1、成人高等教育毕业论文（设计）题 目 数控车床主轴径向跳动的分析与维修 学 院 工程技术学院 专 业 数控技术 年 级 2009 级 学习形式 函 授 层 次 大 专 学 号 322009239434069 姓 名 杨 超 指导教师 王 宁 波 2011 年 03 月 19 日西南大学成人高等学历教育毕业论文（设计）指导签专业 数控技术 层次 大 专 年级 2009 级 学生姓名 杨 超 学号 322009239434069 站点 科能高级技工学校通讯地址 重庆市沙坪坝区上桥正街二村 11 号邮政编码 400037 学生联系电话 13271883396论文题目 数控车床主轴径向跳动的分析与维修指
2、导教师 王 宁 波 指导教师联系电话 13228635185指导教师对选题和提纲的意见指导教师对初稿的意见指导教师的最终评审意见备注数控车床主轴径向跳动的分析与维修摘要： 经济型数控车床在中国的机械加工行业中得到了迅速普及,使得我国机械加工水平无论在加工质量方面还是在加工效率方面也得到了迅速提高。但是随着机床使用时间的延长,数控机床会出现这样或那样的故障,本文就以经济型数控车床的常见主轴径向跳动为例,谈了一些解决的办法。关键词：数控车床 检测 分析 维修 目录引言.4一、数控车床主轴径向跳动的分析.5（一）产生径向跳的原因.5（二）减少径向跳动的方法5（三）主轴机构的检查.5二、数控车床主轴径
3、向跳动的维修6（一）维修准备.6（二）主轴精度的检查6引言主轴机构是机床的关键部件，它担负着机床的主要切削运动。例如车床主轴直接带动工件旋转， 镗床和铣床主轴直接带动刀具旋转，对工件进行切削加工，正是因为在主轴机构上直接安装刀具或工件，所以，机床主轴机构的精度对加工工件的精度和光洁度具有直接的影响。在修理和调整中应当予以高度地重视。以下将对主轴机构的精度和典型主轴机构的修理方法，着重加以讨论。一、数控车床主轴径向跳动的分析（一）数控车床主轴径向跳动产生的原因1、影响主轴机构径向跳动的因素1）主轴本身的精度：如主轴轴颈的不同心度、锥度以及不圆度等。主轴轴颈的不同心度将直接引起主轴径向跳动；而主轴
4、轴颈的锥度和不圆度在装配时将引起滚动轴承内滚道变形，破坏其精度。2）轴承本身的精度：其中最重要的是轴承内滚道表面的不圆度、光洁度以及滚动体的尺寸差。3）主轴箱壳体前后轴承孔的不同心度，锥度和不圆度等。轴承孔的锥度和不圆度将引起轴承外座圈变形，影响轴承可以调整的最小间隙。2、影响主轴机构轴向窜动的因素1）主轴轴颈肩台面的不垂直度与振摆差。2）紧固轴承的螺母、衬套、垫圈等的端面振摆差和不平行度差。3）轴承本身的端面振摆差和轴向窜动。4）主轴箱壳体轴承孔的端面振摆差。上述这些零、部件肩台面的振摆差在收紧轴承时，将使轴承滚道面产生不规则的变形，不只是引起轴向窜动，而且会使主轴产生径向跳动，同时会引起主
5、轴在旋转一周的过程中，产生轻重不匀的现象，甚而导致主轴机构发热。3、影响主轴机构旋转均匀性和平稳性的因素影响主轴旋转均匀性和平稳性的因素，除了主轴传动链的零件如齿轮、皮带轮、链轮等的精度和装配质量之外，还有引起主轴振动的外界振源如电动机、冲压机、锻锤等。（二）减少径向跳动的方法刀具在加工时主要产生径向跳动主要是因为径向切削里加剧了径向跳动。所以，减少径向切削力是减小径向跳动重要原则。可以采用以下几种方法来减小径向跳动：1、使用锋利的刀具选用较大的刀具前角，使刀具更锋利，以减小切削力和振动。选用较大的刀具后角，减小刀具主后刀面与工作过渡表面的弹性恢复层之间的摩擦，从而可以减轻振动。但是，刀具的前
