【文章內(nèi)容簡介】 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?？稍跓o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)精度的要求起止推作用的軸承的布置有三種方式：前端定位—止推軸承集中布置在前支承；后端定位—集中布置在后支承；兩端定位—分別布置在前、后支承。采用前端定位時，主軸受熱變形向后延伸，不影響軸向定位精度，但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整軸承間隙較不便，前支承處發(fā)熱量較大；后端定位的特點與前述的相反；兩端定位時，主軸受熱伸長后，軸承軸向間隙的改變較大，若止推軸承布置在徑向軸承內(nèi)側(cè)，主軸可能因熱膨脹而彎曲。 適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求當(dāng)要求主軸組件在性能上有較高的剛度和一定的承載能力，而在結(jié)構(gòu)上徑向尺寸要緊湊時，則可在一個支承（尤其是前支承）中配置兩個或兩個以上的軸承。對于軸間距很小的多主軸機床，由于結(jié)構(gòu)限制，宜采用滾針軸承來承受徑向載荷，用推力球軸承來承受軸向載荷，并使兩軸承錯開排列。 適應(yīng)經(jīng)濟性要求確定主軸軸承配置型式，除應(yīng)考慮滿足性能和結(jié)構(gòu)方面要求外，還應(yīng)作經(jīng)濟性分析，使經(jīng)濟效果好。例如，在能夠滿足要求的情況下，一般采用已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，且大批量生產(chǎn)的滾動軸承較為經(jīng)濟，但對于一些大型、重型機床的主軸組件，當(dāng)沒有標(biāo)準(zhǔn)的大型號滾動軸承時，可采用動壓軸承或靜壓軸承。在中速和大載荷情況下，采用圓錐滾子軸承要比采用向心軸承和推力軸承組合的配置型式成本低，因為前者節(jié)省了兩個軸承，而且箱體工藝性較好。綜合考慮以上因素，本設(shè)計的主軸采用前、后支承的兩支承主軸，前支承采用雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合，D級精度；后支承采用圓柱滾子軸承，E級精度。其中前支承的雙列圓柱滾子軸承，滾子直徑小，數(shù)量多（50—60個），具有較高的剛度；兩列滾子交錯布置，減少了剛度的變化量；外圈無擋邊，加工方便；軸承內(nèi)孔為錐孔，錐度為1：12，軸向移動內(nèi)圈使之徑向變形，調(diào)整徑向間隙和預(yù)緊；黃銅實體保持架，利于軸承散熱。前支承的總體特點是：主軸靜剛度好，回轉(zhuǎn)精度高，溫升小，徑向間隙可以調(diào)整，易保持主軸精度，但由于前支承結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，前、后支承的溫升不同，熱變形較大，此外，裝配、調(diào)整比較麻煩。 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定主軸的結(jié)構(gòu)主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位的方法，同時還要考慮主軸加工和裝配的工藝性，一般在機床主軸上裝有較多的零件，為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設(shè)計成階梯軸，即軸徑從前軸頸起向后依次遞減。主軸是空心的或者是實心的，主要取決于機床的類型。此次設(shè)計的主軸，也設(shè)計成階梯形，同時，在滿足剛度要求的前提下，設(shè)計成空心軸，以便通過刀具拉桿。主軸端部系指主軸前端。它的形狀決定于機床的類型、安裝夾具或刀具的形式，并應(yīng)保證夾具或刀具安裝可靠、定位準(zhǔn)確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。查《金屬切削機床設(shè)計》第135頁中通用機床主軸端部的形狀圖，選短圓錐法蘭盤式主軸端部結(jié)構(gòu)形式。其特點是：主軸端面上有四個螺孔，用來固定和傳遞扭矩給刀具。主軸是空心的，前端有錐度為7:24的錐孔，結(jié)構(gòu)如下所示： 圖23 短圓錐法蘭盤式主軸端部結(jié)構(gòu) 主軸的材料與熱處理主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點、耐磨性和熱處理變形大小等因素選擇。主軸的剛度與材料的彈性模量E值有關(guān)，鋼的E值較大（10N/cm左右），所以，主軸材料首先考慮用鋼料。鋼的彈性模量E的數(shù)值和鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量E基本相同。