數(shù)控技術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）CK518立式數(shù)控車床主軸單元的開發(fā)設(shè)計(jì)

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1、 CK518立式數(shù)控車床主軸單元的開發(fā)設(shè)計(jì) 摘要 本次研究工作的主要目的是完成CK518主軸單元設(shè)計(jì)。使其滿足旋轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、靜剛度，抗振性、溫升和熱變形及耐磨性等主要性能，以提高機(jī)床的加工質(zhì)量和加工效率。 第一部分主要介紹了CK518立式數(shù)控車床的主軸單元的組成、功用和特點(diǎn)以及影響主軸單元的各個(gè)因素：主軸單元或主軸組件是數(shù)控立式車床CK518的一個(gè)重要組成部分。主軸組件由主軸、主軸軸承及安裝在主軸上的傳動(dòng)件、密封件等組成。機(jī)床工作時(shí)，由主軸夾持工件并帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，直接完成表面成形運(yùn)動(dòng)。由于機(jī)床轉(zhuǎn)速高，功率大，機(jī)床的加工質(zhì)量，在很大程度上要靠主軸組件

2、保證，因此要求主軸組件具有良好的旋轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、溫升和熱變形及耐磨性等；第二部分主要說明了主軸組件的布局方式和主軸的設(shè)計(jì)以及滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)選擇；第三部分主要是主軸單元的部件的校核計(jì)算，主要包括主軸的剛度，前、后軸承支反力，主軸的前端撓度，前、后軸承的彈性變形量，軸承預(yù)緊量，滾子所受預(yù)載荷等等。 CK518立式數(shù)控車床具有高轉(zhuǎn)速、大扭矩，高剛性等特點(diǎn)。該機(jī)床可加工各種短軸類、盤類零件，車削各種螺紋、圓弧、圓錐、回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外曲面、端面、溝槽、鉆、擴(kuò)、鉸等，適用于形狀復(fù)雜的中小批量零件，以及精度、尺寸一致性要求高的大批量零件的加工。該類機(jī)床在國內(nèi)外汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，是一種高效、高精度、高

3、質(zhì)量、高效益、低成本，投資回報(bào)期短，性能價(jià)格比高的機(jī)床，因此設(shè)計(jì)為其一種優(yōu)良的主軸單元具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 關(guān)鍵詞：數(shù)控車床 主軸組件 剛度 軸承 高速切削 Development and Design of CK518’s Spindle Assembly Abstract This research works main purpose completes the CK518 main axle unit design. Causes it to satisfy the running accuracy, the structure rigidity, the

4、static rigidity, the vibration-proof, the temperature rise and the thermal deformation and wear resistant and so on main performance, improves engine beds processing quality and the processing efficiency. The first part mainly introduced CK518 vertical numerical control lathes main axle unit compos

5、ition, function and characteristic as well as influence main axle unit each factor: The main axle unit or the main axle module are numerical control vertical lathe CK518 important components. The main axle module by the main axle, the main shaft bearing and installs on main axles biography moving pa

6、rts, the seal and so on is composed.therefore requests the main axle module to have the good running accuracy, the structure rigidity, the vibration-proof, the temperature rise and the thermal deformation and wear resistant and so on; The second part mainly explained the main axle modules layout way

7、 and main axles design as well as the rolling bearing design choice; The third parts are mainly the main axle unit parts examination computations, mainly includes main axles rigidity, first, a rear bearing reaction, main axles front end amount of deflection, first, rear bearings elastic amount of de

8、formity, the bearing pre-tight quantity, the roller receives pre-load and so on. The CK518 vertical numerical control lathe has the high speed, the great torque, characteristics and so on high rigidity. This engine bed may process each kind of minor axis class, the plate class components, turning

9、each kind of thread, the circular arc, the circular cone, the solid of revolution inside and outside surfaces, the end surface, the trench, drill, expand, the articulation and so on. This kind of engine bed widely applies in the domestic and foreign automobile profession, is one kind highly effectiv

10、e, the high accuracy, high grade, the high benefit, the low cost, the investment repayment time is short, performance price scaled height of burst engine bed, therefore designs for its one kind of fine main axle unit has the significant practical significance. Keywords Numerical control lathe Mai

11、n axle module Rigidity Bearing High-speed cutting 目 錄 引 言………………………………………………………………………………………1 第一章 主軸組件的設(shè)計(jì)介紹…………………………………………………… 2 1.1 主軸單元的組成、功用和特點(diǎn)…………………………………………………2 1.2 主軸組件的設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………2 第二章 主軸組件的結(jié)構(gòu)配置………………………………………………………8 2.1 主軸組件的布局…………………………………………………………………8 2.2 傳動(dòng)件的布

12、局………………………………………………………………9 2.3 主軸的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………9 2.4 滾動(dòng)軸承……………………………………………………………………………12 第三章 主軸組件的計(jì)算……………………………………………………………14 3.1 支承的簡(jiǎn)化………………………………………………………………………14 3.2 主軸組件剛度校核計(jì)算…………………………………………………………………15 第四章 主軸組件的密封和潤滑…………………………………………………………………18 結(jié)論…………………………………………………………………

