǎn)生的畸變。

主軸組件的熱變形的影響：使主軸伸長使軸承的間隙發(fā)生變化軸心位置偏移等潤滑油溫度升高后，使黏度下降，從而降低軸承的承載能力。

影響主軸組件溫升和熱變形的主要因素

軸承的類型、配置方式和預(yù)緊力的大小

潤滑方式

散熱條件

一般規(guī)定，使用滑動(dòng)軸承時(shí)，主軸軸承溫度不得超過60℃，對于高精度機(jī)床不得超過室溫10℃。滾動(dòng)軸承的允許溫度可參閱表3．1(在室溫為20℃的條件下）。

5．耐磨性

主軸組件的耐磨性：是指長期地保持其原始制造精度的能力，即精度的保持性。

滑動(dòng)和滾動(dòng)軸承的磨損的影響：使主軸組件喪失了原有的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，而且將降低剛度和抗振性，因此必須保證這些部分的耐磨性和具有調(diào)整的可能性。

影響耐磨性的主要因素

主軸、軸承的材料與熱處理

軸承（或襯套）類型

潤滑方式

3.2主軸軸承的選擇與配置

3.2.1主軸滾動(dòng)軸承的類型

3.2.2主軸滾動(dòng)軸承的配置型式

3.2.3滾動(dòng)軸承的剛度確定

3.2.4滾動(dòng)軸承間隙的調(diào)整和預(yù)緊

3.2.2主軸滾動(dòng)軸承的配置型式主軸軸承的選擇和配置取決于承受載荷的大小、方向及其性質(zhì)，轉(zhuǎn)速大小，精度高低等因素。

承載能力和疲勞壽命不是選擇主軸軸承的主要依據(jù)。

3.2.2主軸滾動(dòng)軸承的配置型式載荷較大轉(zhuǎn)速較高時(shí)，采用雙列圓柱滾子軸承和接觸角為60°的雙向推力角接觸球軸承組合

轉(zhuǎn)速為中、低速時(shí)，采用雙列圓柱滾子軸承和深溝球軸承或圓錐滾子軸承的組合

3.2.2主軸滾動(dòng)軸承的配置型式載荷中等轉(zhuǎn)速較高時(shí)，采用雙列圓柱滾子軸承和角接觸球軸承的組合或采用前后支承都是角接觸球軸承的組合

轉(zhuǎn)速為中、低速時(shí)，可采用兩個(gè)圓錐滾子軸承做前后支承軸承3.2.2主軸滾動(dòng)軸承的配置型式載荷較小轉(zhuǎn)速較高時(shí)，可采用前后支承都是單列角接觸球軸承的組合，如果要提高軸向剛度可每個(gè)支承并列兩個(gè)軸承

轉(zhuǎn)速為中、低速時(shí)，可采用深溝球軸承和推力球軸承的組合3.2.3滾動(dòng)軸承的剛度確定滾動(dòng)軸承的剛度一般是指徑向剛度。

徑向剛度:軸承的徑向載荷與徑向位移之比值。

徑向位移包括軸承本身的彈性位移和軸承環(huán)與主軸軸頸及箱體孔的配合表面間的接觸變形。

3.2.4滾動(dòng)軸承間隙的調(diào)整和預(yù)緊滾動(dòng)軸承具有合適的間隙或過盈量。因此，主軸組件中應(yīng)設(shè)有間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以保證主軸軸承保持合理的間隙或過盈量。

主軸軸承在裝配時(shí)要進(jìn)行預(yù)緊、調(diào)整間隙的必要性要求：力求調(diào)整方便、可靠。

常見的滾動(dòng)軸承間隙調(diào)整的結(jié)構(gòu)：

1.對于帶錐孔的雙列圓柱滾子軸承（NN3000K)移動(dòng)軸承內(nèi)圈使內(nèi)圈產(chǎn)生徑向彈性變形來調(diào)整軸承的間隙或過盈量。

2.對于角接觸軸承

通過使其內(nèi)、外圈產(chǎn)生相對位移來實(shí)現(xiàn)間隙調(diào)整的。

3.3主軸3.3.1主軸的結(jié)構(gòu)

3.3.2主軸的技術(shù)要求

3.3.1主軸的結(jié)構(gòu)

在一般情況下，軸的設(shè)計(jì)取決于剛度，而不是其機(jī)械強(qiáng)度。主軸的構(gòu)造和形狀如何確定？

對于通用機(jī)床主軸端部的形狀和尺寸已標(biāo)準(zhǔn)化，可參見“金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)手冊”得出。

3.3.2主軸的技術(shù)要求主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。保證錐孔中心和軸頸中心的同軸度，工藝基準(zhǔn)如何選擇？具體的技術(shù)要求可參閱有關(guān)的主軸組件而確定。

3.4主軸組件的計(jì)算3.4.1主軸組件計(jì)算時(shí)支承的簡化

3.4.2主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

3.4.3傳動(dòng)件的布置

3.4.4主軸組件的兩支承的最佳跨距的計(jì)算

3.4.5主軸組件采用三支承的跨距的確定

3.4.6主軸組件的剛度校核

3.4.1主軸組件計(jì)算時(shí)支承的簡化深溝球軸承、單列或雙列圓柱滾子軸承，簡化后的支承點(diǎn)在軸承中部。圓錐滾子軸承或角接觸球軸承，則支承點(diǎn)在接觸線與軸線交點(diǎn)處，如圖3.9b,c。這類軸承應(yīng)使大口朝外，以使主軸前端的懸伸量減少。3.4.1主軸組件計(jì)算時(shí)支承的簡化如一支承上安裝兩個(gè)軸承時(shí)，對于角接觸軸承采用反裝法可以提高其支承剛度，而支承點(diǎn)應(yīng)在前端軸承的接觸線與軸線交點(diǎn)處，如圖3.9d所示。