因此在選擇鋼料時應(yīng)首先選用價格便宜的中碳鋼（如45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時，或者精密機床主軸需要減少熱處理后的變形時，或者軸向移動的主軸需要保證其耐磨性時，才考慮選用合金鋼。當(dāng)主軸軸承采用滾動軸承時，軸頸可不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少45鋼主軸軸頸仍進行高頻淬火（HRC48～54）.有關(guān)45鋼主軸熱處理情況如下表22所列：表22 使用滾動軸承的45鋼主軸熱處理等參數(shù)工 作 條 件使 用 機 床材 料 牌 號熱 處 理硬 度常 用代 用輕中負(fù)載車、鉆、銑、磨床主軸4550調(diào)質(zhì)HB220～250輕中負(fù)載局部要求高硬度磨床的砂輪軸4550高頻淬火HRC52～58輕中負(fù)載PV≤400（Nm/cms）車、鉆、銑、磨床的主軸4550淬火回火高頻淬火HRC42～50HRC52～58此次設(shè)計的機床主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選用價格便宜的中碳鋼（45鋼）。查表22中，因工作中承受輕、中負(fù)荷，且要求局部高硬度，故熱處理采用高頻淬火，HRC52～58。 主軸的技術(shù)要求主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。主軸和軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關(guān)系到接觸剛度，零件接觸表面形狀愈準(zhǔn)確、表面粗糙度愈低，則受力后的接觸變形愈小，亦即接觸剛度愈高。因此，對主軸設(shè)計必須提出一定的技術(shù)要求。 軸頸此次設(shè)計的主軸，應(yīng)首先考慮軸頸。支承軸頸是主軸的工作基面、工藝基面和測量基面。主軸工作時，以軸頸作為工作基面進行旋轉(zhuǎn)運動；加工主軸時，為了保證錐孔中心和軸頸中心同軸，一般都以軸頸作為工藝基面來最后精磨錐孔；在檢查主軸精度時，以軸頸作為測量基面來檢查各部分的同軸度和垂直度。采用滾動軸承時，軸頸的精度必須與軸承的精度相適應(yīng)。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動軸承的配合質(zhì)量。對于普通精度級機床的主軸，其支承軸頸的尺寸精度為IT5，軸頸的幾何形狀允差（圓度、圓柱度等）通常應(yīng)小于直徑公差的1/4～1/2。 內(nèi)錐孔內(nèi)錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗機床精度時，它是代表主軸中心線的基準(zhǔn)，用來檢查主軸與其他部件的相互位置精度，如主軸與導(dǎo)軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經(jīng)常裝拆，故內(nèi)錐孔必須耐磨。錐孔與軸承軸頸的同軸度，一般以錐孔端部及其相距100～300毫米處對軸頸的徑向跳動表示；其形狀誤差用標(biāo)準(zhǔn)檢驗錐著色檢查的接觸面積大小來檢驗，此乃綜合指標(biāo)；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。 主軸組件的計算主軸組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：主軸的平均直徑D（初選時常用主軸前軸頸的直徑D來表示）；主軸內(nèi)孔直徑d；主軸前端部的懸伸量a；以及主軸支承跨距L等。一般步驟是：首先根據(jù)機床主電機功率或機床的主參數(shù)來選取D，在滿足主軸本身剛度的前提下，按照工藝要求來確定d，根據(jù)主軸前端部結(jié)構(gòu)形狀和前支承的結(jié)構(gòu)型式來確定a,最后根據(jù)D、a和主軸前支承的支承剛度來確定L。主軸軸承的配置型式，對主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定很有關(guān)系，故在設(shè)計過程中常需交叉進行，最終以主軸組件剛度等性能來衡量其設(shè)計的合理性。 主軸直徑的選擇主軸直徑對主軸組件剛度的影響很大，直徑越大，主軸本身的變形和軸承變形引起的主軸前端位移越小，即主軸組件的剛度越高。但主軸前端軸頸直徑D越大，與之相配的軸承等零件的尺寸越大，要達(dá)到相同的公差則制造越困難，重量也增加。同時，加大直徑還受到軸承所允許的極限轉(zhuǎn)速的限制，甚至為機床結(jié)構(gòu)所不允許。通常，主軸前軸頸直徑D可根據(jù)傳遞功率，并參考現(xiàn)有同類機床的主軸軸頸尺寸確定。查《金屬切削機床設(shè)計》第157頁表512中，幾種常見的通用機床鋼質(zhì)主軸前軸頸的直徑D，可供參考，如下表23所示：已知主電機功率P=4KW，機床類型是銑床，查上表中對應(yīng)項，初取D=80。主軸后軸頸直徑D和前軸頸直徑D的關(guān)系，可根據(jù)下列經(jīng)驗公式來定：D=（～）D因此，有D=（～）D=（～）80=56～68，取D=65。表23 主