XK2116数控龙门镗铣床主轴结构设计pdf

  第 20 卷第 5 期 武汉汽车工业大学学报 . 20 . 5 V o l N o 1998 年 10 月 JOU RNAL O F WU HAN AU TOM O T IV E POL YT ECHN IC UN IV ER S IT Y O ct. 1998 XK 2116 数控龙门镗铣床主轴结构设计 李列 (江汉大学) 摘要介绍了XK 2116 数控龙门镗铣床主轴主要参数的确定及主轴结构设计的特点。 关键词数控龙门镗铣床 ; 主轴参数 ; 结构设计 中图法分类号TH 133. 1 0概述 机床主轴是机床在加工时直接带动刀具或工件进行切削和表明产生运动的旋转轴, 其 设计内容有主轴及与其直接有关的轴承、转动件和其他相关件等。主轴是数字控制机床的关键 部件, 对加工质量的影响极其明显, 因此, 对它的要求很高。这些要求是: ① 精度高。主轴的径向跳动和轴向跳动小, 轴心线的回转精度高。 ② 刚度高。主轴的静刚度和动刚度高, 在切削力作用下变形小。 ③ 振动小。由主轴电机、齿轮和轴承等非常快速地旋转的不平衡引起的振动小。 ④ 热变形小。主轴由电机、齿轮传动、轴承、离合器和压力油等引起的温升和热位移小。 ⑤ 噪声小。由电机、齿轮传动和轴承等引起的噪声小。 以上5 点要求是为了能够更好的保证零件加工的高精度、高表面粗糙度、高效率和好的操作环境所 需要的。 XK 2116 数控龙门镗铣床的主轴就是在加工时直接带动刀具进行切削的主旋转轴, 其主 轴结构的设计除一定要满足上述要求外, 还应具有现代数控机床所一定要具有的诸如自动拉刀, 主轴径向定位等功能。 1主轴主要参数的确定 XK 2116 数控龙门镗铣床主轴的主要参数包括: 主轴前轴颈直径D 1、主轴序号、主轴悬 [ 1 ] ( ) 伸量 a 和主轴支承跨距 l 见图 1 。 1. 1主轴前轴颈直径D 1 的确定 主轴前轴颈直径D 1 是数控龙门镗铣床主轴参数中最重要的一个参数。 在进行主轴结构设计时, 要尽量使主轴不承受因齿轮传动而产生的径向力, 从而避免主 轴产生弯曲, 这样主轴只传递扭矩。当确定主轴参数时, 就能够仅从静刚度条件出发来决定 主轴参数, 也就是说, 主轴的计算主要是从刚度观点来考虑。一般认为, 刚度够了强度也就够 了。刚度足够则主轴的抗振性能好, 维持几何中心位置的能力强, 从而对被加工件的几何精 稿件收到日期: ( ) 李列, 男, 37 岁, 高级工程师, 现从事机电一体化的教学与研究工作. 武汉, 江汉大学机电工程系 430010 . 26 武汉汽车工业大学学报 1998 年 10 月 图 1XK 2116 主轴结构示意图 度、表面粗糙度和生产率的提高都直接起着良好的作用。 关于确定主轴前轴颈直径D 1 的方法, 有许多资料都有过介绍, 但总的来说, 要么给出的范 围过大、要么过于繁杂。尤其是在设计的初始阶段, 由于轴承及其位置均未决定, 尚没有一个确 切而又行之有效的简便计算方式。笔者根据多年来的工作实践, 认为在开始做主轴设计时, 可先用扭转刚度的经验公式对主轴前轴颈直径D 1 进行初算, 然后通过类比分析, 最后圆满确 定有关参数。该方法是一种简捷而又适用的方法, 现介绍如下。 根据经验公式: - 2 4 ( ) D 1 = 1. 93 × 10 × M 1 式中M 为主轴所传递的最大扭矩,N m 。 2116 数控龙门镗铣床主轴所传递的最大扭矩为 5 000 · 。 XK N m - 2 4 由此可知: D 1 = 1. 93 × 10 × 5 000 = 0. 162 2m 然后, 通过对国内外同类型产品做类比分析, 最后确定D 1 = 0. 16 m 。 确定了D 1 的尺寸后, 主轴后轴颈直径D 2 一般不计算, 而在考虑装配和加工工艺许可的情 况下, 尽量取大的尺寸。