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立式数控铣床主轴部件的设计

2022-07-27 作者:火狐体育官网   来源:火狐体育官方网站app

  主轴组件的设计  主轴组件主要包括:主轴、主轴支撑和 安装在主轴上的传动件、密封件等  因为主轴带动工件或刀具直接参加工件 表面形成运动,所以它的工作性能对加工 质量和生产率产生直接影响,是机床最重 要的部件之一。

  主轴组件的回转精度,是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动 时,线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中 心线的空间位置,每一瞬间都是变化的。这些瞬间回转中心线 的平均空单位转移不为理想回转中心线,理想回转中心线在空间 位置的距离,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。纯向误差、角度误差和轴向误差,它们很 少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在构成径向跳动, 而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。

  主轴组件的刚度是指受外力作用时,主轴组件抵抗变 形的能力。通常以主轴前端产生单位位移时,在位移 方向上所施加的作用力大小来表示。主轴组件的刚度 越大,主轴受力的变形就越小。主轴组件的刚度不足, 在切削力及其他力的作用下,主轴将产生较大的弹性 变形,不仅影响工件的加工质量,还会破坏齿轮、轴 承的正常工作条件,使其加快磨损,降低精度。主轴 部件的刚度与主轴结构尺寸、支撑跨距、所选轴承类 型及配置形势、砂间隙的调整、主轴上传动元件的位 置等有关

  主轴组件的抗振性是指切削加工时,主轴保持平稳的 运转而不发生振动的能力。主轴组件抗振性及在必要时 安装阻尼(消振)器。另外,使主轴固有频率远远大于激 振力的频率。

  主轴组件在运转中,温升过高会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有变化,直接影响加工精度; 其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破 坏正常润滑条件,影响轴承的正常工作。严重时甚至会发 生:“抱轴”。

   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都有很大的影响。 (1)材料的选择: 刚性好,承载能力大,耐磨性好,加工性能好, 热处理变形小,价格便宜。 常用:结构钢,15#,20#,45#。 合金钢,20Cr, 40Cr, 50Mn, 65Mn. 球墨铸铁也开始应用. (2)热处理方法:滑动轴承支承,前端定位表面,淬硬HRC50~55; 低碳钢:渗碳淬火; 合金可以化学处理。  主轴的主要尺寸参数包括:主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距 。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、结构工艺性和 主轴组件的工艺适应范围。

  主轴组件必须有足够的耐磨性,以便长期保持精度。 主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式 主轴的工作部位。为了提高耐磨性,主轴的上述部位应该 淬硬,或者经过氮化处理,以提高硬度增加耐磨性。主轴 轴承也需要有良好的润滑,提高其耐磨性。 同时,主轴结构要保证部件定位可靠,工艺性能好等要 求。

  主轴前、后轴颈D1和D2,主轴内孔直径d,主 轴前端悬伸量a和主轴主要支撑间的跨距L。这些 参数直接影响主轴旋转精度和主轴的刚度。

  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。轴承的 直径越大,同等级精度轴承的公差值也越大,要保证主轴的旋转精度就越困难。同时 极限转数下降。实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主 轴的刚度越高,工艺性能也越好。一般前后端轴颈:D2≈(0.7-0.85)D1

  n j 时,可按扭转刚度估算最小轴径,即: 当数值上p≤ p d  114 nj 式中:d—主轴的最小直径(cm) P—主轴传递的功率(kw),已给出P=5.4kw n—主轴的计算转速 (r/min),已给出=160r/min j 代人数值得:d≥4.4cm 取主轴的最小直径=45mm,最小直径本应该是后轴颈,但是考虑到轴承的轴向 固定采用锁紧螺母,应留锁紧螺母的位置。考虑到轴上装轴承,有配合要求 ,应将后轴颈的直径圆整到标准直径,同时要考虑到选择轴承的类型,因此 选择后轴颈的直径=50,

  主轴内孔直径与机床的类型有关,确定孔径的原则是:为减轻主轴重量,在满足上述工 艺要求及不削弱主轴刚度的前提下,尽量取较大值,孔径d对主轴刚度的影响是通过抗 弯截面惯性矩而体现的,即主轴本身的刚度正比于抗弯截面惯性矩,其关系式为

  D—主轴平均直径 d—主轴平均孔径 K空—直径为D实心主轴刚度 , K实 —直径为D,孔径为d的空心轴的刚度。

  由图4-1知:当d/D≤0.5时,内孔d对主轴刚度几乎无影响, 通常取孔径d的极限值<0.7D。此时I空>0.75I实,即刚度消 弱量小于25%,若孔径再大主轴刚度急剧下降,一般铣床主轴孔 径d可比刀具拉杆直径大5~10mm。

