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1、数控车床主轴设计 数控车床主轴系统分析报告 学院：机械工程学院 班级：09创新 一 班 姓名： 学号：0910100xxx MJ-50数控车床主轴结构 下图为MJ-50数控车床主轴结构。交流主轴电动机通过带轮15把运动传给主轴7 。主轴前支承由一个双列圆柱滚子轴承1 1和一对角接触球轴承1 0组成，轴承11用来承受径向载荷，两个角接触球轴承分别承受两个方向的轴向载荷，另外还承受径向载荷。松开螺母8的锁紧螺钉，就可用螺母来调整前支承轴承的间隙。主轴的后支承为双列圆柱滚子轴承14，轴承间隙由螺母1和螺母6来调整。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长，前后支承所用双列圆柱滚子轴承的支承刚性
2、好，允许的极限转速高。前支承中的角接触轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜高速大载荷的需要。主轴的运动经过同步带轮16、同步带轮3以及同步带2带动脉冲编码器4，使其与主轴同速运转。脉冲编码器用螺钉5固定在主轴箱体9上。 1、主传动系统的传动方式： 机床主传动系统可分为无极变速传动和有级变速变速传动。与普通机床相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工需要，数控车床的主传动系统有一下三种传动方式： 1.1由电机直接驱动：主轴电机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动
3、，如下图a所示。采用直接驱动大大简化了主轴箱结构，能有效提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、出去转矩与电机的特性完全一致。但由于主轴的输出功率和转矩特性直接决定于主轴电动机的性能，因而使这种变速传动的应用受到了一定的限制。 1.2采用定比传动：主轴电动机经定比传动传递给主轴，如下图b所示。定比传动可采用带传动或齿轮传动，带传动具有传动噪声小、振动小的有点，一般应用在中小型数控车床上。采用定比传动扩大了直接驱动的应用范围，即在一定程度上能满足主轴功率与转矩的要求，但其变速范围仍与电动机的调速范围相同。 1.3采用分档变速传动：采用分档变速传动主要是为了解决主轴电动机的功率特性与机床主轴
4、功率特性的匹配，如下图c所示。变速机构仍然采用齿轮副来实现。目前，电动机本身的调速范围已达1:1001:1000，所以多数机床的变速传动机构不超过2级。采用分档变速传动可适应更多的刀具材料和更广泛的工艺要求，并满足各种切削运动的转矩输出，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。 2、主轴组件设计 2.1主轴组件的性能要求 主轴组件是机床主要的部件之一。由于主轴组件直接承受切削力，转速范围又很大，因而数控机床的加工质量很大程度上要靠它保证。据统计，相对于机床的其他部件，主轴组件对加工综合误差的影响在通常情况下要占30%到40%，严重时可达60%到80%。因此数控机床设计对主轴组件提出了很高
5、的要求。主轴组件的性能主要包括以下几方面。 精度 主轴组件的精度包括旋转精度和运动精度。旋转精度是指装配后的部件在无 一载或低速转动条件下，主轴前端工作部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。主轴组件的旋转精度直接影响机床的加工精度。如车床前端定位锥孔与卡盘定心轴颈的径向跳动， 会影响加工工件的圆度，而轴向窜动则会影响加工螺纹的螺距精度。因此，主轴组件的旋转 精度是机床的一项重要的精度指标。对于通用机床主轴组件的旋转精度，国家标准已有规定。 抗振性 抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力，有时也把抵抗受迫振动的能力成为动刚度，此时，抗振性仅指抵抗自激振动的能力。若主轴组件抗振性差，
6、工作时容易产生振动，不仅降低了加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。 影响主轴组件抗振性的主要因素有部件的静刚度、质量分布和阻尼，特别是主轴前轴承的阻尼。设计时，要使主轴的固有频率远大于工作时的激振频率，使之不易产生共振。 (4)热稳定性 主轴组件在运转中，温升过高会引起两方面的不良后果：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发生变化，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”。 由于受热膨胀是材料的固有特性，因此提高主轴组件热稳定性的主要措施是减少发热、