13、……………………20 致謝………………………………………………………………………………………21 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………22 引 言 近年來高速切削的相關(guān)技術(shù)逐漸地成熟，成為正在迅速崛起的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，對(duì)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)是研究開發(fā)性能優(yōu)良的高速切削機(jī)床，因此自20世紀(jì)80年代中期以來，開發(fā)高速切削機(jī)床便成為國際機(jī)床工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流。目前適應(yīng)高速切削加工要求的高速加工中心和其他高速數(shù)控機(jī)床在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已呈普及應(yīng)用的趨勢(shì)。而我國也正在加快發(fā)展高速加工中心的生產(chǎn)、研究和應(yīng)用。。

14、 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。超高速切削，超精密加工的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，伺服性能，主軸驅(qū)動(dòng)，機(jī)床結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)。隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日臻完善，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 CK518立式數(shù)控車床，采用機(jī)電液一體化結(jié)構(gòu)，占地面積小，整機(jī)布局緊湊合理，安裝、維修方便。機(jī)床具有高轉(zhuǎn)速、大扭矩，高剛性等特點(diǎn)。該機(jī)床可加工各種短軸類，盤類零件，車削各種螺紋、圓弧、圓錐、回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外曲面、端面、溝槽、鉆、擴(kuò)、鉸等，適用于形狀復(fù)雜的中小批量零件，以及精度、尺寸一致性要求高的大批量零件的加工。該類機(jī)床在國

15、內(nèi)外汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，是一種高效、高精度、高質(zhì)量、高效益、低成本，投資回報(bào)期短，性能價(jià)格比高的機(jī)床。 CK518數(shù)控車床在主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上采用無級(jí)調(diào)速，加工穩(wěn)定性好；控制系統(tǒng)采用西門子840D系統(tǒng)，液晶顯示彩色屏，主伺服電機(jī)及進(jìn)給電機(jī)全部采用AC電機(jī)；機(jī)床的卡盤松開及卡緊在一次安裝加工中可實(shí)現(xiàn)兩種夾緊力的自動(dòng)變換，便于粗精加工在一次裝卡中完成；車床主軸垂直地面與人體站立平行，優(yōu)越于其它安裝形式，避免了主軸高速旋轉(zhuǎn)的慣性造成橢圓加工，而展現(xiàn)出近真圓的精度；因加工件自重，所以能與夾具基準(zhǔn)面準(zhǔn)確地、緊密地接觸，使加工件獲得高精度且穩(wěn)定的加工；對(duì)于不規(guī)則形狀的加工件，易于加工，上下裝卸工件容易。夾具結(jié)構(gòu)

16、簡(jiǎn)單化，制造費(fèi)用降低；高性能數(shù)控系統(tǒng)，使自動(dòng)化程度大副提高；整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)客戶需求配制不同的功能部件，車床能更好的適應(yīng)客戶的需求；機(jī)床可用于自動(dòng)生產(chǎn)線，組線容易，可組成生產(chǎn)單元，如兩臺(tái)立車就能組成一條生產(chǎn)線，進(jìn)行工件的正、反面加工。因此，可見CK518立式數(shù)控車床在市場(chǎng)的容納潛力比較大。 第一章 主軸組件的設(shè)計(jì)介紹 1.1 CK518立式數(shù)控車床主軸單元的組成、功用和特點(diǎn) 大多數(shù)機(jī)床都有主軸組件（主軸單元），有的機(jī)床只有一個(gè)主軸組件，有的則有多個(gè)，如外圓磨床具有砂輪主軸組件和工件頭架主軸組件，又如組合機(jī)床，具有幾十個(gè)主軸組件，主軸組件是由主軸、主軸軸承

17、和安裝在主軸上的傳動(dòng)件、密封件組成。 主軸組件是機(jī)床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動(dòng)工件或者刀具，完成表面成形運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還起傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩、承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此它是機(jī)床中的一個(gè)關(guān)鍵組件。 主軸和一般傳動(dòng)軸的相同點(diǎn)是，兩者都傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩并承受傳動(dòng)力，都要保證傳動(dòng)件和支承的正常工作條件。但主軸直接承受切削力，還要帶動(dòng)工件或者刀具，實(shí)現(xiàn)表面成形運(yùn)動(dòng)。因此對(duì)主軸單元有較高的要求。 1.2 CK518立式數(shù)控車床主軸組件的設(shè)計(jì)要求 對(duì)主軸組件總的要求是，保證在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，帶動(dòng)工件或刀具精確而穩(wěn)定地繞其軸心線旋轉(zhuǎn)，并

18、長期地保持這種性能。為此，對(duì)主軸組件提出以下幾方面的要求： 1.2.1 旋轉(zhuǎn)精度 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度是指機(jī)床處于空載手動(dòng)或機(jī)動(dòng)低速旋轉(zhuǎn)情況下，在主軸前端安裝工件或刀具的基礎(chǔ)面上所測(cè)得的徑向跳動(dòng)、端面跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)的大小，目的是保證加工零件的幾何精度和表面粗糙度。當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線速度為零的點(diǎn)的連線稱為主軸的回轉(zhuǎn)中心線。回轉(zhuǎn)中心線的空間位置，在理想的情況下應(yīng)是固定不變的。實(shí)際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉(zhuǎn)中心線的空間位置每一瞬間都是變化的，這些瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線的平均空間位置稱為理想回轉(zhuǎn)中心線。瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線相對(duì)理想回轉(zhuǎn)中心線在空間的位置距離，就是主軸的回轉(zhuǎn)誤差，而回轉(zhuǎn)誤差的范圍，就