   主轴悬伸量(又称悬伸长度)是指主轴前端至前支承点的 距离,它的大小对主轴组件的刚度和抗振性有显著影响。 悬伸量小,轴端位移就小,刚度得到提高。

   主轴悬伸量的大小往往受结构限制,主要取决于主轴端部 的结构型式及尺寸、刀具或夹具的安装方式、前轴承的类 型及配置、润滑与密封装置的结构尺寸等。

   主轴前后支承跨距(简称支距)L对主轴组件的刚度、抗 振性和旋转精度等有较大的影响。

  支承跨距过小,主轴的弯曲变形固然较小,但因支承 变形引起主轴前轴端的位移量增大;反之,支承跨距过大 ,支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了,但主轴 的弯曲变形增大,也会引起主轴前端较大的位移。因此存 在一个最佳跨距L0,在该跨距时,因主轴弯曲变形和支承 变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。 一般取L0=(2~3.5)a, 本文所设计的主轴暂取L=2.5a=360,但是实际结构设 计时,由于结构上的原因,以及支承刚度因磨损会不断降 低,主轴主要支承间的实际跨距L往往大于最佳跨距。

  主轴⑫前支承采用 双列向心短圆柱滚子 轴承,承受径向载荷, 轴承间隙的调整靠修 磨半环①及调整螺母 ⑬实现。后支承采用 一对向心推力球轴承, 承受径向和轴向载荷, 使主轴轴向定位。轴 承间隙靠修磨隔套⑯ 来调整,旋紧螺钉经 法兰(24)推动轴承 外环,使轴承产生一 定的 预紧力。

  主电机传来的运 动由齿轮⑭经双键, 套筒(23)和双键 带动主轴转动。齿 轮⑭安装在套筒 (23)上,而且套 筒(23)由一对向 心球轴承支承在箱 体上,使主轴得到 卸荷(即主轴只传 递扭矩),这样减 少了主轴变形,提 高了主轴工作性能。

  整个主轴部件装在长 套筒中,转动手轮经过 锥齿轮,使丝杠转动, 通过螺母⑪带动套筒 (23)作轴向调整,调 整后将套筒(23)夹紧。 主轴前端采用迷宫式 密封装置,主轴轴承由 针阀供油得到润滑

  适应刚度和承载能力的要求: 主轴轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。径向承载较大时,可选 用滚子轴承;较小时,可选用球轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力, 比单列大。同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力,比采用单个轴 承的大。一般说来,前支承的刚度应比后支承大。因为前支承刚度对主轴组 件刚度的影响要比后支承大。 适应精度的要求: 起止推作用的轴承的布置有三种方式:前端定位——止推轴承集中布置 在前支承;后端定位——集中布置在后支承;两端定位——分别布置在前、 后支承。 采用前端定位时,主轴受热变形向后延伸,不影响轴向定位精度,但前 支承结构复杂,调整轴承间隙较不方便,前支承处发热量较大;后端定位的 特点与前述的相反;两端定位时,主轴受热伸长后,轴承轴向间隙的改变较 大,若止推轴承布置在径向轴承内侧,主轴可能因膨胀而弯曲。

  主轴支承是指主轴轴承、支承座及其他相关零件的组合体,其中核心元件 是轴承。因此把采用滚动轴承的主轴支承称为主轴滚动支承;把采用滑动轴承 的称为主轴滑动支承。 主轴滚动支承的主要设计内容是:滚动轴承类型的选择,轴承的配置,轴 承的精度及其选配,轴承的间隙调整,支承座的结构,轴承的配合及其配合零 件的精度,轴承的润滑与密封等。

  主轴较粗,主轴轴承的直径较大。相对地说,轴承的负载较轻。因此,一般 情况下,承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要指标。主轴轴承,应根 据精度、刚度和转速选择。

  这种轴承承载力大,静刚度好,允许的 转速高等优点,并能够调整轴承的径向间 隙,内孔有 1∶12 锥度,摩擦系数小,温 升低,但不能承载轴向力,必须和能够承 载轴向力的轴承配合使用,因此整个组件 的支承结构比较复杂。

