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数控机床主轴组件设计及刚度计算


第 2 期 ( 总第 123 期) 2004 年 4 月

机械工程与自动化 M ECHAN ICAL  EN G I EER I G & AU TOM A T I N N ON

文章编号: 167226413 ( 2004) 0220071202

数控机床主轴组件设计及刚度计算
杨美英

( 太原第一机床厂, 山西 太原 030012)

摘要: 介绍 CN C30 数控车床主轴组件的性能要求和组成, 以及主轴轴承、 主轴组件的刚度计算。 关键词: 主轴; 组件; 轴承; 刚度; 设计 中图分类号: T G502   文献标识码: A

0 引言

近年来高速切削的相关技术逐渐地成熟, 已成为 正在迅速崛起的一项先进制造技术, 对机械制造业发 展产生了深远的影响。 实现高速切削的关键技术是研 究开发性能优良的高速切削机床, 因此自 20 世纪 80 年代中期以来, 开发高速切削机床便成为国际机床工 业技术发展的主流。 目前适应高速切削加工要求的高 速加工中心和其它高速数控机床在工业发达国家已呈 普及应用的趋势, 而我国也正在加快发展高速加工中 心的生产、 研究和应用。 正是基于机床发展的这种趋 势, 我厂引进技术设计制造了 CN C30 全功能数控车 床, 该机床采用整体底座结构, 能够满足高速加工的 稳定性和大扭矩加工高效率的要求。 其主轴最高转速 可达 6 000r m in, 液压刀架后置, 全封闭防护设计, 有 利于排屑和防止冷却液飞溅外漏等, 可满足用户对加 工件高精度、 低表面粗糙度以及高效率的要求。 1 主轴组件的设计 高速主轴是机床的关键部件之一, 机床主轴的转 速、 功率、 动态平衡、 刚性及热变形特性等对机床的 刚性和热稳定性都有相当程度的影响。 因此设计高效 数控机床的主轴组件时, 主轴应满足高速度和高刚性 的要求; 设计高精度数控机床时, 主轴应满足高精度 低温升的要求等。 我厂设计制造的 CN C 30 数控车床 主轴正是按这一要求设计的。主轴组件结构图见图 1。 由图 1 可见, 该主轴是装在前后支承之间, 通过 后端皮带轮传动运动的。 而影响主轴部件旋转精度的 主要因素有主轴的制造精度、 轴承的制造精度与支承 座孔的制造精度、 调整螺母与衬套隔圈等的制造精度、 主轴装配与调整质量以及工作时的温升等, 其中起决
收稿日期: 2003212210

定性作用的是轴承的精度, 尤其是前轴承, 故将前轴 承精度取为 P 4 级, 后轴承精度取为 P 5 级。 影响主轴组 件刚度的主要因素有主轴的结构尺寸、 轴承类型与配 置形式、 轴承间隙的大小、 传动件的布置方式、 主轴

1 ——轴承 NN 3018K; 2 ——角接触球轴承 100BA 10XDBEL ; 3 ——轴承 NN 3020K; 4 ——主轴

图 1 数控机床主轴组件结构示意图

作者简介: 杨美英 (19652) , 女, 山西省太原市人, 工程师, 1987 年毕业于太原理工大学, 本科。

1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

组件的制造和装配质量等。 由于该机床主轴要求高刚 度、 高转速, 因此前轴承采用双列圆柱滚子轴承, 内 孔为锥面, 型号为 NN 3020K, 主要承受径向载荷; 轴 向 载 荷 由 一 对 背 靠 背 组 配 Α = 30° 型 号 为 、 100BA 10XDB EL 推力角接触球轴承承受, 由于一对背 靠背角接触球轴承支承点的距离较大, 因而能产生一 个较大的抗弯力矩。 主轴后轴承采用 NN 3018K 双列 圆柱滚子轴承, 主轴运转发热后膨胀, 该轴承外圈是 可分的, 由图 1 可见, 膨胀主轴带着内圈及滚子, 沿 轴向方向上在外圈滚道上自由移动, 减小了主轴的轴 向受力。 由于运动是由电机通过三角皮带直接传给主 轴, 减少了产生热变形和振动的因素, 这样就保证了 主轴的旋转精度和刚度。