19、是主軸的回轉(zhuǎn)精度。純徑向誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨(dú)存在。當(dāng)徑向誤差和角度誤差同時(shí)存在時(shí)，構(gòu)成徑向跳動(dòng)，而軸向誤差和角度誤差同時(shí)存在時(shí)構(gòu)成端面跳動(dòng)。由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)矢量，它并不是在所有的情況下都表示為被加工工件所得到的加工形狀。 主軸旋轉(zhuǎn)精度是主軸組件工作質(zhì)量的最基本的指標(biāo)，也是機(jī)床的一項(xiàng)主要精度指標(biāo)，它直接影響被加工零件的幾何精度和表面粗糙度。當(dāng)主軸工作時(shí)存在著下列運(yùn)動(dòng)：主軸繞自身旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸線的徑向跳動(dòng)，軸向竄動(dòng)和端面跳動(dòng)。主軸的旋轉(zhuǎn)精度，直接受軸承精度和間隙的影響，同時(shí)也和其他零件的（箱體、主軸本身等）的精度有關(guān)。 （1） 軸承精度和間隙的影

20、響 ① 滾道的徑向跳動(dòng). 確定主軸旋轉(zhuǎn)軸心的是軸承的滾道表面，而軸承的內(nèi)孔則決定了主軸軸承徑幾何軸心位置。當(dāng)內(nèi)圈滾道和內(nèi)孔偏心時(shí)，則主軸的幾何軸線將產(chǎn)生徑向跳動(dòng)。由于外圈一般是固定不動(dòng)的，因此外圈滾道的偏心不會(huì)引起主軸的徑向跳動(dòng)。 軸承滾道的形狀誤差會(huì)使主軸的旋轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生徑向跳動(dòng)，從而將這種形狀誤差部分地反映到被加工表面上。之所以只有部分反映，是由于滾道在載荷作用下，將產(chǎn)生彈性變形的補(bǔ)償作用。 ② 各滾動(dòng)體直徑不一致和形狀誤差，將會(huì)引起主軸旋轉(zhuǎn)軸線的徑向跳動(dòng)，使加工表面產(chǎn)生形狀誤差。每當(dāng)最大的滾動(dòng)體通過承載區(qū)一次，就使主軸旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)生一次最大的徑向跳動(dòng)。由此所引起的軸線徑向跳動(dòng)的周期取決

21、于保持架的轉(zhuǎn)速，而保持架的轉(zhuǎn)速總比內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速低。當(dāng)主軸承受載荷時(shí)，由于滾道和滾動(dòng)體的彈性變形，將會(huì)部分地補(bǔ)償滾動(dòng)體直徑不一致和形狀誤差的影響。 ③ 滾道的端面跳動(dòng)將引起主軸的軸向竄動(dòng)。主軸旋轉(zhuǎn)一圈，來回竄動(dòng)一次，相當(dāng)于在主軸上附加一個(gè)螺旋運(yùn)動(dòng)，使被加工端面變?yōu)槁菪?。若車削螺紋，則造成螺距的周期誤差。 ④ 軸承滾道和滾動(dòng)體之間的間隙，使主軸在受到變化的外力是產(chǎn)生位移，從而使主軸的旋轉(zhuǎn)軸線作復(fù)雜的周期運(yùn)動(dòng)，間隙越小，則旋轉(zhuǎn)軸線變動(dòng)越小。如果用預(yù)加載荷來消除軸承間隙，甚至造成過盈，這不僅消除了間隙的影響，而且還提高了主軸組件的剛度，使旋轉(zhuǎn)精度進(jìn)一步提高，但過盈量不宜過大。 （2）主軸本身及支

22、承座等零件精度的影響 ① 主軸軸頸的尺寸和形狀誤差，將使軸承內(nèi)圈滾道產(chǎn)生相應(yīng)的變形，形狀誤差還使軸承在各個(gè)方向的剛度不一致，從而降低了主軸工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)精度。主軸支承軸頸的同軸度，錐孔、定心軸頸對(duì)主軸軸頸的同軸度，包括偏心及中心線的偏斜，將導(dǎo)致工件在縱向截面內(nèi)幾何形狀誤差和橫向截面內(nèi)的尺寸誤差，工件在多次裝卡時(shí)會(huì)引起各加工表面的不同軸。 ② 前后支承座孔或主軸前、后軸頸的同軸度誤差，使軸承內(nèi)外圈滾道相對(duì)傾斜，引起旋轉(zhuǎn)軸線的徑向和軸向跳動(dòng)。 ③ 調(diào)整間隙用的螺母、過度套、墊圈和主軸軸肩等的端面垂直度，將使軸承裝配后因受力不均而造成滾道畸變。實(shí)踐證明，調(diào)整螺母的端面跳動(dòng)超過0.05mm時(shí)，對(duì)主

23、軸前端的徑向跳動(dòng)影響十分顯著。 必須指出，提高軸承精度是提高主軸組件旋轉(zhuǎn)精度的前提條件，但只有同時(shí)提高主軸、支承座孔以及有關(guān)零件精度時(shí)，才可能獲得較高的旋轉(zhuǎn)精度。 1.2.2 剛度 主軸組件的剛度是指其在外加載荷作用下抵抗變形的能力。通常以主軸前端部產(chǎn)生一個(gè)單位的彈性變形時(shí)，在變形方向上所加的作用力P的大小來表示，如圖1所示，即剛度值為P/y（N/m）。比值越大，剛度越大。有時(shí)也用它的反義詞柔度y/P來表示。y值直接影響加工精度，而y值與工件、刀具的安裝方式及尺寸無關(guān)，故較能反映主軸組件的結(jié)構(gòu)性能，便于對(duì)不同結(jié)構(gòu)的主軸組件進(jìn)行比較。 圖1主軸剛度值的確定 應(yīng)當(dāng)指出，在CK5

