精密加工技术第六讲.ppt

第五章 精密加工中的关键部件5/25/20235/25/2023第1节 精密主轴部件主轴回转精度主轴回转精度 回转精度回转精度在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。端面跳动和轴向窜动的大小。影响回转精度的因素影响回转精度的因素 （1 1）轴承精度和间隙的影响。）轴承精度和间隙的影响。（2 2）主轴、支承座等零件中精度的影响。）主轴、支承座等零件中精度的影响。关键在于精密轴承，精密轴承常用关键在于精密轴承，精密轴承常用滑动轴承滑动轴承。一、概述一、概述5/25/20235/25/2023滑动轴承的优势 由于结构与制造的原因，一般说来：滚动轴承摩阻小、起动由于结构与制造的原因，一般说来：滚动轴承摩阻小、起动灵敏；标准化程度高，质优价廉；便于使用与维护；故广泛应用灵敏；标准化程度高，质优价廉；便于使用与维护；故广泛应用于一般尺寸、中速、中载的一般工作条件下和运动机械中。于一般尺寸、中速、中载的一般工作条件下和运动机械中。载荷特重；载荷特重；承受巨大冲击载荷和振动载荷；承受巨大冲击载荷和振动载荷；回转精度要求高；回转精度要求高；转速特大；转速特大；尺寸很大或很小；尺寸很大或很小；结构上要求轴承剖分时；结构上要求轴承剖分时；特特殊殊工工作作条条件件下下（如如水水、腐腐蚀蚀介介质中）。质中）。滑动轴承更有优势。滑动轴承更有优势。但是，在下列情况：但是，在下列情况：5/25/20235/25/2023滑动轴承滑动轴承的分类的分类按滑动轴承工作时按滑动轴承工作时轴瓦轴瓦和和轴颈轴颈表面间呈现的摩擦状表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为态，滑动轴承可分为:液体摩擦轴承液体摩擦轴承非液体摩擦轴承非液体摩擦轴承液体动压润滑轴承液体动压润滑轴承液体静压液体静压润滑润滑轴承轴承 按滑动轴承承受载荷的方向可分为按滑动轴承承受载荷的方向可分为:径向滑动轴承（向心）径向滑动轴承（向心）推力滑动轴承（止推）推力滑动轴承（止推）5/25/20235/25/2023根据润滑膜的形成原理不同分为：根据润滑膜的形成原理不同分为：动压动压润滑轴承润滑轴承利用相对运动副表面的相对运动利用相对运动副表面的相对运动和几何形状，借助和几何形状，借助流体粘性流体粘性，把润滑，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的流体压力膜流体压力膜，将运动副表面分开的润，将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。滑方法为流体动压润滑。静压润滑轴承静压润滑轴承在滑动轴承与轴颈表面之间输入在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂高压润滑剂以承受外载荷，使运动副以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法成为流体静压润表面分离的润滑方法成为流体静压润滑。滑。5/25/20235/25/2023径向轴承（径向轴承（向心轴承向心轴承）径向轴承的径向轴承的受力受力FrFr与轴的中心线垂直与轴的中心线垂直止推轴承（推力轴承）止推轴承（推力轴承）止推轴承受力止推轴承受力FaFa与与轴的中心线平行轴的中心线平行FrFa轴承座轴承座径向轴瓦径向轴瓦止推轴瓦止推轴瓦5/25/20235/25/20231、液体静压轴承工作原理、液体静压轴承工作原理静压轴承组成：静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承供油系统、节流器、轴承一、液体静压轴承主轴一、液体静压轴承主轴 （1 1）轴承内圆柱）轴承内圆柱面上，等间隙地开面上，等间隙地开有几个有几个油腔油腔。（2 2）各油腔之间）各油腔之间开有开有回油槽回油槽。（3 3）使用中，油一）使用中，油一部分从回油槽流回部分从回油槽流回油箱（径向回油），油箱（径向回油），另一部分则由两端另一部分则由两端流回油箱（轴向回流回油箱（轴向回油）。油）。5/25/20235/25/2023（6 6）当）当主轴不受载荷主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持平衡，平衡，轴在轴承正中心轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等，均为相等，均为h0h0。（4 4）油腔四周形）油腔四周形成适当宽度成适当宽度封油封油面面，它们和轴颈，它们和轴颈之间的间隙一般之间的间隙一般为为 0.020.020.04mm0.04mm。（5 5）油泵供油泵供油压力油压力为为p ps s ，油液经节流油液经节流器器T T进入各油腔，将进入各油腔，将轴颈推向中央。轴颈推向中央。5/25/20235/25/2023（3 3）供油压力）供油压力psps 一定，油腔一定，油腔3 3内的油压内的油压p3p3升高。升高。（1 1）当主轴受径向当主轴受径向载荷（包括自重）载荷（包括自重）F F作用后，轴颈向下移作用后，轴颈向下移动产生动产生偏心量偏心量e e。