對于接觸角為0o的向心軸承，則支承點(diǎn)在前端一個(gè)軸承中部，如圖3.9e所示。其理由為預(yù)緊發(fā)生在前面一列滾子（或滾珠）與后軸承之間。

3.4.1主軸組件計(jì)算時(shí)支承的簡化如三聯(lián)角接觸球軸承，前兩軸承為同向組合，接觸線朝前（大口朝外），后軸承與之背靠背（反裝）支承點(diǎn)應(yīng)在前面第一個(gè)軸承的接觸線與軸線交點(diǎn)處3.4.2主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括主軸前后支承軸頸D1,D2

、主軸內(nèi)孔直徑d(指空心主軸）、前端的懸伸量a主軸的支承跨距L

1．主軸直徑的確定

根據(jù)材料力學(xué)可知，主軸的剛度與其慣性矩成正比，而慣性矩與軸的直徑的4次方成正比。主軸直徑D1或D2應(yīng)在合理范圍內(nèi)盡量選大些，以滿足剛度的要求，并兼顧結(jié)構(gòu)緊湊。

為便于安裝傳動(dòng)件及支承件，主軸通常為階梯形，各段直徑向尾端逐漸減小。2.主軸內(nèi)孔直徑d的確定

對于空心主軸，內(nèi)孔直徑d的大小，應(yīng)在滿足主軸的剛度前提下盡量取大值。

3.主軸前端部懸伸量的確定

主軸前端懸伸量a是指主軸前支承徑向支反力作用點(diǎn)到前端受力作用點(diǎn)之間的距離。

縮短懸伸量a可以明顯地提高主軸組件的剛度和抗振性。

設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下應(yīng)盡可能取小值，以提高主軸的剛度。

3.4.3傳動(dòng)件的布置主軸組件一般都由帶或齒輪來傳動(dòng)。主軸前端受到工作載荷（力或扭矩）的作用主軸中間或后端受到齒輪或帶傳動(dòng)的力的作用。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，合理地布置這些傳動(dòng)件的位置和傳動(dòng)力的方向，可以減少主軸的受力和變形，提高主軸組件的剛度和抗振性。主軸組件的剛度還與支承跨距L有關(guān)。

1．傳動(dòng)件的位置

帶傳動(dòng)裝置多半裝在后軸承的外側(cè)，以防止膠帶沾油和便于膠帶更換。主軸上的傳動(dòng)齒輪一般安裝在各主軸支承之間。為了減少主軸的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，應(yīng)盡可能縮短主軸受扭部分的長度，即將齒輪安置在靠近主軸前支承處。當(dāng)主軸上的傳動(dòng)齒輪有兩個(gè)時(shí)，應(yīng)使傳遞扭矩大的那個(gè)齒輪更靠近前支承。

2.傳動(dòng)力的位置和方向

先假定工作載荷F與傳動(dòng)力FQ作用在同一平面內(nèi)，這樣主軸端部上引起的撓度為最大，是一種最差的狀態(tài)。

主軸受力變形時(shí)，其端部的撓度和支承上受力的大小與作用在主軸上的傳動(dòng)力的位置和方向有關(guān)

1）如圖3.10a所示，帶輪安裝在主軸后軸承外側(cè)，F(xiàn)Q與F同向，不能使作用力F和傳動(dòng)力FQ所引起的主軸前端變形部分地相互抵消。2）當(dāng)作用力F和傳動(dòng)力FQ均作用在主軸前端，二者方向相反時(shí)，能使引起的主軸前端變形部分地抵消。前支承支反力也較小，主軸受扭長度也較短但是傳動(dòng)件需要安裝在前支承外側(cè)，增加了主軸的懸伸長度，結(jié)構(gòu)上也較復(fù)雜。

3）大多數(shù)機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床均采用這種布局。圖c所示的F與FQ的方向相同，能使引起的主軸前端變形抵消一部分。圖d所示的F與FQ的方向相反，則主軸前端的變形較大，而前軸承受力卻較小。3.4.5主軸組件采用三支承的跨距的確定大多數(shù)的主軸組件采用前后兩支承。如果前后軸承間距太大（L遠(yuǎn)大于L0），可以加第三支承以提高剛度而成為三支承主軸組件。

三支承主軸有兩種情況：前、后支承為主，中間支承為輔；前、中支承為主，后支承為輔。3.4.5主軸組件采用三支承的跨距的確定在三支承中，“主”支承應(yīng)消除間隙或預(yù)緊，“輔”支承則應(yīng)保留游隙以至選用較大的游隙，且不能預(yù)緊，決不能三個(gè)軸承都預(yù)緊，否則會(huì)發(fā)生干涉。

在一般情況下，前支承必須為主支承，否則會(huì)影響到主軸前端的旋轉(zhuǎn)精度。

“主”支承既可用圓柱滾子軸承，也可用圓錐滾子軸承。“輔”支承通常用深溝球軸承或圓柱滾子軸承。

3.4.6主軸組件的剛度校核對一般設(shè)備中的主軸，主要進(jìn)行剛度驗(yàn)算。通常，如果能滿足剛度要求，也就能滿足強(qiáng)度要求。只有對重載荷（如粗加工）的主軸才需進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算；對于高速主軸，有時(shí)需要進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算，以防發(fā)生共振。

3.5提高主軸組件性能的措施

3.5.1徑向圓跳動(dòng)量的測定

3.5.2滾動(dòng)軸承的定向誤差裝配

3.