N o 12 A p r1

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2 主轴组件的刚度计算

机 械 工 程 与 自 动 化                2004 年第 2 期 

机床主轴往往有较高的刚度要求, 因此, 轴承直 径的尺寸往往较大, 根据这些轴承直径尺寸所选定的 滚动轴承, 其疲劳寿命往往是富裕的, 因此常常不需 要作疲劳寿命的计算, 这类轴承的选择主要取决于其 精度和刚度。 而主轴的轴向刚度完全取决于轴承的轴 向刚度, 下面主要对主轴组件的径向刚度进行校核计 算。 211 支承的简化 先将主轴组件简化为主轴组件计算模型, 由于一 对背对背角接触球轴承只承受轴向力, 故可将支承点 简化为双列圆柱滚子轴承中心, 见图 2。
图 2 主轴组件计算模型

212 主轴刚度计算

已 知 主 轴 前 轴 承 NN 3020K 轴 承 内 径 D 1 = 100mm , 后轴承 NN 3018K 轴承内径 D 2 = 90mm , 跨距
l = 264mm , 主轴前悬伸 a = 80mm , 主轴孔直径 d i =

6215mm , 前轴承预紧量 r = 3Λ , 后轴承预紧量= 0, m

主轴前端加载 F = 6 000N , 则主轴的径向刚度为: K = F ∑ = F ( S + + ) 。 …………… ( 1) A B 式中: S ——主轴的前端挠度, Λ ; m ——前轴承的径向弹性变形量, Λ ; A m ——后轴承的径向弹性变形量, Λ 。 B m 21211 计算轴承支反力 前轴承支反力 F 1 为: F 1 = F × ( l + a ) l = 7 818118N 。 后轴承支反力 F 2 为: F 2 = F 1 - F = 1 818118N 。 21212 主轴前端挠度的计算 主轴的当量直径 d 为: d = (D 1 + D 2 ) 2= 95mm 。 在轴端载荷 F 的作用下, 主轴前端挠度 s 可按下 式计算: 2 4 4 s = F la 30 ( d - d i ) 。 将有关数据代入计算得 s = 51105Λ 。 m 21213 轴承径向弹性变形量计算 经查表知轴承 NN 3020K 滚动体列数 i1 = 2, 每列 中的滚动体数 Z 1 = 30, 滚动体有效长度 la1 = 818mm ;

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轴 承 NN 3018K 的 相 关 参 数 为 i2 = 2, Z 2 = 27, la2 = 818mm 。 ( 1) 前轴承径向弹性变形量 计算 A 前轴承为 NN 3020K, 预紧量 r = 3Λ , 这时一个 m 滚子的预载荷可由下式求得: 019 018 r = 01077Q r la 。 ………………………… ( 2) 式中: r ——轴承预紧量, Λ ; m Q r ——滚子所受预载荷, N ; la ——滚动体有效长度, mm 。 1 由式 ( 2 ) 可推算出 Q 01 9 = r la1 018 01077 = 3 × 818 018 r 01077, 则 Q r1 = 404149N , 相当于前轴承增加了附加载 荷 F rp , F rp 可由 Q r = 5F rp iZ 中推算出 F rp = Q r1 i1 ·Z 1 5= 4 853188N 。 则, 前轴承所受载荷 F a ′ : 为 = F a ′ F 1 + F rp = 12 6721056N 。 前轴承的总弹性变形为: 019 018 A = ′ 01077 × Q r1 la1 = 01077 × ( 5F a ′ 019 018 i1 Z 1 ) la 1 = 71116 Λ 。 m 扣除预紧量 3Λ , 实际总变形量为 ″ 71116m A = (Λ )。 3= 41116 m 折合到主轴前轴承的径向弹性变形量 为: A = ″ ( l + a ) l = 51363Λ 。 A A × m ( 2) 后轴承径向弹性变形量 计算 B 同理可算出主轴后轴承的径向弹性变形量 = B 01413Λ 。 m 213 主轴组件的径向刚度 主轴组件的径向刚度 K 为: K = F ( S + + ) = 551142N Λ 。 A B m 从瑞典 SKF 公司的主轴单元样本可以看出, 同类 型同尺寸轴承主轴单元的径向刚度值与我们的计算基 本吻合, 轴承内径与径向刚度曲线见图 3。
图 3 轴承内径和径向刚度曲线图