24、18立式數(shù)控車床主軸組件的工作過程中，引起y的作用力不僅有切削力P，而且還包括由切削力引起的作用在主軸端的力矩M和作用在主軸某一部位的傳動(dòng)力Q. CK518立式數(shù)控車床主軸組件的剛度，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工作質(zhì)量。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(dòng)質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動(dòng)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；在工作平穩(wěn)性方面，主軸組件的剛度不足，將使主軸在變化的切削力和傳動(dòng)力等作用下，產(chǎn)生過大的受迫振動(dòng)，并容易引起切削自激振動(dòng)，降低了工作的平穩(wěn)性。影響主軸組件剛度的因素很多，主要有:

25、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(dòng)件的布置方式、主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。 1.2.3 抗振性 主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)而保持平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。主軸組件的振動(dòng)，影響被加工表面的質(zhì)量，限制機(jī)床的生產(chǎn)率；此外，還降低刀具耐用度和機(jī)床零件的壽命，發(fā)出噪聲，影響工作環(huán)境等。生產(chǎn)上常以對(duì)加工表面質(zhì)量、精度和生產(chǎn)率的影響來衡量主軸組件的抗振性。隨著機(jī)床向高精度、高生產(chǎn)率方向發(fā)展，對(duì)抗震性要求越來越高 （1） 抵抗受迫振動(dòng)的能力 主軸組件受迫振動(dòng)的干擾力，主要包括由于主軸上旋轉(zhuǎn)零件的偏心質(zhì)量而產(chǎn)生的離心力，傳動(dòng)件運(yùn)動(dòng)不均而產(chǎn)生的慣性力，以及斷續(xù)切削產(chǎn)生

26、的周期性變化的切削力。由于這些干擾力，引起主軸并帶動(dòng)刀具或工件一切振動(dòng)，而在加工表面上留下振紋，使工件表面粗糙度提高。根據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)床加工表面粗糙度要求，確定主軸前端的允許振幅，然后計(jì)算或測(cè)定主軸組件在各種動(dòng)態(tài)干擾力的作用下，其前端的振幅，并與允許值比較，評(píng)價(jià)是否滿足要求。 粗略評(píng)價(jià)可根據(jù)機(jī)床應(yīng)達(dá)到的加工表面粗糙度的參數(shù)值，查出相應(yīng)的表面不平度的高度，考慮由工件和刀具相對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的波紋深度為（1/2—1/3），一般取1/3，表面粗糙度較低時(shí)取1/2，故在切削部位刀具與工件的允許相對(duì)振幅的單峰值=(1/4—1/6) 常用數(shù)值見表1 表1 允許相對(duì)振幅

27、 （m） 加工方式 加工表面不平度 允許相對(duì)振幅 磨削 精密 ≤1.6 0.25 一般 ≤3.2 0.5 車削 精密 ≤6.3 1.0 一般 ≤10 1.6 在單獨(dú)分析主軸組件時(shí)，只能求得主軸前端在切削部位的絕對(duì)振幅，它只能部分地反映刀具和工件之間的相對(duì)振幅。兩者關(guān)系與激振頻率有關(guān)，目前主要由實(shí)驗(yàn)來確定。此外，主軸組件的低階固有頻率與振型也是抗振性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般來說，低階固有頻率應(yīng)高些，并遠(yuǎn)離激振頻率，主軸振型的節(jié)點(diǎn)應(yīng)靠近切削部位。 （2） 抵抗切削自激振動(dòng)的能力

28、 金屬切削加工時(shí)，雖然沒有外界動(dòng)態(tài)干擾的作用，但由于機(jī)床-工件-刀具彈性系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)切削過程的反饋?zhàn)饔?，刀具與工件之間發(fā)生了周期性的強(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng)，稱為切削自激振動(dòng)，簡(jiǎn)稱顫振。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(jī)床的切削用量極限往往不是由機(jī)床的功率所決定，而是由加工時(shí)發(fā)生顫振的條件來決定。 機(jī)床切削穩(wěn)定性極限還可以由機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性來表示。 根據(jù)機(jī)床動(dòng)力學(xué)理論知，在切削過程中可能發(fā)生各種自激振動(dòng)，其中較易發(fā)生的是再生自振。產(chǎn)生自振的界限為:

29、 （1-1） 式中：—切削剛度，表示單位切削寬度下，單位切削厚度變化量所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)切削力； —機(jī)床-工件-刀具系統(tǒng)在切削部位，以切削力方向的激振力為輸入，以刀具和工件之間在切削表面法線方向的相對(duì)振幅為輸出的交叉柔度W的最大負(fù)實(shí)部。 主軸組件是顫振的主振部分，因此在單獨(dú)分析主軸組件時(shí)，可以認(rèn)為主軸前端在切削部位激振點(diǎn)動(dòng)柔度的最大負(fù)實(shí)部，反映了主軸組件抵抗切削自振的能力。即有（1-1）式可得交叉動(dòng)柔度的允許值： （1-2） 1.2.4 溫升

