机械制造装备设计第4版教学课件ppt作者关慧贞第三章典型部件设计.ppt
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1、机械制造装备设计,目 录,第一章 机械制造及装备设计方法,第二章 金属切削机床设计,第三章 典型部件设计,第七章 机械加工生产线总体设计,第五章 机床夹具设计,第四章 工业机器人设计,第六章 物流系统设计,第一节 主轴部件设计,第二节 支承件设计,第三节 导轨设计,第四节 机床刀架和自动换刀装置设计,第三章 典型部件设计,3.1 主轴部件设计,主轴部件是机床的执行件,由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。,3.1.1 主轴部件应满足的基本要求,基本要求: (1)旋转精度:装配后,在无载荷、低速转动条件下,在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔
2、等的制造、装配和调整精度 (2)刚度:是指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变性的能力。主轴部件的刚度是综合刚度,它是主轴、轴承等刚度的综合反映。 (3)抗振性:是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。 (4)温升和热变性:主轴部件运 转时,因各相对处的摩擦生热,切 削区的切削热等使主轴部件的温度 升高,形状尺寸和位置发生变化, 造成主轴部件的所谓热变性。 (5)精度保持性:是指长期地保 持其原始制造精度的能力。,3.1.2 主轴部件的传动方式,(1)齿轮传动:特点是结构简单、紧凑,能够传 递较大的扭矩,能适应变转速、变载荷工作, 应用最广。缺点是线速度不能过高,通常小 于1215m/s。 (2)带传动:
3、特点是靠摩擦力传动(除同步齿形 带外)、结构简单、制造容易、成本低,特 别适用于中心距较大的两轴间传动。皮带有 弹性可吸振,传动平稳,噪声小,适宜高速 传动。带传动在过载中会打滑,能起到过载 保护作用。缺点是有滑动,不能用在速比要 求准确的场合。,主轴部件的传动方式,齿轮传动,带传动,电动机直接驱动,各传动类型具有什么特点,3.1.2 主轴部件的传动方式,(2)带传动: 同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上 的轮齿相啮合传递运动和动力。同步齿形 带的齿形有两种:梯形齿和圆弧齿。 (3)电动机直接驱动方式:特点是主轴单元大 大简化了结构,有效地提高了主轴部件的 刚度,降低了噪声和振动;有较宽的调速
4、 范围;有较大的驱动功率和扭矩;便于组 织专业化生产。广泛应用于精密机床、高 速加工中心和数控车床中。,3.1.3 主轴部件结构设计,卧式铣床变速箱,主轴部件结构 设计应该包括 哪些方面?,主轴,支承,支承数目,支承方式 (轴承配置 形式),传动件 (传动件布置),主要参数,构造,材料,热处理,技术要求,3.1.3 主轴部件结构设计,(一)主轴部件的支承数目 多数机床的主轴采用前、后两个支承。 为提高刚度和抗振性,有的机床采用三个支承。三个支承中可以前、后支承为主要支承,中间支承为辅助支承;也可以前、中支承为主要支承,后支承为辅助支承。且后者应用较多。,卧式铣床变速箱,某加工中心主轴箱展开图,
5、3.1.3 主轴部件结构设计,(1)前端配置:两个方向的推力轴承都布置在前支承外。这类配置方案在前支承处轴承较多,发热大,温升高;但主轴受热后向后伸长,不影响轴向精度,精度高,对提高主轴部件刚度有利。用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。 (2)后端配置:两个方向的推力轴承都布置在后支承处。这类配置方案前支承处轴承较少,发热小,温升低;但主轴受热后向前伸长,影响轴向精度。用于轴向精度要求不高的普通精度机床,如立铣、多刀车床等。,推力轴承位置的配置形式(推力轴承布置在什么位置),前端配置,后端配置,两端配置,中间配置,各配置形式各有什么特点?,3.1.3 主轴部件结构设计,(二)推力
