【正文】 銑削組合機床及主軸組件設(shè)計 第二章 主軸組件設(shè)計第二章 主軸組件設(shè)計主軸組件是機床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)，完成表面成形運動，同時還起傳遞運動和扭矩、承受切削力和驅(qū)動力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到機床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，因此它是機床中的一個關(guān)鍵組件。主軸和一般傳動軸的相同點是，兩者都傳遞運動、扭矩并承受傳動力，都要保證傳動件和支承的正常工件條件，但主軸直接承受切削力，還要帶動工件或刀具，實現(xiàn)表面成形運動，因此對主軸有較高的要求。 主軸的基本要求 旋轉(zhuǎn)精度主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在手動或低速、空載時，主軸前端定位面的徑向跳動△r、端面跳動△a和軸向竄動值△o。如圖21所示：圖中實線表示理想的旋轉(zhuǎn)軸線，虛線表示實際的旋轉(zhuǎn)軸線。當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的漂移量即為運動精度。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各主要件（如主軸、軸承及支承座孔等）的制造精度和裝配、調(diào)整精度；運動精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能和潤滑以及主軸部件的動態(tài)特性。各類通用機床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在機床精度標(biāo)準中作了規(guī)定，專用機床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度則根據(jù)工件精度要求確定。 剛度主軸組件的剛度K是指其在承受外載荷時抵抗變形的能力，如圖22所示，即K=F/y（單位為N/m），剛度的倒數(shù)y/F稱為柔度。主軸組件的剛度，是主軸、軸承和支承座的剛度的綜合反映，它直接影響主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。顯然，主軸組件的剛度越高，主 圖21 主軸的旋轉(zhuǎn)誤差軸受力后的變形就越小，如若剛度不足，在加工精度方面，主軸前端彈性變形直接影響著工件的精度；在傳動質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動齒輪的嚙合狀況，并使軸承產(chǎn)生側(cè)邊壓力，從而使這些零件的磨損加劇，壽命縮短；在工件平穩(wěn)性方面，將使主軸在變化的切削力和傳動力等作用下，產(chǎn)生過大的受迫振動，并容易引起切削自激振動，降低了工件的平穩(wěn)性。圖22 主軸組件靜剛度主軸組件的剛度是綜合剛度，影響主軸組件剛度的因素很多，主要有：主軸的結(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動件的布置方式、主軸組件的制造與裝配質(zhì)量等。 抗振性主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的能力。在切削過程中，主軸組件不僅受靜載荷的作用，同時也受沖擊載荷和交變載荷的作用，使主軸產(chǎn)生振動。如果主軸組件的抗振性差，工作時容易產(chǎn)生振動，從而影響工件的表面質(zhì)量，降低刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會產(chǎn)生噪聲影響工作環(huán)境。隨著機床向高精度、高效率方向發(fā)展，對抗振性要求越來越高。評價主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動和自激振動能力的大小。（1） 抵抗受迫振動的能力主軸組件受迫振動的干擾力，主要包括由于主軸上旋轉(zhuǎn)零件（主軸、傳動件和所裝的工件或刀具等）的偏心質(zhì)量而產(chǎn)生的離心力，傳動件運動速度不均勻而產(chǎn)生的慣性力，以及斷續(xù)切削產(chǎn)生的周期性變化的切削力。由于這些干擾力，引起主軸并帶著刀具或工件一起振動，而在加工表面上留下振紋，使工件表面粗糙度提高。根據(jù)所設(shè)計的機床加工表面粗糙度的要求，確定主軸前端的允許振幅，然后計算或測定主軸組件在各種動態(tài)干擾力的作用下，其前端的振幅，并同允許值比較，評價是否滿足要求。在單獨分析主軸組件時，只能求得主軸前端在切削部位的絕對振幅，它只能部分地反映刀具和工件之間的相對振幅。兩者關(guān)系與激振頻率有關(guān)，目前主要由試驗來確定。此外，主軸組件的低階固有頻率與振型也是其抗振性的評價指標(biāo)。一般來說，低階固有頻率應(yīng)高些，并遠離激振頻率；主軸振型的節(jié)點應(yīng)靠近切削部位。（2） 抵抗切削自激振動的能力金屬切削加工時，雖然沒有外界動態(tài)干擾力的作用，但由于機床—工件—刀具彈性系統(tǒng)振動對切削過程的反饋作用，刀具與工件之間發(fā)生了周期性的強烈的相對振動，稱為切削自激振動，簡稱為顫振。顫振將使加工表面質(zhì)量惡化，甚至使切削過程無法繼續(xù)下去，從而不得不降低切削用量來避免之，所以機床的切削用量極限往往不是由機床的功率來決定，而是由加工時發(fā)生顫振的條件來決定。機床切削時，從沒有顫振到顫振的產(chǎn)生之間存在著明顯的界限，這個界限即是穩(wěn)定性的極限，或稱為機床穩(wěn)定性的條件。對現(xiàn)有機床的試驗表明，切削自振頻率往往接近于主軸組件彎曲振動的低階固有頻率。即主軸組件是顫振的主振部分，它的低階彎曲振動模態(tài)是決定機床抵抗切削自振能力的主要模態(tài)。因此，在單獨分析主軸組件時，可以認為主軸前端在切削部位激振點動柔度（在主振方向）的最大負實部，反映了主軸組件抵抗切削自振的能力。對于粗加工機床，切削寬度大，切削自振的可能性大，但加工表面質(zhì)量要求不高，可主要考慮不產(chǎn)生顫振的條件。