30、和熱變形 CK518數(shù)控立式車床主軸組件工作時(shí)因各相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦和攪油而發(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。熱變形以主軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后各部分位置的變化來度量。 CK518數(shù)控立式車床主軸組件溫升和熱變形，使機(jī)床個(gè)部件相對(duì)位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度機(jī)床尤為嚴(yán)重；熱變形造成主軸彎曲，使軸承的工作狀態(tài)變壞；還使主軸和軸承、軸承和支承座之間以調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承的正常工作，間隙過小將加速軸承的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生軸承抱軸的現(xiàn)象。 使主軸組件產(chǎn)生溫?zé)?，熱變形的熱源主要是主軸支承中的軸承、潤滑油以及直接裝在主軸上的電動(dòng)機(jī)。在溫室（C

31、）條件下，主軸軸承允許的溫度可參考表2，表中數(shù)值表示軸承外壁或臨近箱壁溫度值，當(dāng)溫度增加時(shí)，潤滑油粘度降低，軸承溫差減小，故室溫變化至C時(shí)軸承允許溫度 按下式計(jì)算： = （1-3） 式中是室溫超過C后不同潤滑劑的修正系數(shù)：20—30號(hào)機(jī)械油（20—30）厘斯/C） =0.6—0.5；3—6號(hào)主軸油（3—5厘斯/C），=0.85—0.8：潤滑脂的=0.9 表2 主軸軸承允許的溫度（C） 機(jī)床精度等級(jí) 普通機(jī)床 精密機(jī)床 高精密機(jī)床 特高精密機(jī)床 軸承外圈 允許溫度 <

32、50—55 <40—45 <35—40 <28--30 1.2.5 精度保持性 主軸組件的精度保持性是指長期地保持其原始制造精度的能力。為此，CK518立式數(shù)控車床主軸組件中的各滑動(dòng)表面，包括主軸軸頸和滑動(dòng)軸承的配合面，滾動(dòng)軸承的磨損不僅使主軸組件喪失原有的旋轉(zhuǎn)精度，而且將降低剛度和抗振性，因此必須保證這些表面的耐磨性和有調(diào)整間隙的可能。其影響因素主要有主軸、軸承的材料和熱處理，軸承的類型及潤滑方式。 第二章 主軸組件的結(jié)構(gòu)配置 2.1主軸組件的布局 為了能提高剛度和抗振性，CK518立式數(shù)控機(jī)床，其主軸組件采用三支承。 1—后軸

33、承 2—中軸承 3—前軸承 4—端蓋 圖2 主軸組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 如2圖所示：由于結(jié)構(gòu)上的原因，主軸箱長度較大，主軸支承跨距也很大，故加中間支承是有利的。但由于制造工藝上的限制，要使箱體中的三個(gè)主軸支承座孔中心完全一致是不可能的，為了保證主軸組件的剛度和旋轉(zhuǎn)精度，通常只有兩個(gè)支承起主要作用，另一個(gè)支承起輔助作用，即處在所謂“浮動(dòng)”狀態(tài)。 輔助支承采用剛度和承載能力較小的軸承，并選用其外圈與支承座孔配合比主要支承松1—2級(jí).考慮到以上因素，本次設(shè)計(jì)時(shí)主要支承與輔助支承的軸承搭配是：以雙列圓柱滾子軸承為主要支承，以角接觸球軸承為輔助支承。 以前后支承為主要支承，則中支承座壁的厚度可以小些，箱

34、體內(nèi)可有較大的空間。當(dāng)輔助支承遠(yuǎn)離主要支承時(shí)，對(duì)輔助支承座孔與主要支承座孔間的同軸度要求可以低些，相反，當(dāng)輔助支承靠近主要支承時(shí)，則對(duì)同軸度的要求較高。 2.2 傳動(dòng)件的布局 數(shù)控立式車床CK518主軸采用皮帶傳動(dòng)，通常，主軸前端受到切削力的作用，而主軸后端或中間受到皮帶傳動(dòng)力的作用。在這些力的作用下，主軸產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，各支承受到壓力，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，合理布置這些傳動(dòng)件和傳動(dòng)力的方向，可以減小主軸的受力和變形，提高主軸組件的剛度和抗振性。 CK518立式數(shù)控車床的傳動(dòng)皮帶安裝在主軸的尾部，可以防止皮帶沾油和便于皮帶的更換，為了改善主軸的受力變形情況，采用卸荷式結(jié)構(gòu)，即皮帶裝

35、在獨(dú)立的支承上，借助彈性連接傳動(dòng)主軸，這樣，傳動(dòng)力對(duì)主軸只產(chǎn)生扭矩而不產(chǎn)生彎矩，消除了傳動(dòng)力所引起的主軸彎曲變形。 2.3 主軸的設(shè)計(jì) 2.3.1主軸的結(jié)構(gòu) 主軸的結(jié)構(gòu)主要取決于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位方法，同時(shí)還要考慮主軸加工和裝配的工藝性。一般在機(jī)床主軸上安裝較多的零件，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(jì)成階梯軸，即軸徑從前軸徑起向后遞減，數(shù)控立式車床CK518采用空心軸，可以提高主軸的剛度。 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(shí)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

36、的懸伸量a,以及主軸支承跨距L。 （1）主軸直徑對(duì)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就越小，即主軸組件的剛度越高。主軸前軸頸D可根據(jù)傳遞功率確定，見表3 表3 主軸前軸頸直徑D的選擇 （mm） 機(jī)床 機(jī) 床 功 率 （千瓦） 1.47-2.5 2.6-3.6 3.7-5.5 5.6-7.3 7.4-11 11-14.7 14.8-18.4 18.5-22