6、角和后角不能选得太大，否则会导致刀具的强度和散热面积不足。所以，要结合具体情况选用不同的刀具前角和后角，粗加工时可以去小一些，但在精加工时，出于减小刀具径向跳动方面的考虑，则应该取得大一些，使刀具更锋利。2、使用强度大的刀具主要可以通过两种方式增大刀具的强度。一是可以增加刀杆的直径在受到相同的径向切削力的情况下，刀杆直径增加 20%，刀具的径向跳动量就可以减小 50%。二是可以减小刀具的伸出长度，刀具伸出长度越大，加工时刀具变形就越大，加工时刀具变形就越大，加工时处在不断的变化中，刀具的径向跳动就会随之不断变化，从而导致工件加工表面不光滑。同样，刀具伸出长度减小20%，刀具的径向跳动量也会减小
7、 50%。3、刀具的前刀面要光滑在加工时，光滑的前刀面可以减小切屑对刀具的摩擦，也可以减小刀具收到的切削力，从而降低刀具的径向跳动。4、三爪卡盘和夹头清洁三爪卡盘和夹头不能有灰尘和工件加工时产生的残屑。选用加工刀具时，尽量采用伸出长度较短的上刀时，力度要合理均匀，不要过大或过小。5、吃刀量选用要合理吃刀量过小时，会出现加工打滑的现象，从而导致刀具在加工时径向跳动的不断变化，使加工出的面不光滑。吃刀量过大时，切削力会随之加大，从而导致刀具变形大，增大刀具在加工时径向跳动量，也会使加工出的面不光滑。6、合理选用切削液合理使用切削液以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小。以润滑作用为主的切削液可以显
8、著减低切削力。由于它们的润滑作用，可以减小刀具前刀面与切削之间以及后刀面与工件过渡表面之间的摩擦，从而减小刀具径向跳动。实践证明，只要保证机床各部分制造、装配的精确度，选择合理的工艺、工装，刀具的径向跳动对工件加工精度所产生的影响可以最大程度的减小。（三）主轴机构的的检查1、主轴机构的精度主轴机构的精度，主要取决于它在装配之后的旋转精度，包括主轴轴线的径向跳动、轴向窜动以及主轴旋转的均匀性和平稳性等。要想得到理想的主轴旋转精度，必须把各方面的条件都配合好，例如除了对主轴和主轴轴承本身要求较高的精度外，还要求采用正确的装配与调整方法，以及良好的润滑条件等，所有这些都对主轴机构的精度产生直接影响。
9、一般来说，影响主轴机构旋转精度的因素很多，必须在修理与调整中作具体分析。2、检查主轴机构精度的方法（1）主轴单件的精度检查、在 V 形铁上检查 在平板上，将主轴前后轴颈分别置于固定 V 形铁和可调 V 形铁上，在主轴后端顶针孔内放一钢球，顶住角铁控制主轴轴向移动。用百分表或千分表分别检查中间轴颈、装配齿轮的轴颈、飞轮轴颈、法兰表面，以及主轴锥孔，肩台面等相对于主轴颈的径向跳动和端面振摆。、在车床或其他专用检查设备上检查 选择一台精度较高的车床，用四爪卡盘稍为用力卡住主轴尾部，在卡爪与主轴表面接触处，垫以 23 毫米的紫铜丝，使其产生点接触，所垫紫铜丝在径向位置上要求一致，否则将影响检查效果。这
10、样既可以保护主轴表面，又可以避免卡爪与主轴表面接触过宽，别住主轴，影响校正精度。将主轴另一端的主轴颈支承在中心架上，将百分表或千分表置于刀架上，使主轴旋转，调整四爪卡盘卡爪和中心架支承中心，将主轴前后轴颈校正到最小误差，便是主轴颈的相对径向跳动差，同时即可检查其他轴颈相对于主轴颈的径向跳动差，这种方法简便易行，常在修理中应用。、利用二顶尖检查将主轴放在二顶尖间，旋转主轴，检查各部位的精度。这种方法要求有准确的中心孔，一般适用于新制造的主轴，可以利用原加工的中心孔。对于使用过的主轴，由于无中心孔或中心孔已损坏，需要重配闷头加工中心孔，这样不但误差大而且耗费工时，因此不宜使用此法。（2）主轴装配后
11、的精度检查与分析、用标准锥度心棒检查主轴锥孔的径向跳动，在主轴机构装配调整完毕之后，将标准的锥度心棒插入主轴锥孔，注意装正，并要擦净，防止碎屑及垃圾进入配合表面。用百分表或千分比较仪触及锥度心棒表面，使主轴旋转，在近主轴端和距主轴端 300 毫米处分别测量主轴锥孔径向跳动，对其测量误差进行分析。 当装配后的主轴承内滚道表面对主轴锥孔出现偏心，而其他误差接近于 0 时，千分比较仪或百分表记录的误差曲线，曲线接近于正弦变化，主轴每转一转，千分比较仪上出现一次最大值和一次最小值，最大值与最小值之差，便是主轴锥孔的径向跳动量。在锥度心棒靠近主轴端测得的径向跳动量，接近于锥孔偏心量 H a 的两倍。 当