因此, 可以说明 CN C30 数控车床主轴的刚度完 ( 下转第 74 页)

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机 械 工 程 与 自 动 化                2004 年第 2 期 

无进给磨削对导柱导套进行精加工, 以保证导柱导套 的表面质量。这样加工后的导柱导套无烧伤、无缺陷, 能满足装配需求, 使用性能也会有所提高。
3 通过红套的冷热比较得出较好的加工工艺

模表面性能降低, 影响了凹模的使用寿命, 冲制时容 易引起凹模的损伤。 而用冷套的加工工艺可避免残余奥氏体的转变, 从而保持最佳的结构与性能。 同时, 通过压力进行红 套还可间接消除前道工序所产生的残余应力, 使凹模 受力均匀、 平衡, 在冲制时可以保证其使用性能。 为了验证冷套工艺的可行性, 在转子单槽冲凹模、 定 子端板冲的工艺中试用了此种工艺方法, 经过 3 个月 ~
6 个月的使用验证, 结果显示用冷套加工的凹模使用

在进行冷冲模单槽冲凹模的加工过程中发现, 凹 模在红套时由于热套的加热温度较高, 导致凹模发生 退火现象。 针对这一现象, 我们经过对热处理、 钳工 等各道工序进行技术分析研究, 提出用冷套代替热套 的加工工艺方法。 热套的加工工艺方法是: 加热到高温, 由于 C r12 与 45 钢的热膨胀系数不同, 可使它们在加热后得到间 隙而紧固在一起; 冷套的加工工艺方法是: 在加工好 需要红套的两块材料后, 在油压机上通过压力迫使二 者紧固在一起。 在热套的加工工艺过程中, 由于需加热到 450℃ ~ 550℃, 之前淬火得到的 C r12 中含有的残余奥氏体会 产生退火现象, 表面的残余奥氏体转变为贝氏体组织, 造成较低的表面塑变抗力, 强度与韧性降低。 这样凹

寿命延长了 1 5, 首次刃磨时, 冲模冲次提高 5 万 10 ~ 万次, 并得到了较好的冲制效果, 达到了预期目的。 4 结语 通过上述几种工艺方案, 可以显著增强冷冲模的 使用寿命, 且在加工过程中并没有花费许多时间, 对 设备的要求也没有明显提高, 在目前的生产状态下基 本可以满足这种需求, 实践证明这几种工艺方案是可 行的。

Research on the M ethod of Increa sing the Serv ice L ife of the Cold Punch ing D ie
ZHANG Yan - p ing
( T aiyuan E lectric M o to r M anufactu ing Co. L td. , T aiyuan 030012, Ch ina)

Abstract: It is the key to the d ie p roducing to increa se the service life of the co ld p unch ing d ie. T h is p ap er p u t fo rw a rd som e m ea2 su res to i p rove the d ie p roducing techno logy. m Key words: service life; co ld p unch ing d ie; resea rch

( 上接第 72 页)

全满足设计要求。 而该机床在使用中也完全能达到各 项精度要求。 3 结束语 高速加工技术是世界范围内倍受关注的前沿技 术, 它将极大地促进生产加工的效率和产品品质。 对于 机床制造厂来说, 只有不断开发自己的新产品, 顺应发 展趋势, 才能在市场上占有一席之地。

Sp indle Un it D esign and R ig id ity Ca lcula tion of NC La the CNC 30
YANG M e i- y ing
( T aiyuan N o. 1 M ach ine Too l W o rk s, T aiyuan 030012, Ch ina )

Abstract: T he p erfo rm ance requ irem en t, com po sition of sp ind le un it and the rig id ity ca lcu la tion of sp ind le bea ring and un it fo r CN C30 N C la the a re d iscu ssed in th is p ap er. Key words: sp ind le; un it; bea ring; rig id ity; design

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参考文献: [ 1 ]  戴曙 数控机床设计讲座 [J ]. 制造技术与机床, 1995 ( 1 ) : . 48252, ( 2) : 51254, ( 3) : 47250, ( 4) : 47250. [ 2 ]  戴曙. 金属切削机床设计 [M ]. 北京: 机械工业出版社, 19851 [ 3 ]  机床设计手册编写组. 机床设计手册 ( 第二册 ) [M ]. 北 京: 机械工业出版社, 19791


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