机电装备设计(7)

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3.5.9 提高主轴组件性能的措施
除了主轴组件的布局、结构参数、轴承、密封 等外，还可以采用以下一些措施来提高主轴组件的
性能：
★ 采用轴承选配法以提高主轴的旋转精度； ★ 提高主轴支承的刚度； ★ 采用阻尼器和减振器来减小主轴组件的振动；
★ 减小热变形对主轴组件性能的影响，为了减小热
变形对主轴组件性能的影响，可采用主轴热伸长补
偿结构。
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习题2： 将CA6140普通车床的纵向进给改造为数控进给， 其参数为： 加工最大工件直径： φ400mm 加工最大工件长度： 1000mm 溜板及刀架纵向重力： 800N(G) 刀架纵向快速速度： 2.4m/min 刀架纵向最大进给速度： 0.6m/min
机床纵切外圆时的主切 削力为 Fz 0.67Dmax （Dmax 最大加工工件直径）
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静压轴承工作原理
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液体静压轴承形式：
回转精度高 达0.01μm
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能同时承受径向 和轴向力
Talycenta 圆度仪主轴轴 系，轴颈2和轴套3是双扁锥 形，能同时承受径向和双轴 向力。轴套内锥面上开有12 个油腔，每一油腔对应于一 个直径为0.25～0.50mm的毛 细管节流器。 主轴回转精度 达0.05μm。
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纵切外圆时各切削分力 比例为 Fz :F x: Fy 1 : 0.25 : 0.4
统计结果表明，80％左右的机床采用前、中支承为主要
支承。
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3.5.8 主轴组件的润滑和密封
1 主轴滚动轴承润滑 脂润滑: 润滑脂可用于dn值较低，又不需冷却的场合。其中d 为轴承内径(mm)，n为转速(r／min)； 机床主轴轴承常用锂基润滑脂，精密和高精度机床主轴 常用精密机床主轴润滑脂。只要密封得好，能保证灰尘屑
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3 空气动压轴承
工作原理：空气动压轴承的工作原理与液体动压基本相同，在
轴颈和轴瓦间形成气楔。 特点：由于空气的可压缩性、粘度系数和温度变化均较小，用
于超高速、超高低温、放射性、防污染等场合。
应用：惯性导航陀螺仪、真空吸尘器的小型高速风机(18000 r／ min)、纺织机心轴(转速大于100000r／min)、波音747座舱内三 轮型空调制冷涡轮机(40000 r／min)、太阳能水冷凝器、飞机燃 气涡轮(35000 r／min)等机器中。 空气动压轴承不需气源、密封和冷却系统，耗能低，效率 达99％，结构简单，工作可靠，寿命长，适用于超高速轻载的 小型机械。
第三章 机电装备传动部件设计 Transmission Part Design for Electromechanical Equipment
本次课讲授内容
3.5 轴系 3.5.1 概述 3.5.2 主轴轴系的基本要求 3.5.3 主轴轴承选择 3.5.4 主轴滑动轴承 3.5.5 主轴组件布局 3.5.6 轴系组件初步计算 3.5.7 主轴滚动轴承的预紧 3.5.8 主轴组件的润滑和密封 3.5.9 提高主轴组件性能的措施
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5 精度保持性（Precision Preserve)
定义：指长期地保持其原始制造精度的能力。 要保证这些表面的耐磨性和有调整间隙的可能。 影响耐磨性因素：轴件、轴承的材料与热处理，轴承(或衬套) 的类型及润滑方式等。
3.5.3 主轴轴承的选择
重要性：主轴的旋转精度在很大程度上由其轴承决定，轴承 的变形量约占主轴组件总变形量的30﹪～50﹪，轴承的发热 量占的比重↑。 对主轴轴承要求：旋转精度高、刚度大、承载能力强、抗振 性好、速度性能高、摩擦功耗小、噪声低和寿命长等 。
2）适应转速要求 3）适应精度的要求
4）适应结构的要求
5）适应经济性要求 主轴轴承的配置，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，
主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度
等方面的要求。 常见的有以下几种典形的配置形式：速度型、刚度型和刚 度速度型 。
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1 典型主轴轴承配置形式
1）速度型 主轴前后轴承都采用具有良好高速性能的角接触 球轴承(双联或三联)。 ○ 当轴向切削分力较大时，可选用接触角为25°的 球轴承； ○ 当轴向切削分力较小时，可选用接触角为15°的 球轴承。 ○ 角接触球轴承的承载能力较小，因而适用于高速 轻载精密机床，如高速镗削单元、高速CNC车床。
卧式车床主轴
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4）三支承主轴
主轴箱长度较大，主轴支承跨距超过两支承合理跨距很
多，增加中间支承有利于提高刚度和抗振性。为保证主轴组 件的刚度和旋转精度，通常只有两个支承(其中一个为前支承) 起主要作用，而另一个支承(中间支承或后支承)起辅助作用， 即处于所渭“浮动”状态。辅助支承常采用刚度和承载能力 较 小的轴承，并选用其外圈与支承座孔配合比主要支承松1～2 级。
5 磁浮轴承 磁浮轴承是利用磁力将轴无机械摩擦、无润滑地 悬浮在空间的一种新型轴承。目前用于空间工业、机 床工业、轻工业、重工业方面。 工作原理：