37、 22-29.5 車床 60-80 70-90 70-105 95-130 110-145 140-165 150-190 220 230 主軸后軸頸直徑D和D的關(guān)系和根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式確定： D=（0.7～0.85）D （2-1） （2）主軸內(nèi)孔直徑d 由材料力學(xué)可知，剛度J正比于截面慣性矩I，它與直徑之間有下列關(guān)系： (2-2) 根據(jù)此式，可繪出主軸孔徑d對(duì)剛度的影響曲線，如圖3所示，由曲線可知，ε＜0.3時(shí)，空心與實(shí)心截面的剛度很接

38、近；當(dāng)ε=0.5時(shí)，空心主軸的剛度為實(shí)心主軸剛度的90%，對(duì)剛度影響不大；當(dāng)ε≥0.7時(shí)，則剛度急劇下降，故一般應(yīng)使ε＜0.7。 有式 ε= ＜0.7 （2-3） 得出主軸內(nèi)孔直徑d取值為d=180mm 圖3 主軸內(nèi)孔直徑對(duì)剛度的影響 (3)主軸前端懸伸量的計(jì)算 主軸懸伸量指主軸前支反力作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離。如圖4所示，它對(duì)主軸組件剛度的影響較大。在主軸前端有作用力P=10000N的情況下，若懸伸量為時(shí)， 主軸端部位移為20m，則剛度為m；當(dāng)懸伸

39、量為（=1/2）時(shí)，主軸前端位移減至6.5m，則m。這說明由于縮短懸伸量一半而使主軸組件剛度增加三倍多。因此，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡可能減少懸伸量，以利于提高主軸組件的剛度。 有經(jīng)驗(yàn)公式 可取=100mm. 圖4 懸伸量對(duì)主軸剛度的影響 （4）主軸支承跨距L 主軸支承跨距L是指主軸前后支反力作用點(diǎn)之間的距離。由公式（2—4）可計(jì)算出， （2-4） 式中：—跨距 —主軸材料的彈性模量，值約是2.110N/CM —主軸截面平均慣性矩，= —主軸懸伸量，—前，后支承剛度。

40、 代入數(shù)據(jù)得=420mm. 2.3.2主軸的材料與熱處理 CK518立式數(shù)控車床主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、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有關(guān)，鋼的E值較大，所以主軸材料首先考慮用鋼。因?yàn)殇摰腅值與鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，因此在選擇時(shí)首先選擇價(jià)格便宜的中碳鋼，只有在載荷特別大和有較大的沖擊時(shí)，或者精密機(jī)床主軸需要減小熱處理變形時(shí)等等，才考慮選用合金鋼。 CK518數(shù)控車床采用滾動(dòng)軸承，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，仍進(jìn)行高頻淬火。根據(jù)機(jī)床主軸常用的材料和熱處理要求查設(shè)計(jì)手冊(cè)可得：CK518機(jī)床主軸采用45鋼，調(diào)質(zhì)熱處理

41、，硬度為HB220～250。 2.4 滾動(dòng)軸承 滾動(dòng)軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、配置、精度、安裝、調(diào)整和潤滑等都直接影響主軸組件的工作性能。主軸的旋轉(zhuǎn)精度在很大成度上由其軸承決定，故主軸軸承應(yīng)具有：旋轉(zhuǎn)精度高、剛度大、承載能力強(qiáng)、抗振性好、速度性能高、摩擦功耗小、噪聲低和壽命長等特點(diǎn)。滾動(dòng)軸承具備上述特點(diǎn)，因此數(shù)控立式車床CK518采用滾動(dòng)軸承，故這里主要介紹滾動(dòng)軸承的預(yù)緊特點(diǎn)： 為了提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，增加軸承裝置的剛性，減小機(jī)器工作時(shí)軸的振動(dòng)，CK518立式數(shù)控車床的主軸軸承用預(yù)緊來提高其旋轉(zhuǎn)精度與軸向剛度。 所謂預(yù)緊，就是在安裝時(shí)用某種方法在軸承中產(chǎn)生并保持一軸向力，

42、以消除軸承中的軸向游隙，并在滾動(dòng)體和內(nèi)、外圈接觸處產(chǎn)生初變形。預(yù)緊后的軸承受到工作載荷時(shí)，其內(nèi)圈的徑向及軸向相對(duì)移動(dòng)量要比未預(yù)緊的軸承大大地減小。常用的預(yù)緊裝置有：1.夾緊一對(duì)圓錐滾子軸承的外圈而預(yù)緊（下圖5 a）；2.用彈簧預(yù)緊，可以得到穩(wěn)定的預(yù)緊力（下圖5 b）；3.在一對(duì)軸承中間裝入長度不等的套簡(jiǎn)而預(yù)緊，預(yù)緊力可由兩套筒的長度差控制（下圖5 c），這種裝置剛性較大；4.夾緊一對(duì)磨窄了的外圈而預(yù)緊（下圖5 d）；反裝時(shí)可磨窄內(nèi)圈并夾緊。這種特制的成對(duì)安裝角接觸球軸承，可由生產(chǎn)廠選配組合成套提供。在滾動(dòng)軸承樣本中可以查到不同型號(hào)的成對(duì)安裝角接觸球軸承的輕、中、重三個(gè)系列預(yù)緊載荷值及相應(yīng)的內(nèi)圈