12、装配后的主轴承内滚道出现椭圆，而锥孔偏心和其他误差接近于 0 时，千分比较仪上记录的误差曲线，为正弦曲线变化。但是，主轴每转一转，千分比较仪上出现两次最大值与最小值，即主轴每转 180出现一次最大值与最小值，曲线的节距缩短一半。在近主轴端测得的径向跳动 H b 接近于椭圆最大半径与最小半径之差。一般情况下，装配后的主轴，既有轴承内滚道的偏心椭圆和不圆度，也有主轴锥孔的偏心，以及滚动体的尺寸大小等，而且这些误差可能同时存在，且包括锥度心棒的安装误差，以及心棒本身的几何误差等，所有这些因素都将反映到千分比较仪上来。因此，一般测量记录的实际误差曲线，为不规则的曲线，最大值与最小值之差 H o 便是主
13、轴锥孔综合径向跳动误差。、用法兰心棒检查主轴轴线跳动将端部具有法兰的检查心棒置于主轴前端，在主轴端面上垫一平整的垫板，从主轴孔内伸进一拉杆，用适当的力将法兰检查心棒拉紧在主轴端面上，在心棒的近主轴端和距主轴端 300 毫米处用表测量，来调整心棒在主轴上的位置。调整时，缓慢旋转主轴，观察表的误差，用木锤或紫铜锤小心敲击垫板边缘，并适当调整调节螺钉，使心棒在主轴水平和垂直方向移动，调到百分表上的误差达到最小值时，便是主轴旋转轴线的实际径向跳动误差。在检查心棒的中心孔里放一钢球，用黄油粘住，缓慢旋转主轴，观察百分表读数，便可检查主轴的轴向窜动。这种方法的优点在于： 采用法兰心棒检查主轴轴线的径向跳动
14、，消除了检查中主轴定心轴颈（如卡盘轴颈、锥孔等）偏心的误差因素，能够直接反映主轴轴线径向跳动的误差。代表主轴定心轴颈中心，代表主轴内滚道中心（即主轴实际的旋转中心），只要适当调整法兰心棒，使心棒的轴线与主轴实际旋转轴线重合，这样在百分表读数上便不再出现偏心误差。这说明主轴旋转轴线的径向跳动与主轴定心轴颈的偏心无关。 这种检查方法，如果调整得当，不会带来检查心棒的安装误差。由于法兰心棒具有上述优点，因此，在检查主轴旋转轴线的径向跳动以及主轴轴线对机床导轨的不平行度时，宜于采用。这种检查方法的主要缺点是调整比较复杂。 主轴定心轴颈径向跳动的检查，在检查主轴定心轴颈时（如车床主轴的卡盘轴颈），可将百
15、分表等的触头直接触及轴颈表面，百分表最大值与最小值之差，便是主轴定心轴颈的径向跳动。3、主轴机构的精度对加工精度的影响从上面的讨论中，我们知道，实际上在车床或镗床上，采用车刀或镗刀加工工件时，主轴定心轴颈和锥孔的偏心，并不影响加工工件的圆度，起决定作用的是主轴旋转轴线的实际跳动量（由主轴前后轴承的内滚道决定） ，这个跳动量将引起安装在主轴上的工件或刀具的非圆运动，使被加工工件产生不圆度；在主轴锥孔中安装定尺寸刀具（如铰刀、钻头等）加工内孔时，主轴锥孔的偏心将会产生扩孔现象；在主轴定心轴颈上安装自动定心卡盘（如三爪卡盘）加工工件时，如果定心轴颈偏心，将会引起加工表面对其装卡基准的偏心；主轴的轴向
16、窜动，将直接影响加工工件的端面振摆，同时主轴径向跳动和轴向窜动还会影响加工工件的表面光洁度。二、数控车床主轴径向跳动的维修（一）维修准备开始维修之前，首先要通过资料和检查了解维修部位的详细结构，以便确定如何维修和维修重点。首先要对主轴的精度进行检测，检测主轴的径向跳动和轴向窜动，准确检测是正确修复主轴的重要依据。检查被加工过的零件表面粗糙度和加工精度。检测加工零件的圆度，再把零件的圆度和主轴径向跳动比较分析-例如主轴径向跳动 0.005mm，而零件的圆度为 0.01mm，则说明主轴的刚性不足。仔细听主轴在高低各种转速是否有异常噪音和振动，如果没有，则证明主轴轴承只是由于磨损而导致轴承游隙增大而