受受负载之后负载之后的工作情况的工作情况（2 2）油腔）油腔3 3处的处的间间隙减小隙减小为为h0-e h0-e，由由于油液流过间隙小于油液流过间隙小的地方阻力大，流的地方阻力大，流量减小，因而流过量减小，因而流过节流器节流器T3T3的流量减的流量减少，少，压力损失压力损失随之随之减小减小（4 4）油腔油腔1 1处的间隙增大为处的间隙增大为h0h0e e，间隙变大，间隙变大，流量增加，流过节流器流量增加，流过节流器T1T1的流量增加，压力的流量增加，压力损失损失增加增加，油腔，油腔1 1内的油压内的油压p p降低，油腔降低，油腔3 3与油与油腔腔1 1之间形成了压力之间形成了压力p=p3-p1p=p3-p1，产生与载产生与载荷方向相反的托起力，以平衡外载荷荷方向相反的托起力，以平衡外载荷F F。5/25/20235/25/2023使用条件使用条件（2 2）油腔压力是液压泵供给的，与轴的转速无关。因此，静压）油腔压力是液压泵供给的，与轴的转速无关。因此，静压轴承可以在很低的转速下工作。轴承可以在很低的转速下工作。（1 1）各油腔由同一各油腔由同一个液压泵供油，则个液压泵供油，则每个油腔必须串联每个油腔必须串联一个节流器。没有一个节流器。没有节流器，各油腔油节流器，各油腔油压相同，互相抵消，压相同，互相抵消，就不能平衡外载荷就不能平衡外载荷了，这时主轴产生了，这时主轴产生位移，甚至使轴颈位移，甚至使轴颈与轴承表面接触与轴承表面接触5/25/20235/25/2023 1 1）液体静压轴承的）液体静压轴承的温升温升高，难以控制，造成热变形，影响主轴高，难以控制，造成热变形，影响主轴精度。精度。2 2）静压油回油时将）静压油回油时将空气带入油源空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，降低轴承的不易排出，降低轴承的刚度刚度和动特性。和动特性。解决措施：解决措施：1 1）提高提高静压油的静压油的压力压力到到6 68MPa8MPa，使油中微小气泡的影响减小，使油中微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度和动特性。提高静压轴承的刚度和动特性。2 2）静压轴承用油进行）静压轴承用油进行冷却冷却，实现温度控制，减少轴承的温升。，实现温度控制，减少轴承的温升。3 3）轴承用恒温水）轴承用恒温水冷却冷却，减小轴承的温升。，减小轴承的温升。2、液体静压轴承的缺点、液体静压轴承的缺点5/25/20235/25/2023练习 请绘图叙述精密静压轴承的请绘图叙述精密静压轴承的工工作原理作原理，并说明克服其缺点可采，并说明克服其缺点可采用的措施。用的措施。5/25/20235/25/2023二、空气静压轴承主轴二、空气静压轴承主轴第1节 精密主轴部件5/25/20235/25/2023二、空气静压轴承主轴二、空气静压轴承主轴第1节 精密主轴部件圆柱径向空气静压轴承圆柱径向空气静压轴承径向轴承的轴套制成外面鼓径向轴承的轴套制成外面鼓形，能自动调整定心。形，能自动调整定心。轴套轴套的外表面做的外表面做凸形球面凸形球面，与轴，与轴承盖及轴承座上的凹形球面承盖及轴承座上的凹形球面相配合。当轴变形时，轴套相配合。当轴变形时，轴套可以自动调整位置，从而保可以自动调整位置，从而保证轴颈与轴证轴颈与轴鼓鼓为面接触。为面接触。5/25/20235/25/2023第1节 精密主轴部件双半球空气轴承主轴双半球空气轴承主轴前后轴承均采用前后轴承均采用半半球状球状，既是径向轴，既是径向轴承又是轴向轴承。承又是轴向轴承。由于轴承的气浮面由于轴承的气浮面是球面，有自动调是球面，有自动调心作用，可提高前心作用，可提高前后轴承的同心度，后轴承的同心度，提高主轴的回转精提高主轴的回转精度。度。5/25/20235/25/2023第1节 精密主轴部件前部用球形后部用圆柱前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴径向空气轴承的主轴5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件一、概述一、概述导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。5/25/20235/25/2023导轨在机床上的应用5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件一、概述一、概述1）导轨的特点：与主轴部件相比，具有以下的特点：与主轴部件相比，具有以下的特点：1 1）工作）工作速度低速度低。2 2）导轨的工作部分既长又薄，）导轨的工作部分既长又薄，刚度差刚度差，是机床最薄弱的环节，是机床最薄弱的环节之一。之一。3 3）受力受力情况比较情况比较复杂复杂，给计算带来困难。，给计算带来困难。4 4）加工导轨的工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，）加工导轨的工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，甚至需用手工刮研方法才能取得较高的导轨精度。甚至需用手工刮研方法才能取得较高的导轨精度。