43、或外圈的磨窄量。 根據(jù)上述各特點(diǎn)和軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，查滾動(dòng)軸承手冊(cè)，選擇前軸承為NN3060K,中軸承為7060，后軸承為NN3056K。前軸承預(yù)緊量留3m，后軸承預(yù)緊量留0m 圖5 軸承的預(yù)緊 第三章 主軸組件的計(jì)算 CK518立式數(shù)控車床主軸組件設(shè)計(jì)部分參數(shù)： 最大切削力： 14700N 主軸最大扭矩: 2940Nm 主電動(dòng)功率： 15KW 橫梁移動(dòng)電動(dòng)功率： 1.5KW CK518立式數(shù)控車床主軸往往有較高的剛度要求, 因此, 軸承直徑的尺寸往往較大, 根據(jù)這些軸承

44、直徑尺寸所選定的滾動(dòng)軸承, 其疲勞壽命往往是較長的, 因此常常不需要作疲勞壽命的計(jì)算, 這類軸承的選擇主要取決于其精度和剛度。而主軸的軸向剛度完全取決于軸承的軸向剛度, 下面主要對(duì)主軸組件的剛度進(jìn)行校核計(jì)算。 3.1 支承的簡(jiǎn)化 先將主軸組件簡(jiǎn)化為主軸組件計(jì)算模型, 由于一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承只承受軸向力, 故可將支承點(diǎn)簡(jiǎn)化為雙列圓柱滾子軸承中心, 見圖6 圖6　主軸組件計(jì)算模型 3.2 主軸剛度計(jì)算 已知主軸前軸承NN3060K 軸承內(nèi)徑=300mm , 后軸承NN3056K 軸承內(nèi)徑=280mm , 跨距=420mm , 主軸前端懸伸量=100mm ,主軸孔直

45、徑=180mm ,前軸承預(yù)緊量=3m, 后軸承預(yù)緊量0,主軸前端加載=6000N , 則主軸的徑向剛度為: ==() （3-1） 式中: —主軸的前端撓度, m; —前軸承的彈性變形量, m; —后軸承的彈性變形量, m。 3.2.1　計(jì)算軸承支反力 前軸承支反力 為: （3-2） 代入數(shù)據(jù)得：=7428.57N 后軸承支反力 為: = - （3-

46、3） = 1428.57N 3.2.2　主軸前端撓度的計(jì)算 主軸的當(dāng)量直徑為: mm （3-4） 在軸端載荷F 的作用下, 主軸前端撓度 可按下式計(jì)算: = F/[30()] （3-5） 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算得: = 0.139m。 3.2.3　軸承徑向彈性變形量計(jì)算 經(jīng)查表知軸承NN3060K 滾動(dòng)體列數(shù)=2, 每列中的滾動(dòng)體數(shù)=30, 滾動(dòng)體有效長度=8.8mm;軸承NN3056K 的相關(guān)參數(shù)為=2,

47、=27, =8.8mm。 (1) 前軸承徑向彈性變形量 的計(jì)算 前軸承為NN3060K, 預(yù)緊量=3m, 這時(shí)一個(gè)滾子的預(yù)載荷可由下式求得: = 0.077 （3-6） 式中: ——軸承預(yù)緊量, m; ——滾子所受預(yù)載荷,N; ——滾動(dòng)體有效長度,mm。 由式(3-6) 可推算出= =, 則= 404.49N , 相當(dāng)于前軸承增加了附加載荷, 可由= 5/iz 中推算出 = /5 (3-7) = 4853.88N

48、 則前軸承所受載荷為: = + (3-8) = 12282.45N 前軸承的總彈性變形為: = 0.077/ (3-9) = 0.077(5/)/= 7.012m 扣除預(yù)緊量3m, 實(shí)際總變形量為″= 7.012-3= 4.012m。 折合到主軸前軸承的彈性變形量 為: = (+ )/

49、= 4.967m (3-10) (2) 后軸承徑向彈性變形量 計(jì)算 同理可算出主軸后軸承的彈性變形量 =0.386m。 故主軸組件的剛度 為: =F/(++) (3-11) =1092.5Nm 從主軸單元樣本可以看出, 同類型同尺寸軸承主軸單元的剛度值與計(jì)算基本吻合, 軸承內(nèi)徑與剛度曲線見圖7 圖7 軸承內(nèi)徑和徑向剛度曲線圖 因此, 可以說明CK518 數(shù)控車床主軸的剛度完全滿足設(shè)計(jì)要求。而該機(jī)床在使用中也完全能達(dá)到各項(xiàng)精度要求。 第四章 主軸組件的

50、密封和潤滑 （1）CK518立式數(shù)控車床設(shè)計(jì)主軸組件的密封裝置時(shí)要考慮下列要素：① 適應(yīng)主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的潤滑方式和工作溫度，在工作壓力和工作溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能，密封部位的摩擦力應(yīng)盡量小，磨損后能作一定程度的自動(dòng)補(bǔ)償。② 適應(yīng)軸承的工作環(huán)境、潤滑劑的腐蝕。③ 潤滑劑的選用原則：為了獲得良好的潤滑效果，潤滑劑必須具備：較低的摩擦系數(shù)，良好的吸附能力以及滲入能力，以便能夠很好地滲入到摩擦副的微小間隙內(nèi)，牢固吸附在摩擦面上，形成具有一定強(qiáng)度的抗壓油膜。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)軸承的類型、速度和工作負(fù)荷選擇潤滑劑的種類和潤滑方式，如果潤滑劑和潤滑方式選擇得合適，可以降低軸承的工作溫度并