對于精密機床，切削用量小，切削自振的可能性小，但允許的振幅小，可主要考慮抵抗受迫振動的能力。對于高速機床，因為激振力的頻率和幅值均隨著轉(zhuǎn)速提高而劇增，受迫振動和自激振動都比較突出。因此，在設(shè)計和評價高速機床時，自激和受迫振動均應(yīng)考慮。 溫升和熱變形主軸組件工作時因各種相對運動處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生了溫升，溫升使主軸組件的形狀和位置發(fā)生畸變，稱為熱變形。熱變形應(yīng)以主軸組件運轉(zhuǎn)一定時間后各部分位置的變化來度量。主軸組件溫升和熱變形，使機床各部件間相對位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度機床尤為嚴重；熱變形造成主軸彎曲，使傳動齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞；熱變形還使主軸和軸承，軸承與支承座之間已調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承正常工作，間隙過小將加速齒輪和軸承等零件的磨損，嚴重時甚至?xí)l(fā)生軸承抱軸現(xiàn)象。影響主軸組件溫升、熱變形的主要因素有：軸承的類型和布置方式，軸承間隙及預(yù)緊力的大小，潤滑方式和散熱條件等。目前，對各種類型機床連續(xù)運轉(zhuǎn)下的允許溫升都有一定的規(guī)定。 耐磨性主軸組件的耐磨性是指長期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主軸組件各個滑動表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動軸承配合的軸頸表面，移動式主軸套筒外圓表面等，都必須具有很高的硬度，以保證其耐磨性。為了提高主軸組件的耐磨性，應(yīng)該正確地選用主軸和滑動軸承的材料及熱處理方法、潤滑方式，合理調(diào)整軸承間隙，良好的潤滑和可靠的密封。 其他主軸組件除應(yīng)保證上述基本要求外，還應(yīng)滿足下列要求：（1）主軸的定位可靠。主軸在切削力和傳動力的作用下，應(yīng)有可靠的徑向和軸向定位，使主軸在工作時受到的切削力和傳動力通過軸承可靠地傳至箱體等基礎(chǔ)零件上。（2）主軸前端結(jié)構(gòu)應(yīng)保證工件或刀具裝卡可靠，并有足夠的定位精度。（3）結(jié)構(gòu)工藝好。在保證好用的基礎(chǔ)上，盡可能地做到好造、好裝、好拆及好修，并盡可能降低主軸組件的成本。 主軸組件的布局主軸組件的設(shè)計，必須保證滿足上述的基本要求，從而從全局出發(fā)，考慮主軸組件的布局。機床主軸有前、后兩個支承和前、中、后三個支承兩種，以前者較多見。兩支承主軸軸承的配置型式，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據(jù)對所設(shè)計主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求，并考慮軸承的供應(yīng)、經(jīng)濟性等具體情況，加以確定。在選擇時，具體有以下要求： 適應(yīng)剛度和承載能力的要求 主軸軸承選型應(yīng)滿足所要求的剛度和承載能力。徑向載荷較大時，可選用滾子軸承；較小時，可選用球軸承。雙列滾動軸承的徑向剛度和承載能力，比單列的大。同一支承中采用多個軸承的支承剛度和承載能力，比采用單個軸承的大。一般來說，前支承的剛度，應(yīng)比后支承的大。因為前支承剛度對主軸組件剛度的影響要比后支承的大。表21所示為滾動軸承和滑動軸承的比較：表21 滾動軸承和滑動軸承的比較基本要求滾動軸承滑 動 軸 承動壓軸承靜壓軸承旋轉(zhuǎn)精度精度一般或較差。可在無隙或預(yù)加載荷下工作。精度也可以很高，但制造困難單油楔軸承一般，多油楔軸承較高可以很高剛 度僅與軸承型號有關(guān)，與轉(zhuǎn)速、載荷無關(guān)，預(yù)緊后可提高一些隨轉(zhuǎn)速和載荷升高而增大與節(jié)流形式有關(guān)，與載荷轉(zhuǎn)速無關(guān)承載能力一般為恒定值，高速時受材料疲勞強度限制隨轉(zhuǎn)速增加而增加，高速時受溫升限制與油腔相對壓差有關(guān)，不計動壓效應(yīng)時與速度無關(guān)抗振性能不好，阻尼系數(shù)D=較好，阻尼系數(shù)D=很好，阻尼系數(shù)D=速度性能高速受疲勞強度和離心力限制，低中速性能較好中高速性能較好。低速時形不成油漠，無承載能力適應(yīng)于各種轉(zhuǎn)速摩擦功耗一般較小，潤滑調(diào)整不當(dāng)時則較大f=～較小f=～本身功耗小，但有相當(dāng)大的泵功耗f=～噪 聲較大無噪聲本身無噪聲，泵有噪聲壽 命受疲勞強度限制在不頻繁啟動時，壽命較長本身壽命無限，但供油系統(tǒng)的壽命有限 適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求由于結(jié)構(gòu)和制造方面的原因，不同型號和規(guī)格的軸承所允許的最高轉(zhuǎn)速是不同的。軸承的規(guī)格越大，精度等級越低，允許的最高轉(zhuǎn)速越低。在承受徑向載荷的軸承當(dāng)中，圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速，比圓錐滾子軸承的高。在承受軸向載荷的軸承當(dāng)中，向心推力軸承的極限轉(zhuǎn)速最高；推力球軸承的次之；圓錐滾子軸承的最低，但承載能力與上述次序相反。因此，應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)速和承載能力兩方面要求來選擇軸承型式。例如，當(dāng)軸向載荷較大，而轉(zhuǎn)速不高時，可采用推力球軸承；反之，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高，而軸向載荷不大時，可采用角接觸球軸承；如果轉(zhuǎn)速較高，軸向載荷又較大，則可采用雙列推力向心球軸承；如果徑向和軸向載荷都較小，而轉(zhuǎn)速較高，則可采用向心推力球軸承。 適應(yīng)精度的要求起止推