依照结构需要和类比分析, 可确定D 2 = 0. 14 m 。 1. 2主轴序号的确定 数控龙门镗铣床主轴的序号主要决定主轴端部的结构和尺寸大小, 而主轴端部的结构应 保证刀具安装可靠、定位准确, 并有高的联接刚度以便传递足够的扭矩。按国际标准有 ISO 30、40、50、60、65、70 等规格的主轴序号。 XK 2116 数控龙门镗铣床的主轴安装刀具有二种方式, 一是通过内锥孔, 二是通过主轴端 ( ) 面。内锥孔是用来安装铣刀或铣刀心轴 包括附件心轴 的尾锥, 再用拉杆从主轴后端拉紧, 其 锥孔的锥度为 7 ∶24。而主轴端面主要是为了安装端铣刀, 通过端面螺孔紧固, 用端面键来传 递扭矩。主轴序号的大小主要是依据机床规格尺寸而定, XK 2116 数控龙门镗铣床可选用的主 ( 轴序号为 50 或 60 号。通过参考国外同类型产品及针对XK 2116 属重型机床并要带附件 直角 ) 铣头 的情况, 决定采用主轴序号为 60 号。 1. 3主轴悬伸量 a 的确定 ( ) 主轴悬伸量a 是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点 一般即为前径向支承中点 的 第 20 卷 第 5 期李列: XK2116 数控龙门镗铣床主轴结构设计 27 距离, 它主要由结构设计确定。但 a 值对主轴部件的刚度和抗振性影响很大, 所以在定 a 值时, 应在满足结构要求的前提下尽量取小值。依照结构需要, XK 2116 数控龙门镗铣床主轴的悬伸 量 a 为 0. 1 m 。其结构布置有如下特点: ① 将双向推力球轴承 2268132 安装在主轴前双列向心短圆柱滚子轴承 3182132 的内 C D 侧, 以缩短a 值。 ② 利用主轴前支承前端的调整套构成密封装置的一部分, 以减小a 值。 1. 4主轴支承跨距 l 的确定 支承跨距 l 是指主轴相邻两支承的支承反力作用点之间的距离, 合理确定支承跨距, 是获 得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。以往在确定主轴最佳支承跨距时, 较多的是从保证主 轴部件径向刚度的角度来考虑, 而对于在保证主轴部件轴向刚度的前提下, 确定最佳跨距的讨 论较少, 但随着二支承卸荷主轴结构的普遍采用, 这一问题已慢慢的变多地引起了人们的重视。 笔者结合生产实际的体会从这一新的角度来谈谈最佳跨距的确定。 在进行XK 2116 数控龙门镗铣床主轴部件设计时, 由变速箱传给主轴的动力是靠与主轴 同心的内、外接合齿传递的, 所以主轴不承受因传动而产生的径向力。对这种情况的二支承 主轴结构, 当轴端作用有偏心外力时, 在确保轴向刚度的条件下, 其最佳跨距可按下式求得: 1 1 1 1 3 4 4 1 1 3 + ( ) + ( ) l0 = 6E J 6 E D l - d l 2 K 1 K 2 64 K 1 K 2 式中E 为弹性模量, N mm 2 ; J 为主轴跨距部分的惯性矩, mm 4 ; K 1 为主轴前支承的支承 刚度, N mm ; K 2 为主轴后支承的支承刚度, N mm ; D l 为主轴跨距部分的平均直径, mm ; d l 为主轴跨距部分的平均孔径, mm 。 对于 XK 2116 数控龙门镗铣床, 主轴所用材料为 38 C rM oA l, 属合金钢, 可查得: E = 5 2 2. 156 ×10 。取D l = 0. 16 m = 160 mm ; d l = 80 mm 。 N mm 同时, 根据经验得知, 按估算求出的K 1、K 2 值往往偏大, 在计算时可适当取小。现取K 1 = 850 000 N mm , K 2 = 600 000 N mm 。 ( ) 将 E ,D , d , K 和K 代入公式 2 可求得 l = 480. 5 mm 。 