  2.圆锥滚子轴承 这种轴承承载能力大,同时可 承载轴向力和径向力,结构比较简 单,但允许的极限转速低,温升较 大。普通单列圆锥滚子轴承(7000 型),能同时承受径向和轴向载荷 ,承载能力和刚度较高,价格便宜 ,支承简单,间隙调整方便。可用 于中速、中载、一般精度的主轴组 件。通双列圆锥滚子轴承( 2697100型)能够同时承受径向载 荷和双向轴向载荷,承载能力、刚 度及抗振能力较高,适用于中速、 径向载荷大,轴向载荷中等、一般 精度的机床主轴组件。

  与双列圆柱滚子轴承配套使用承受轴向力的承主要有 3 种: (1)双向推力角接触球轴承。

  这是新型轴承,在近新设计生产的机床上广泛 采用。 这种轴承具有承受双向轴向负荷、精度 高、刚度好、温升低、转速高、装拆方便等优 点,是当代主轴轴承的新型结构,特别适用于 与双列圆柱滚子轴承组配,应用在机床主轴上, 但这种轴承不承受径向力。

  有 3 种:α=15°、25°、60°,常用的是前两 种。 这种轴承特点是:允许极限转速高、运转 平稳、低摩擦、精度高,但承载能力较低些。 X6132、 X5032 型升降台铣床就采用这种轴承与圆柱滚 子轴承组配使用的, 实践证明这种组配完全可 以满足要求,且较为经济。

  XK5040立式铣床就是用的双列圆柱滚 子轴承、双向推力角接触球轴承及角接 触球轴承

  二、轴承配置 轴承配置是根据机床用途、主轴的工作条件(载荷大小及方向、 转速等)以及所要求的工作性能来确定的。 对于铣床主轴轴承,主张采用两支点配置,两支点结构简单、制 造方便、经济效果好,但要求主轴单件应有足够的刚度。三支点主轴 工艺性差, 三孔同轴度很难保证,主轴温升也高,在刚度允许的情 况下尽可能不采用三支点结构。如果主轴刚度不足可采用两支点为主 要支承,第三点为辅助支承,辅助支承可放在中间或后边,采用这种 结构要求有较大的游隙,一般在 0.03~0.07 之间,只有当载荷较大 主轴产生弯曲时辅助支承才起作用,这样可以弥补主轴刚度不足,也 可以减少温升。

  立式铣床采用两支承主轴组件,在每个支承处都要有径向轴承。前支承的 径向轴承对主轴组件的性能影响重大,故首先应选定前支承的径向轴承。后支 承的径向轴承,一般因载荷较小且对于主轴组件性能的影响较小,可选用较前 轴承刚度、抗振性及精度略低的轴承匹配使用。但需注意的是,匹配使用的轴 承都必须适应主轴转速的要求。

  2.推力轴承配置 机床主轴一般承受两个方向的轴向载荷,需要两个相应的推力(止推)轴承 匹配使用。推力轴承的布置方式或称主轴组件的轴向定位方式。立式铣床采用 的是最简单的前端定位。

  前端定位结构其特点: (1)主轴受热变形,向后伸长(热位移), 不影响主轴前端的轴向精度。 (2)主轴切削力受压段短,纵向稳定性好。 (3)前支承的角刚度高,角阻尼大,因此 主轴组件的刚度高和抗振性好。 (4)前支承的结构较复杂,温升较高。

  适用范围:对轴向精度和刚度要求较高的高速、精密机床主轴(如精密车床、镗床、 坐标镗床等)及对抗振性要求较高的普通机床主轴(如卧式车床、多刀车床、铣床 等)。

  后端定位结构其特点: (1)前支承的结构简单、温升较小; (2)主轴受热向前伸长,影响主轴的轴向精度; (3)刚度及抗振性较差。

  适用范围:不宜用于精密、抗振性要求高的机床, 可用于要求不高的中速、普通精度机床的主轴 (卧式车床、多刀车床、立式铣床等)。

  3.同一支承中多轴承布置 同一支承中具有两个(或更多)同时承受径向、轴向载荷的角接触 轴承时,其布置方式有三种如图所示。 1)背向(背靠背)布置 两个轴承外圈的宽边相对, 可提高主轴组件的刚度。 2)面向(面对面)布置 两个轴承外圈的窄边相对,因两轴承 产生的反力矩很小,故主轴刚度提高不大。 3)串联布置 两个(或更多)轴承外圈的宽窄边方向 相同,可承受较大的轴向载荷。