6、轴承的位置配置型式 (3)两端配置:两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。这类配置方案当主轴受热伸长后,影响主轴轴承的轴向间隙。为避免松动,可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。常用于短主轴,如组合机床主轴。 (4)中间配置:两个方向的推力轴承在前支承的后侧。这类配置方案可减少主轴的悬伸量,并使主轴的热膨胀向后;但前支承结构较复杂,温升也可能较高。,3.1.3 主轴部件结构设计,(三)主轴传动件位置的合理布置 (1)传动件在主轴上轴向位置的合理布置 合理布置传动件在主轴上的轴向位置,可以改善主轴的受力情况,减少主轴变形,提高主轴的抗振性。主轴上传动件轴向布置时,应尽量靠近前支承,有多个传动件时,
7、其中最大传动件应靠近前支承。(意义),主轴传动件位置布置的内容,主轴上传动件的位置,各传动轴的位置,传动件在主轴上的布置方式,应尽量靠近前支承,有多个传动件时,其中最 大传动件应靠近前支承。(原则),主轴前支承内侧,主轴前悬伸端,主轴后悬伸端,3.1.3 主轴部件结构设计,(四)主轴主要结构参数的确定,请指出以下结构参数?,(1)主轴前轴径直径D1 (2)主轴内孔直径d (3)主轴前端悬伸量a (4)主轴主要支承间跨距L,1,2,3,4,3.1.3 主轴部件结构设计,(1)主轴前轴径直径D1 按机床类型、功率和加工直径查表 (2)主轴内孔直径d 满足工艺要求的,不削弱强度情况下的较大值 (3)
8、主轴前端悬伸量a 取决于主轴端部结构、前支承轴承配置等,由结构设计决定 (4)主轴主要支承间跨距L 综合主轴弯曲和支承变形,确定最佳跨距,1,2,3,4,3.1.3 主轴部件结构设计,(五)主轴 (1)主轴的构造 主轴的构造和形状主要取决于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。 (2)主轴的材料和热处理 普通机床主轴可选用中碳钢(如45钢),调质处理后,在主轴端部、椎孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬,以提高其耐磨性。 (3)主轴的技术要求 首先制定出满足主轴旋转精度所需的技术要求;再考虑表面粗糙度、表面硬度等,主支承轴颈,设计基准,3.1.
9、4 主轴滚动轴承,主轴部件中最重要的组件是什么?,轴承,进行主轴部件设计时候,关于轴承我们需要考虑哪些方面的问题?,1、选择哪些类型的轴承(轴承组合),满足转速、承载、精度等要求 (轴承配置、精度选择),2、如何布置轴承(推力轴承布置已学习) (轴承配置部分涉及一些),3、如何应用轴承 (轴承预紧、润滑和密封),3.1.4 主轴滚动轴承,(二)几种典型的主轴轴承配置型式 主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。,良好的高速性能,承 载小(高速轻载荷精 密机床),角接触球轴承,中等转速、切削负载 大、要求刚度高(如 数控车床、镗床),双(三)联角接触 球+双列圆柱
10、滚子,径向刚性好,并有较 高的转速(如卧式铣 床),双列圆柱滚子+角接 触双列推力球+双列 圆柱滚子轴承,速度型,刚度型,刚度速度型,3.1.4 主轴滚动轴承,(二)几种典型的主轴轴承配置型式,高速CNC车床,CNC型车床,卧式铣床,角接触球轴承,双列圆柱滚子+角接 触双列推力球+双列 圆柱滚子轴承,双(三)联角接触 球+双列圆柱滚子,3.1.4 主轴滚动轴承,(三)滚动轴承精度的选择 前轴承的精度要选得高一点,一般比后轴承高一级。 安装轴承时,如果将前后轴承的偏移方向放在同一侧, 则可以有效减少主轴端部的偏移。 主轴的精度等级:P0、P6、P5、P4(SP)、P3、P2(UP) (四)主轴滚