l l 1 2 0 考虑到适当加大跨距有利于提高主轴旋转精度和抗振性, 并依照结构需要取 l = 0. 5 m 。 2主轴结构的设计 2. 1主轴轴承的选择与配置 衡量机床质量的两个重要标准即精度和切削能力除了决定于机床的整体设计的具体方案外, 在 很大程度上决定于机床的主轴—轴承系统。因此, 如何正确选择和配置主轴轴承是进行主轴结 构设计最重要的一环。 在进行XK 2116 数控龙门镗铣床设计时, 通过对国外先进制造厂家的同类型产品做类 比分析并结合以往的设计经验, 决定主轴采用两支点支承。前支承是一套 3182132 双列短圆 D 柱滚子轴承和一套 2268132 双列推力球轴承组成的组合支承, 精度均为 级; 后支承是一套 C C D 3182128 双列短圆柱滚子轴承, 精度为D 级。 采用高精度的 3182100 系列轴承能调整径向间隙, 能保证无间隙传动, 使精度长期保 D 持稳定。双列滚子给予这种轴承高刚度和高承载能力, 短圆柱滚子轴承的运动学性能好, 使允 28 武汉汽车工业大学学报 1998 年 10 月 许的极限转速较高, 来保证发热量小、温升低。因此, 在要求高精度和高刚度的主轴结构中常 常用它承受径向力。而高精度的 2268132 双列推力球轴承用于承受轴向力, 这套轴承的内径 C 和外径与 3182132 轴承配套, 以内隔套来调整最佳预负荷。这样比过去采用两套推力向心球 D 轴承或者凹槽滚珠轴承的安装方法省了十分麻烦的调整工序, 同时由于双向推力球轴承的套 圈挡边比凹槽滚珠轴承的“平”凹槽更好地承受了钢珠的离心力, 因而这种轴承也适用于较高 的转速。上述主轴轴承的组合, 还有噪声低、寿命长的优点, 已慢慢的变多地在主轴结构中被采 用。 2. 2其他结构的设计 在XK 2116 数控龙门镗铣床主轴部件设计中还有如下特点。 ① 主轴前支承轴承采用热装异径套定位, 定位准确、可靠。 ② 主轴不承受齿轮传动的径向力, 只传递扭矩。这是因为由变速箱传给主轴的动力是靠 与主轴同心的内、外接合齿传递的。 ③ 在主轴外层设计了一个套筒, 可用来进行总装前的试运转, 预调精度, 还可用来修正主 轴轴线与滑枕导轨平行性这项精度。 ④ 结合数字控制机床的特别的条件, 在主轴结构中采用了自动拉刀机构, 该机构是由碟簧配合 液压油缸通过卡爪提拉式拉刀, 动作简单可靠。 ( ⑤ 为增强机床功能, 在主轴上设置了径向定位装置 由固定在主轴上的信号块与接近开 ) 关组成 。 ⑥ 主轴各润滑部位均采用高级润滑脂进行润滑, 根除了漏油现象。 参考文献 1机床设计手册编写组编. 机床设计手册: 第三册. 北京: 机械工业出版社, 1986. The Sp indle Structure D esign on the XK2116 CNC D ouble Column Bor ing and M illing M ach ine L i L ie (J ianghan U niversity) AbstractT he determ ination of the m ain sp indle structure param eters and the characters of the sp indle 2116 . structure design are introduced on the XK CN C double co lum n bo ring and m illing m ach ine Key wordsCN C double co lum n bo ring and m illing m ach ine ; sp indle param eters ; structure design (本文责任编辑: 刘美玲)

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