定子装有电磁体，使转子悬浮在磁场中。转子转动时， 由位移传感器4随时检测转子的偏心，并通过反馈与基 准信号(转子的理想位置)进行对比。调节器根据偏差 信号进行调节，并把调节信号送到功率放大器，以改 变定子电磁铁的电流，从而改变对转子的磁吸力，使 转子向理想位置复位。径向磁力轴承的转轴一般要配 备辅助轴承。
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空气动压轴承的形式
特点：当轴颈受到 脉冲载荷时，所产 生的多余能量转换 成薄片组的变形能， 使气膜仍保持必要 的厚度。薄片还吸 收高速转轴的涡动 能量，阻碍自激振 动的形成。
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4 动静压轴承
动静压轴承综合了动压轴承和静压轴承的优点， 工作性能良好。
静压启动 动压工作 也可混合 工作
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工作原理： 当主轴以一定的转速旋转时→在轴颈周围能
形成几个压力油膜→把轴颈推向中央→因而主轴
的向心性较好→当主轴受到外载荷时→轴颈稍偏 心→承载的压力油膜变薄而压力升高→相对方向 的压力油膜变厚而压力降低→形成新的平衡。此 时承载方向的油膜压力将比普通单油楔轴承的压
力为高，油膜压力愈高和油膜愈薄，则其刚度愈
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3.5.1 轴系概述
定义：轴系由轴、轴承和安装于轴上的传动体、密
封件及定位件组成。
功能：支承旋转零件、传递转矩和运动。 组成：轴系按其在传动链中所处的地位不同可分为 传动轴轴系和主轴轴系，一般对传动轴的要求不 高，对主轴有较高的要求。
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3.5.2 对主轴（spindle)轴系的要求
整体要求：保证在一定的载荷与转速下，主轴组件 精确而稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这种性 能。从以下五方面分析： 1 回转精度 2 静刚度 3 动态特性
3.5.4 主轴滑动轴承
滑动轴承特点：运转阻尼特性好、抗振和平稳。 按流体介质：液体和气体滑动轴承。 按油膜压力形成方法：动压和静压轴承。
1 液体动压轴承
球头浮动式
○ 短三瓦滑动轴承由三块扇形 轴瓦组成。
○ 油膜压力需在一定的轴颈圆 周速度(v＞4 m／s)时形成。 ○ 三个压油楔能自动地适应外 加载荷，使主轴保持在接近于 轴承中心位置 。 ○ 只宜朝一个方向旋转，不许 13 反转 。
主轴的温升梯度不要大，要温度场对称.
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2）热位移
定义：使主轴工作端截面形心相对固定坐标产生的位移。 热线位移可在笛卡尔坐标中产生三个坐标轴方向的分量。 3）轴系主要热特性参数 主要特性参数：热源强度、温升和工作部分的热位移。
热源强度： 轴系的热源有轴承、传动件、密封件等单位时间
内发热量的总和。
轴承的摩擦热： 滚动体和滚道产生弹性变形而产生摩擦 热，为轴系主要热源之一，轴承的摩擦热与轴承类型、 预紧力、转速、轴承的润滑等情况有关，预紧力越大， 发热量越多，随着预紧力增加，温升的增加越来越快。
大，故多油楔轴承较能满足主轴组件的工作性能 要求。
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2 液体静压轴承 动压轴承在转速低于一定值时，压力油膜形
成不了；如果旋转停止，压力油膜消失。所以当
主轴转速较低或启动、停止过程中，轴颈会后压力油膜
厚度也随之变化，则轴心位置改变。 液体静压轴承是由外界供给一定的压力油于 两个相对运动的表面间，不依赖于它们之间的相 对运动速度就能建立压力油膜。
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特点：
◇ 无需润滑，无需密封介质；
◇ 无摩擦及摩擦力矩；运动无噪声，温升低；
◇ 保持转速消耗功率少； ◇ 圆周速度可达200m/s，旋转精度可达0.1μm； ◇ 用于真空、无菌、腐蚀剂放射性环境中。
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3.5.5 主轴组件的布局
主轴有前、后两支承和前、中、后三支承两种。其原则为:
1）适应刚度和承载能力的要求
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准 静 态 区
共 振 区 惯 性 区

( 系统激振频率； n 系统固有频率） n
（1）准静态区 ，主要取决于系统的静刚度K ； （2）共振区，主要取决于系统的静刚度K和阻尼比ξ；
（3）惯性区，主要取决于系统的惯性。
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4 热特性与热变形 (heat characteristic and deformation) 1）温升和热变形 轴系组件热产生的原因：运动件摩擦、搅油热量、加工区 热量和环境热辐射等。 后果： ○ 主轴组件温升和热变形，使系统各部件间相对位置精度 遭到破坏，影响系统的工作精度； ○ 热变形造成主轴弯曲； ○ 使传动齿轮和轴承的工作状态变坏； ○ 使轴件和轴承、主轴与支承座之间已调整好的间隙和配 合发生变化，影响轴承的正常工作，加速齿轮和轴承等零 件的磨损。
4 热特性与热变形
5 精度保持性
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1 回转精度 定义：指主轴装配后，在无载荷、低转速条件下，主轴前端 的径向和轴向跳动量。 回转中心线：轴件作回转运动时线速度为零的点的连线。 影响因素：轴承误差、轴颈圆度误差、轴件的挠曲和振动原 因、箱体孔制造和装配误差、主轴转速、支承的设计及润滑 等。 2 静刚度(Static Stiffness) 定义：主轴前端产生单位位移时，在这一方向测量出施加的 力。 反映了组件抵抗静态外载荷变形的能力。