11、动轴承的预紧 预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙,而且有 一定的过盈量,使滚动体和内外圈接触部分产生预变形, 增加接触面积,提高支承刚度和抗振性。预紧力通常分为 三级:轻预紧、中预紧和重预紧,代号为A、B、C。 (1)双列圆柱滚子轴承预紧有两种方式:一是用螺母轴 向移动轴承内圈;二是采用过盈套进行轴向固定。 (2)角接触轴承使内外圈产生轴向错位,同时实现径向和 轴向预紧。,3.1.4 主轴滚动轴承,(五)滚动轴承的润滑和密封 润滑的作用减少摩擦、降低温升和防止腐蚀 润滑不良的影响轴承温升剧增,加速轴承的磨损,影响主轴组件的正常工作,滚动轴承润滑剂和润滑方式的选择依据,轴承的类型、转速和工作
12、载荷,滚动轴承润滑剂主要有哪两种?,润滑脂和润滑油,速度较低时,温升较低用哪种润滑剂? 速度较高时候用哪种润滑剂?,主轴滚动轴承的密封,作用: 1.防止灰尘、屑未和切削液等进入轴承,以减少腐蚀和磨损; 2.防止润滑油外漏,保护环境,避免污染,密封方式: 分接触式密封和非接触式密封两类。 接触式: 有摩擦和磨损,发热严重,用于低速主轴。如径向密封圈和毛毡密封圈。 非接触式: 迷宫式和隙缝式,发热很小,应用广泛。又分为间隙式、曲路式和垫圈式。 为保证密封作用,旋转部分与固定部分之间的径向间隙应小于0.20.3mm,还要有回孔油,以防漏油。,3.2 支承件设计,一、支承件的功能和应满足的基本要求,二
13、、支承件的结构设计,三、支承件的材料,四、提高支承件结构性能的措施,3.2 支承件设计,该学习内容具有普适性 学习目标: 理解支撑件结构设计的基本方法; 掌握机床支撑件设计的几个原则(书本知识) 思考: 支撑件的主要作用, 设计中的关键要素是什么,3.2 支承件设计,支撑件结构设计的基本原理根据受力情况进行合理的结构拓扑。赵州桥就是合理结构拓扑的典型,机床支承件设计也是类似的道理。,3.2.1 支承件的功能和应满足的基本要求,机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件,相 互固定联接成机床的基础和框架。机床上其它零部件可 以固定在支承件上,或者工作时在支承件的导轨上运动,支承件包括什么?,支
14、承件的作用是什么?,机床的支承件的主要功能是保证机床各零部件之间的相 互位置和相互运动精度,并保证机床有足够的静刚度、 抗振性、热稳定性和耐用度。,支承件主要承受哪些载荷?,重力 切削力 摩擦力 传动力,3.2.1 支承件的功能和应满足的基本要求,支承件应满足的基本要求: (1)应具有足够的刚度和较高的刚度质量比 (2)应具有良好的动态特性,各阶频率不致引起 结构共振 (3)热稳定好 (4)排屑畅通、调运安全,并具有良好的结构工艺性,(一)机床的类型、布局和支承件的形状 机床的类型可分为三类:中小型机床、精密和高精密 机床、大型和重型机床 机床的布局形式直接影响支承件的结构设计。中型卧 式车床
15、采用前倾车身、前倾托板布局形式较多,优点 是排屑困难,不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身 而产生热变形;容易安装自动排屑装置;创深设计成 封闭的箱形,能保证有足够的抗弯和抗扭强度。 支承件的基本形状:箱形类、板块类、梁类,3.2.2 支承件的结构设计,(二)支承件的截面形状和选择 支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下,具有最大静刚度。静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度,均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同,即使同一材料、相等的截面面积,其抗弯和扭转惯性矩也不同。比较后可知: (1)空心截面的刚度都比实心的大 (2)圆(环)形截面的抗扭刚度比方形好,而抗弯刚度比方形低 (3)封闭截面的刚度远远
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