立式数控铣床主轴部件的设计[PPT课件]

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。
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。
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。
Fa3 Fa2 L y1 3EIa 3EI
(4) 最佳支距L0的确定
E I 6 E I K 3 6 L L ( A 1 ) 0 0 0 K a K A A K B
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
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。
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。
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。
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。
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”。
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。
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。
（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。
（3）推力球轴承。
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
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。
一、主轴组件的设计要求
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。
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
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
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。
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。
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
(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
3 2 a a L1 a a 2 1 2 yy y F [ ( 1 ) () ] 1 2 3 E I E IK L K a 3 A BL
F a2 F a2 y ( 1 ) ( ) 2 K L K A B L
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。
1、主轴最小直径的估算
n 当数值上p≤
j
时，可按扭转刚度估算最小轴径，即：
d 11 4
p 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，
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。
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
1.径向轴承配置
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。