  XKFA714数控仿形铣床机械仿形选用的就是单列 圆锥滚子轴承背对背组合。

  三、 主轴滚动轴承精度及其选配 1.主轴滚动轴承精度 机床主轴滚动轴承一般要求有较高的精度,可采用B、C、D、E 四级,一 般不用G 级轴承。国家新标准用P2、P4、P5 等表示,可参阅新标准。 主轴的前后轴承的精度选择对主轴精度影响很大,一般前轴承精度比后 轴承精度高一级,影响主轴精度主要是前轴承的精度。 主轴滚动轴承精度的选择应注意:

  1)首先选择主轴前支承的径向轴承(简称前轴承)精度,其精度等级应与 机床精度相适应,即精度较高的机床选用较高精度的轴承,反之亦然。

  普通精度的立式铣床主轴前轴承应选 C 或 D,但 C 级轴承造价 较高,一般选 D 级就可以了,后轴承一般选 D 或 E 级。精密、高 精密的立式铣床前轴承应选 B 或 C 级,后轴承应选 C 或 D 级。 选择轴承时既要考虑机床的精度要求,又要考虑经济性,各级精 度轴承的价格比如表 1 所示。

  2.主轴滚动轴承选配 1)前轴承选配 主轴在前支承处的径向跳动对其端部的旋转精度影响最大。因此首先应采 用轴承选配法来减小前支承处的径向跳动。 采用合理的轴承选配法,可在制造精度并非很高的情况下,也能使主轴组 件获得较高的旋转精度。

  对主轴组件前轴承选配之后再对后轴承选配,还可进一步提高主轴组件的 旋转精度。

  综上所述,为了提高主轴组件的旋转精度,采用轴承选配法的几点结论是: (1)首先对前轴承进行选配(高点导向),使其偏心量δ A为最小。 (2)然后再对后轴承进行选配,使前、后支承处的最大跳动点位于同一轴向 平面内,且在轴线)后轴承的精度比前轴承低一级,采用选配法有利于提高主轴组件的旋转 精度。

  对于立式铣床轴承与轴和轴承与箱体孔之间的配合,一般都选过渡配 合,应采用比一般传动轴松一些的配合,采用j5、js5、j6、js6 比较合 适,另外,轴承的内外环都是薄壁件,轴和孔的形状误差都会反映到轴 承上去。 如配合精度选得过低,会降低轴承的回转精度,所以轴和孔的 精度应与轴承精度相匹配。

  为提高主轴回转精度和刚度,在设计主轴组件时必须设有主轴 间隙调整结构,铣床主轴轴承间隙一般应调到合适的负间隙 (过盈

  命、噪音和抗振性也可得到改善。 调整时应注意负载不能过大, 过大的预负载对提高刚度没有明显效果,而磨损发热量和噪音都会 增大,轴承寿命将因此而降低。双列圆柱滚子轴承内圈相对外圈可 以沿轴向移动,当内圈向大端沿轴向移动时,由于轴承内锥孔有 1:12 锥度将内圈胀大,因而会消除滚子与内外环之间的间隙。

  表3 轴承铣床主轴的典型结构及调整 调 整 结 构 形 式 调 整 说 明

  转动调整螺母,使 内圈向大端移动, 根据经 验 判 断 转 动 的 松紧 程 度 , 修 磨 半 环垫,然后 用螺钉将两个半环 紧固。 转动调整螺母, 使内 圈 向 大 端 移 动 ,根据经验判断 松紧程度, 合适即 可转动。 靠事先实验确定 调整量(轴向移动 量),把 两 个 半 圆 环 1 磨到合适厚 度,装好后套上护 圈 2,拧紧螺丝。 轴承两端均布螺 母,可在两个方向 移 动 内 圈 (紧 或 松), 便于控制调 整量。

  五、主轴的润滑和密封 轴承的润滑对主轴组件的工作性能和轴承寿命有密切关系。 作用:降低摩擦,减轻磨损,减少功率消耗;还能带走热量,降 低温升;增大阻尼,提高抗振性;防止腐蚀等。

  脂润滑 适用于轴承的速度、温度较低且不需要冷却的场合。如果密 封效果好,能够避免润滑油、冷却液及其他杂质混入润滑脂中, 则轴承中的润滑脂可长期使用,拆修前不需要补充或更换。 润滑脂不要把轴承空间填满,以免发热过高,并引起润滑脂 熔化外流,通常充填量约为轴承空间的1/3。 主轴滚动轴承密封 用脂润滑的主轴,密封主要是防止外界异物进入,可采用间隙式 或迷宫式密封装置。

  用油润滑的主轴,润滑油 的防漏,主要靠疏导,可采用 油沟式和挡油圈式密封装置。


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