5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件2）导轨的基本要求（一）导向精度高1、导轨在水平面内和垂直面内的直线度2、导轨的平行度3、导轨间的垂直度（二）足够的刚度外力作用下导轨本身抵抗变形的能力5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件2）导轨的基本要求2、导轨的平行度3、导轨间的垂直度5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件（三）精度保持性（耐磨性）好1、降低导轨面的比压；2、良好的防护与润滑；3、正确选择导轨副的材料和热处理；4、选择合理的加工方法。（四）运动的灵敏度 指运动构件能实现的最小行程。刻度值越小，灵敏度越高。（二）足够的刚度 外力作用下导轨本身抵抗变形的能力5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件导轨的导向原理（导轨的导向原理（保留一个移动自由度）导轨的导向面 棱柱面棱柱面圆柱面圆柱面xyz5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件按轨面间的摩擦性质分类1）滑动导轨 两导轨面间是滑动摩擦滑动摩擦。按两导轨面间的摩擦状态不同，可分为液体或气体静压导轨及流体动压导轨流体动压导轨。2）滚动导轨 两导轨面间是滚动摩擦。可按中间滚动体的不同而分为：滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨及滚动轴承导轨等。二、导轨的分类二、导轨的分类5/25/20235/25/2023滑动导轨按导轨的截面形式分滑动导轨分两大类凸形和凹形凸形凸形导轨导轨不易积存切屑积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动。凹形凹形导轨导轨润滑性能良好润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置。5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件三、液体静压导轨三、液体静压导轨工作原理工作原理与静压轴承相同。将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。1 1、4 4 滤油器；滤油器；2 2 油泵；油泵；3 3 溢流阀；溢流阀；5 5 节流器；节流器；6 6 运动部件；运动部件；7 7 固定部件；固定部件；8 8 油箱油箱 P Pr1r1P Pr2r2P Pr3r3P Pr4r4P Pr5r5P Pr6r65/25/20235/25/2023三、液体静压导轨三、液体静压导轨 当运动部件6受到颠覆力矩颠覆力矩M M后，油腔3、4的间隙增大，油腔1、6 的间隙减小。由于各相应节流器的作用，使油腔 3、4 的压力减小，油腔 1、6 的压力增高，从而产生一个与颠覆力矩相反的力矩相反的力矩，使运动部件保持平衡。5/25/20235/25/2023三、液体静压导轨三、液体静压导轨在承受载荷承受载荷F F时，油腔 1、4 间隙减小，压力增大；油腔 3、6 间隙增大，压力减小，从而产生一个向上的力，以平衡载荷F。5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件静压导轨的优缺点静压导轨的优缺点优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩檫，摩檫系数仅为0.005左右，油膜抗振性好。缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。主要应用：精密机床的进给运动和低速运动导轨5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件三、导轨的结构形式三、导轨的结构形式三角形导轨支承导轨为凸形时山形导轨支承导轨为凹形时V形寻轨三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自动补偿，不影响导向精度。支承导轨为山形时，不易积存较大的切屑，也不易存留润滑油，适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨。支承导轨为V形时，由于能得到较充足的润滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身导轨，必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件矩形导轨制造简单、刚度高、承载能力大；具有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装调整；侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调整装置，因此导向性较差；适用于载荷较大而导向性要求不高的机床。矩形导轨5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件燕尾形导轨结构紧凑、高度尺寸较小，可承受颠覆力矩磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂。一般用作中、低速的多层导轨燕尾形导轨5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件优点：优点：圆柱形导轨制造简单，容易达到较高精度圆柱形导轨制造简单，容易达到较高精度缺点：缺点：磨损后很难调整和补偿间隙；对温度变化比较磨损后很难调整和补偿间隙；对温度变化比较 敏感，间隙不能调整。敏感，间隙不能调整。圆柱形导轨5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件四、滚动导轨四、滚动导轨滚动导轨的优点滚动导轨滚动导轨就是在导轨面之间装有一定数量的滚动体，两个导轨就是在导轨面之间装有一定数量的滚动体，两个导轨面只和滚动体接触，使导轨面之间的摩擦性质成为滚动摩擦。面只和滚动体接触，使导轨面之间的摩擦性质成为滚动摩擦。特点特点：摩擦系数小（：摩擦系数小（0.00250.00250.0050.005）静、动摩擦系数很接近静、动摩擦系数很接近 运动轻便灵活、运动所需功率小；运动轻便灵活、运动所需功率小；摩擦发热少、磨损小；摩擦发热少、磨损小；精度保持性好精度保持性好(钢制淬硬导轨修理期间隔可达钢制淬硬导轨修理期间隔可达10101515年年)低速运动平稳性好，一般没有爬行现象低速运动平稳性好，一般没有爬行现象5/25/20235/25/2023第2节 精密导轨部件滚动导轨的优点 移动精度和定位精度高（一般重复定位误差约移动精度和定位精度高（一般重复定位误差约0.10.10.2m0.2m）。）。滚动导轨润滑简单（可用油脂润滑）；滚动导轨润滑简单（可用油脂润滑）；维护方便（只需更换滚动体）；维护方便（只需更换滚动体）；高速运动时不会象滑动导轨那样因动压效应而浮起。高速运动时不会象滑动导轨那样因动压效应而浮起。滚动导轨副的主要缺点滚动导轨副的主要缺点是抗冲击载荷的能力较差，是抗冲击载荷的能力较差，且滚动导轨副对且滚动导轨副对灰尘屑末灰尘屑末等等较敏感。较敏感。滚动导轨的缺点5/25/20235/25/2023滚动导轨的应用q需要实现精密位移的机床，如坐标镗床、数控机床需要实现精密位移的机床，如坐标镗床、数控机床等。等。q用于外圆用于外圆磨床砂轮架实现微量进给磨床砂轮架实现微量进给：q平面平面磨床工作台导轨磨床工作台导轨为防止高速移动时产生浮起，为防止高速移动时产生浮起，以提高加工精度；以提高加工精度；q大型外圆磨床工作台导轨大型外圆磨床工作台导轨为了减轻阻力和减少发热为了减轻阻力和减少发热等也采用滚动导轨。等也采用滚动导轨。第2节 精密导轨部件5/25/20235/25/2023滚珠导轨第2节 精密导轨部件q滚珠导轨结构紧凑，容易制造，成本较低滚珠导轨结构紧凑，容易制造，成本较低q导轨表面属于点接触，刚度低，承载能力较小导轨表面属于点接触，刚度低，承载能力较小q适用于载荷较小的机床适用于载荷较小的机床5/25/20235/25/2023滚柱导轨第2节 精密导轨部件承载能力和刚度：都比滚珠导轨大承载能力和刚度：都比滚珠导轨大应用：应用：载荷较大的机床，应用最广泛载荷较大的机床，应用最广泛 对导轨不平行度（扭曲）要求较高，否则要造成滚柱的对导轨不平行度（扭曲）要求较高，否则要造成滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。滚柱最好做偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。滚柱最好做成腰鼓形，中间直径比两端大成腰鼓形，中间直径比两端大0.02mm0.02mm左右。左右。5/25/20235/25/2023再循环滚柱滚动组件第2节 精密导轨部件5/25/20235/25/2023再循环滚珠滚动组件第2节 精密导轨部件5/25/20235/25/2023滚动导轨的预紧 在滚动体与导轨面之间在滚动体与导轨面之间预加预加一定载荷，可增加滚一定载荷，可增加滚动体与导轨面的接触，以减小导轨面平面度、滚子直动体与导轨面的接触，以减小导轨面平面度、滚子直线度及滚动体直径线度及滚动体直径不一致误差不一致误差的影响，使的影响，使大多数滚动大多数滚动体体均能参加工作。均能参加工作。由于有预加接触变形，接触刚度增加。因而滚动由于有预加接触变形，接触刚度增加。因而滚动导轨的预紧导轨的预紧提高了提高了导轨的导轨的精度和刚度精度和刚度。阻尼性能也有。阻尼性能也有所增加，所增加，提高了导轨的抗振性。提高了导轨的抗振性。第2节 精密导轨部件5/25/20235/25/2023滚动导轨与滑动导轨优缺点比较滚动导轨与滑动导轨优缺点比较滑动导轨几乎不滑动导轨几乎不磨损磨损，滚动，滚动导轨存在机械上的磨损。导轨存在机械上的磨损。滑动导轨滑动导轨结构结构复杂，滚动导复杂，滚动导轨结构相对简单。轨结构相对简单。滑动导轨通过液压作用，可滑动导轨通过液压作用，可有效降低机床有效降低机床振动振动，而滚动，而滚动导轨抗冲击性能较差。导轨抗冲击性能较差。高速高速运动滑动导轨容易因动运动滑动导轨容易因动压效应而压效应而浮起浮起，而滚动导轨，而滚动导轨不存在这个现象。不存在这个现象。5/25/20235/25/2023练习1 1，请叙述说明静压液体导轨的工，请叙述说明静压液体导轨的工作原理。作原理。2 2，按导轨结构形式，举例说明各，按导轨结构形式，举例说明各种导轨的优缺点。种导轨的优缺点。3 3，分析比较滚动导轨和滑动导轨，分析比较滚动导轨和滑动导轨的优缺点。的优缺点。5/25/20235/25/2023