立式数控铣床主轴部件的设计

F a F a 2 (1 )2 ( ) KA L KB L
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转盘
数控铣床主传动系统由 主轴电动机、传动系统和主 轴部件等几部分组成。
主轴
工作台
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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。
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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。
根据上式可绘制出主轴孔径对主轴刚度影响曲线，如图4-1
空/ 实
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。
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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。
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主轴直径
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
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一、主轴滚动轴承类型选择
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。
立式铣床主轴前轴承有两种常用的类型 1.圆锥孔双列圆柱滚子轴承
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。
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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。
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主轴的耐磨性
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。
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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。
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二、主轴材料的选择及尺寸、参数的计算
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。
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主轴主要结构参数的确定
主轴的主要结构参数有：
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。
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XK5040数控铣床主轴规格：
主轴锥度： 7:24 mm 主轴转速： 100～4000 rpm 轴承润滑方式： 润滑油 主轴马达功率： 5.4/7.5（30min）kw
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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。
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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
（3）推力球轴承。
接触角为 90°，因此承受轴向力能力高，但允许极限转速低，且容易发热。
1、主轴最小直径的估算
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，
支承跨距L
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。
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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。
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数控立式铣床主轴结构设计
专业：机制 主讲人：戎娜 黄兰 王耀锋
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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。
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主轴刚度
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
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主轴抗振性
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。
主轴温升
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”。
（2）角接触球轴承。
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。
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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。
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主轴悬伸量a
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。
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主轴内孔直径
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 4 d 4 ) 64 d 4 1 ( ) Ｉ空/Ｉ实＝ 4 D 64 D
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跨距L对主轴组件刚度的影响
(1) 刚性轴承上弹性主轴的端部位移y1
Fa3 Fa 2 L y1 3EI a 3EI
y2
(2) 弹性轴承上刚性主轴的端部位移y2
(3) 主轴端部的总位移y
(4) 最佳支距L0的确定
a3 a2 L 1 a 1 a 2 y y1 y2 F[ (1 )2 ( ) ] 3EI a 3EI K A L KB L 6 EI 6 EI K A L3 L ( 1) 0 0 0 K Aa K A KB
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一、主轴组件的设计要求
回转精度
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。