7、加快散热、隔离热源以及采用尽可能合理的结构设计，以使热变形能得到补偿和对加工的影响最小。 (5)耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。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，以提高其硬度增加耐磨性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐磨性。 以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度与高速，高速与低温升，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析。例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满高速和高刚度的要求：设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。 2.2主轴 主轴是主轴组件的重要组成部
8、分。它的结构形状和尺寸、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影响。 (1)主轴的结构形状 主轴的结构形状主要取决于轴上所安装的零件、轴承、传动件及夹具等的类型、数目、位置、安装定位方式等，也考虑其工艺性要求。主轴通常是一个前粗后细的阶梯轴，即轴径尺寸从前轴颈起，向后逐渐缩小。这样的结构，是为了适应主轴各段承受的不同载荷，以满足刚度要求，同时也为其上的多个零件提供足够的安装、定位及止推面，同时也有利于加工和装配。 数控车床主轴的轴端通常用于安装夹具，要求夹具在轴端定位精度高、定位刚度好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。主轴端部结构，一般采用短圆锥法兰盘式，如图2-18所示。短
9、圆法兰结构有很高的定心精度，主轴的悬伸长度短，大大提高了主轴的刚度。 (2)主轴的材料和热处理 选择主轴材料与热处理方法，主要依据主轴部件的工作条件及结构特点，即应满足主轴对刚度、强度、耐磨性、精度等方面的具体要求。一般机床主轴常用4 5钢，调质到200250HB左右，主轴端部锥孔、定心轴颈或定心圆锥面等部位局部淬硬到5055 HRCo若支承采用滚动轴承，则轴颈可不淬硬，但是为了防止敲碰损伤轴颈的配合表面，常对主轴轴颈处进行淬硬。如果机床主轴有更高要求时，宜选用合金钢，如对耐磨性要求很高的主轴，常选用38CrMoAIA，并经氮化处理。 (3)主轴主要精度指标 主轴的精度直接影响到主轴部件的旋转
10、精度。主轴的轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度。因此，设计主轴时，必须根据机床精度标准有关的项目制定合理的技术要求。 主轴的精度指标有：前支撑轴颈的同轴度约5m左右；轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”磨配，且须保证配合过盈15m；锥孔与轴承轴颈的同轴度为35m，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好；装NN3000K型调心圆柱滚子轴承的1:12的锥面，与轴承内圈接触面积不小于85%。 2.3主轴的技术条件 ( 1) 156h6外圆对A与B的公共轴线同轴度+0.02，巾156h6的端面对A与B公共轴线垂直度0.015; (2)锥面B的圆度0.005、锥面B
11、对A与B的公共轴线同轴度书0.01； (3) 170外圆的圆柱度0.005、对A与B公共轴线同轴度0.006; (4)C面对A与B公共轴线同轴度0.02; (5) 170的端面对A与B公共轴线垂直度0.006; (6) 77 30锥面对A与B公共轴线跳动0.006； (7) 19.05(-0.025)左端面对A与B公共轴线跳动0.008： (8) 8N9; 22N9键槽两侧面对基准C轴线对称度0.02; (9)公制120锥孔，70 7 30”锥面，1:12锥面作涂色法检验，接触均匀，接触靠大端，接触率不得小于75%； (10)公制120锥孔在轴端处对A与B公共轴线跳动0.001，离轴端300处
12、对A与B公共轴线跳动0.005； (11) M1503-6h在直径170处，M1703-6h在188处对A-B基准的端面跳动0.02; 2.4主轴加工工艺过程的制定和分析 主轴加工工艺过程制订的依据是主轴的结构，技术要求，生产批量和工厂现有的技术工人，技术人员水平与设备条件等。主轴的加工工艺工程一-般可概括为下列三个阶段。 粗加工阶段 (1)毛坯处理：毛坯备料，锻造和正火(工序1) (2)粗加工：钻顶尖孔、粗车外网、钻大通孔(工艺2-5)，这个阶段主要是采用大的切削用量切除大部分余量。通过这个阶段还可及时发现锻造裂纹等缺陷。 半精加工阶段 (1)半精加工前的热处理：对于45号钢一般采用调质处理
13、并达到HB235； (2)半精加工：半精车各外圆，钻锪铰各孔，这个阶段主要是为精加工做好准备，尤其是为精加工做好基准面准备。 精加工阶段 (1)精加工前的热处理：局部淬火(工序10)，热时效(工序17); (2)精加工前的各种加工： 车螺纹，粗磨各外圆、端面、 锥面、锥孔、铣键槽； (3)精加工：精磨外圆和内 外锥面，保证主轴最重要表面 精度(工序18)，这个阶段主要 是把各表面都加工到图纸规 定的要求。 2.5主轴轴承 主轴轴承是主轴组件的。重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整和润滑都直接影响了主轴组件的工作性能。 主轴轴承的选用，主要是依据主轴部件的工作要求，如传递功率的大