17、没有损坏。因主轴上 4 套 P4 级轴承价格昂贵（进口的在 1 万元左右），所以主轴只要没有异常响声和振动，一般可以判断主轴轴承磨损使游隙增大，只需要重新调整恢复其预紧力就可以恢复精度；如果主轴有异常响声和振动、证明有个别主轴轴承损坏，需要更换被损坏轴承，重新装配调整精度，而不需要全部更换。如果轴承全部更换，不但增加修理费用，而精度也不容易保证。（二）主轴精度的检查因为主轴轴承的成本很高，根据主轴精度的高低和相关情况，维修可以继续使用原轴承。如果轴承损坏，则需要更换。1、不更换轴承修复主轴对主轴精度丧失原因做出正确的判断后，如主轴轴承没有损坏，只是正常磨损，主轴轴承就不需要更换，只要正确选配轴
18、承之间的预紧力垫圈就可以了，对轴承进行预紧力调整。轴承有了预紧力，可以使滚珠与滚道在预加负荷下，消除了全部间隙并形成了一定的弹性变形，在外加负载时轴承具有一定的刚性。在外力作用下，轴承不会因外加负载而使滚珠和滚道之间产生间隙，从而提高了主轴的旋转精度，增强了主轴的刚性，提高了使用寿命。主轴径部由 3 套 7014P4 级角接触球轴承组合(从左端分别标为)，主要是保证径向跳动和轴向窜动精度。如果要重新调整这 3 组轴承的预紧力，只要选配轴承之间的垫圈就可以。预紧力调整计算如下：预紧力为 Fao,额定轴向载荷为 Fa。Fa 当增大到使 a=a0，a 指 Fa 引起的轴承变形，a0 指轴承在预紧力
19、Fao 下的变形。这时，则轴承完全卸荷，a0=0。这时有：a =ao+ao（1） 式中：a-轴承，在外载荷下变形，mm； ao -轴承，在预紧力下变形，mm。 轴承和各担负外载荷和预紧力的一半，根据载荷和变形的对应关系，故k( )k()+kFao（2） 式中：Fao-预紧力，N； Fa-额定轴向载荷，N； k-固定系数。 按公式（2）计算得 ： Fao=0.24Fa（3） 估计该主轴额定载荷为 4000N，则预紧力约 1000N 左右，查表可得：内环垫圈在原尺寸下应减去 0.020.03mm（这要根据对主轴跳动精度判断来定）并保证两端面的平行度在 0.001mm 之内，这要靠在平板上手工研磨来
20、达到尺寸精度要求。2、更换轴承修复主轴如主轴有异常响声和振动，被加工零件表面有明显振纹，可以判断主轴轴承有可能严重磨损及损坏，需要更换轴承。轴承不可能同时损坏，只要某一个轴承损坏，就可以造成上述情况，所以把损坏的某一个轴承找出来更换即可。例如：假设是颈部 3 套轴承中间的一套损坏，只需要更换中间轴承。在更换轴承前，应对新轴承精度进行检测，检测轴承端面的平行度，端面和径向的自身跳动，在平板上研磨检查轴承端面有无磕碰之处，在准确找出轴承内外环之差，用 0.02-0.1 的黄铜皮做垫圈来消除内外环之差，来保证同向轴承的配合消除间隙。再根据轴承内外环之差来选配预紧力垫圈 1 内外环的尺寸。不管主轴轴承
21、是哪一个损坏，都要重新分析被损坏轴承所在的位置和各中不同方面的因素，来重新思考新的修理方法，这里就不一一举例。主轴装配完后，要对主轴前端径向跳动和轴向跳动、尾部的径向跳动进行检测。一般检测只注重主轴前端径向和轴向的精度，对于该机床来说，尾部的径向跳动同样重要，它关系到主轴轴线 300mm 处跳动的精度。主要检测项目如下：a)主轴径向跳动和轴向窜动不允许超过 0.001mm。b)尾部径向跳动不允许超过 0.005mm。 c)用手转动主轴不允许有一松一紧现象，不能过紧。结束语以上分析和维修,可作为类似其它故障的排除与参考。一般地,对于任何故障,首先是根据现象,根据原理来判断故障点,分析每一个可能性,如一个开关,一个线接头,一个螺钉都会是都会是故障原因,参照之前的操作、维修历史进行分析,能有利于缩小查找范围,有利于提高维修的效率。 参考文献1夏凤芳. 数控机床： 北京：高等教育出版社。 2003 2霍苏萍.数控加工编程与操作： 北京：人民邮电出版社。 2001 3娄锐.数控机床： 大连理工大学出版社。 2006 4李佳.数控机床及应用: 北京：清华大学出版社 2001 5王侃夫.数控机床故障诊断及维护.机械工业出版社.