51、延長軸承的使用壽命。 （2）滾動(dòng)軸承的潤滑 滾動(dòng)軸承可以用潤滑脂或潤滑油來潤滑。試驗(yàn)說明，在速度較低時(shí)，用潤滑脂比用潤滑油溫升低；速度較高時(shí)，用潤滑油較好。一般情況下，判斷的指標(biāo)是速度因數(shù)dn。d為軸承內(nèi)徑（mm），n為轉(zhuǎn)速（r/min）。 ① 脂潤滑 脂潤滑可用于dn值較低，又不需要冷卻的場(chǎng)合。脂潤滑的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不存在漏油問題。使用潤滑脂進(jìn)行潤滑，潤滑脂的充填量不宜過多，不能把軸承填滿。否則將引起軸承發(fā)熱并把脂熔化流出，潤滑效果將適得其反。另外填充油脂時(shí)不要用手抹（因手上有汗，會(huì)腐蝕軸承），應(yīng)該用針筒注入，使?jié)L道和每個(gè)滾動(dòng)體都粘上脂。 ②油潤滑 油潤滑適用一切轉(zhuǎn)速，既可以起潤滑作

52、用，又能起沖洗降溫作用。潤滑油的粘度是隨油溫的升高而降低的。為了保證滾動(dòng)體與滾動(dòng)道接觸面內(nèi)有足夠強(qiáng)度的油膜，應(yīng)使?jié)櫥驮谳S承工作溫度下的粘度為12～23cst。轉(zhuǎn)速越高，粘度應(yīng)越低，負(fù)荷越重，粘度應(yīng)越高。如果軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)中使用普通軸承，而且軸系運(yùn)行速度不是很高，潤滑一般采用油浴方式；對(duì)于精度較高的設(shè)備，要求使用精密軸承，建議使用滴油或循環(huán)方式供油潤滑，因?yàn)椴捎眠@兩種潤滑方式，可以對(duì)潤滑油進(jìn)行更好的過濾，減少贓物進(jìn)入軸承，同時(shí)這兩種潤滑方式可以使?jié)櫥统浞稚?，可以更好使軸承降溫。 通過以上兩種比較，CK518立式數(shù)控車床的潤滑選用油潤滑。 （3）密封結(jié)構(gòu) 機(jī)械系統(tǒng)中的密封結(jié)構(gòu)，對(duì)于油潤滑的

53、軸承結(jié)構(gòu)來說，為的是防止?jié)櫥屯饴┖突覊m屑末切削液等進(jìn)入；對(duì)于脂潤滑的軸承結(jié)構(gòu)來說，由于脂不會(huì)外泄，主要是防止上述外物。脂潤滑的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)防止外物進(jìn)入的要求高些，因此對(duì)于密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是考慮防漏和外物的侵入。 潤滑油的防漏主要靠疏導(dǎo)，同時(shí)也要設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)。由于角接觸軸承有泵油作用， 而軸承一般是背靠背安裝，所以主軸箱和端蓋之間要有回油通道，以便潤滑和防漏。甩油環(huán)密封結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)就能起到防漏和疏導(dǎo)作用。潤滑油經(jīng)軸承后，向右經(jīng)螺母外流。螺母的外圓有鋸齒形環(huán)槽。主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)將油泵向壓蓋內(nèi)的空腔，然后經(jīng)回油孔流回主軸箱。鋸齒的方向應(yīng)逆著油流的方向。環(huán)形槽應(yīng)有2～3條，回油孔直徑應(yīng)盡量大一些。

54、 結(jié) 論 主軸單元作為CK514數(shù)控立式車床的一個(gè)重要的組成部分，對(duì)它的設(shè)計(jì)及改造成為機(jī)床設(shè)計(jì)及改造的核心之一。經(jīng)過近4個(gè)月的設(shè)計(jì)工作，圍繞CK514主軸單元進(jìn)行的設(shè)計(jì)改造，經(jīng)過前期的理論、數(shù)據(jù)及資料準(zhǔn)備，中期的結(jié)構(gòu)模型的建立及設(shè)計(jì)定型，后期圖紙的繪制以及設(shè)計(jì)說明書的撰寫等一系列的研究設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)出來的主軸單元基本上滿足了旋轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、靜剛度、抗振性、溫升和熱變形及耐磨性等主要性能，可以提高機(jī)床的加工質(zhì)量和加工效率，符合CK514數(shù)控立式車床的加工需要。 在數(shù)控立式車床CK514主軸單元的設(shè)計(jì)中采用了空心軸結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既保證

55、了主軸剛度又具有良好的經(jīng)濟(jì)性；三支承的主軸單元布局形式保證主軸單元良好的傳動(dòng)精度和剛度；法蘭式軸端的設(shè)計(jì)起到簡(jiǎn)化主軸單元的作用，同時(shí)也便于主軸單元的安裝；前軸承和法蘭式軸端間裝入迷宮式擋塊，既保證了前軸承的定位，又起到良好的潤滑和密封作用；機(jī)床主軸往往有較高的剛度要求, 因此, 軸承直徑的尺寸往往較大, 根據(jù)這些軸承直徑尺寸所選定的滾動(dòng)軸承, 其疲勞壽命往往是充足的, 因此常常不需要作疲勞壽命的計(jì)算, 這類軸承的選擇主要取決于其精度和剛度，而主軸的軸向剛度完全取決于軸承的軸向剛度；軸承的選擇是個(gè) 重點(diǎn)和難點(diǎn)，所選軸承既要滿足主軸運(yùn)轉(zhuǎn)需要，又要保持主軸的精度和剛度要求。

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