14、小、速度范围、工作精度，并考虑制造条件及其他经济技术综合指标。数控车床的主轴轴承可采用滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳定地工作。此外，滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便。由于滚动轴承有许多优点，加之制造精度的提高，所以在数控车床上得到广泛的应用。 主轴轴承多采用圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承以及角接触球轴承。下面简述常用滚动轴承的结构特点及适用范围。 (l)双列向心短圆柱滚子轴承 图2-19所示为NN3000K型轴承和NNU4900K型轴承，内圈有锥度为1:12的锥孔与主轴的锥形轴颈相配。通过轴向移动内圈，改变其在主轴上的位置
15、来调整轴承轴向间隙。两排直径和长度相等的短圆柱滚子交错排列，滚子数量为50到60个，载荷均布。保持架一般用铜或塑料制成，以适应滚子在高速下运转。 两个型号轴承区别是滚道环槽开的位置不同，滚道环槽开在内圈上，工艺性好，但调整间隙时易使内圈滚道畸变。滚道环槽开在外圈上，调整间隙时内圈滚道不会发生畸变但工艺性复杂，不适于小规格的轴承。因此，NNU4900K只有大型，最小内径为lOOmm。 这种轴承的特点是径向刚度和承载能力较大，旋转精度高，径向结构紧凑，寿命长，在主轴组件中应用广泛。但是它不能承受轴向载荷，而需配用推力轴承。 (2)双向推力向心球轴承 图2-20所示为23440系列60角接触双向推力
16、向心球轴承，它与NN3000K系列轴承配套使用，以承受双向轴向载荷。该轴承由外圈2、内圈1、内圈4以及隔套3组成。修磨隔套3的厚度，便可消除间隙和预紧。外圈2的外圆基本尺寸与同孔径的NN3000K型轴承相同，但外径为负公差，与箱体孔之间有间隙，所以不承受径向载荷，作为推力轴承使用。外圈2开有槽和油孔，润滑油由此进入轴承。 这种轴承特点是接触角大，钢球直径较小而数量较多，轴承承载能力和精度较高。极限转速比一般推力球轴承高出1.5倍，与同孔径的NN3000K型轴承相同。适用于高转速、较大轴向力、中等以上载荷的主轴前支承处。 (3)双列圆锥滚子轴承 这种轴承由外圈2、内圈1、内圈4以及隔套3组成，如
17、图2-21所示。修磨隔套3的厚度来调整间隙或预紧。外圈有轴肩，一端抵住箱体或主轴套筒的端面，另一端用法兰压紧，以实现轴向定位。因此，箱体孔可做成通孔，便于力加工。 这种轴承既可以承受径向载荷，又可以承受双向轴向载荷。由于滚子数量多，承载能力和刚度都高，轴承制造精度较高，适用于中低速、中等以上载荷的机床主轴的前支承。但设计选用时，应考虑给予充分的润滑和冷却条件。 (4)角接触球轴承 这种轴承既可以承受径向载荷，又可承受轴向载荷。常用的接触角有两种：=25和=15其中，=25的代号为7000AC，属于特轻型；或代号为7190AC1106的高速轴承。此外，油气润滑的油不雾化，用后可回收，不像油雾润滑
18、会污染环境。油气润滑原理如图2-32所示。 (4)喷射润滑 当轴承高速旋转时，滚动体和保持架也以相当高的速度旋转，并使其周围空气形成气流，这样用一般润滑方法就很难将润滑油输入到轴承中。这时就必须要用高压喷射的方法，才能将润滑油送到预定的区域。这种润滑方式是用油泵，通过位于轴承内圈和保持架中心之间的一个或几个口径为0.5Imm的喷嘴，以一定的压力，将流量500mLmin的润滑油喷射到轴承上，使之穿过轴承内部，经轴承另一端流入油槽，达到对轴承润滑和冷却的目的。 虽然喷射润滑可使dmn值达到2.5106，但需要大量润滑油，因搅拌阻力使动力损失较大，而且需要较复杂的附属设备，成本较高，所以一般用于dm
19、n1.6106并承受重负载的轴承。 2.8.2主轴组件的密封 主轴组件的密封有接触式密封和非接触式密封。 图2-33是几种非接触密封的形式。图2-33(a)是利用轴承盖与轴的间隙密封，轴承盖的孔内开槽是为了提高密封效果。这种密封用在工作环境比较清洁的油脂润滑处。图2-3.3 (b)是在螺母的外圆上开锯齿形环槽，当油向外流时，靠主轴转动的离心力把油沿斜面甩到端盖1的空腔内，油液流回箱内。图2-33(c)是迷宫式密封结构，在切屑多、灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果，这种结构适用油脂或油液润滑的密封。在用非接触式的油液密封时，为了防漏，应确保回油能尽快排掉，因此要保证回油孔的畅通。 接触式密封主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封，如图2-34所示。 附一 一般主轴基本结构图示 附二： 车床带联主轴 附三： 锁紧螺母 材质： 42CrMo4 调质 硬度：HRC28 32 螺纹精度：ISO 4H精密车削 平面偏摆：0.005mm 锁定方式为利用钢材本身的弹性，以轴向锁固，强制锁定。本产品特别针对工作环境恶劣、螺帽易于松脱的场合，其锁定能力为传统螺帽 3 倍以上，为其特异优点。 NK设计的锁定方式，因为装配上的误差，故无法确保平面与螺纹的垂直偏摆为其缺点。
