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本帖最后由 shrlyq 于 2015-1-23 01:13 编辑 插序：《技术贴！DIY小车必看之N。。。》，预计会写３～４篇，从第一篇的简易版到第二篇的升级版，到第三篇的DIY级专业篇，到第四篇的工业级专业篇。其二次加工程度由简到繁，精度由低到高，投入费用从少到多。不是为了让所有人都一路追高，而是给大家以方向和启发，更多的了解以下这么个东西，全部弄明白了就可以找到最适合自己使用的那种，然后可以自己选型设计自己的作品了。 继续上一个帖子《 技术贴！DIY小车必看！不算神器，DIY小车主轴的分析和设计》 上面说到初级Ｄ友的简易版小车主轴采用的方式和材料选择的利弊，下面说另外一种基本上可以拿来就用的升级版小车主轴的分析和设计吧。 原理篇 先说说为什么。为什么简易版小车主轴不够用了呢，因为就算加了预紧，刚性还是有限，就算成品卡盘，卡盘还是太小，就算有通孔真的不够用啊。 之前说过通俗意义上的刚性的含义，主轴本身的刚性在选择之初就固定下来了，接下来刚性就在于固定主轴的基础了，主轴的基础是和主托板共用的，车削加工刀尖施加在工件上的切削力最终是会传导至基础上的，基础有采用木板的，铝型材的，铝合金板的（１厘米后左右），钢板的（５毫米～１厘米厚），钢型材的（包括方管、槽钢、角钢等不同截面形状的），刚性依次增强，简易版主轴配上前三种正合适，配上钢的话，主轴就是木桶效应中的短板。单说主轴本身的刚性，你知道为什么卡盘分那么多种规格吗，主要是因为夹持范围的区别，而与夹持范围所匹配的就是刚性，５０卡盘，标称夹持范围之外的尺寸，按照习惯的进刀深度和转速来看，卡盘刚性、轴心刚性、主轴刚性、基础的刚性就不够了，主要体现在车削时主轴和整个小车的抖动。当然，你把速度降下来，进刀深度降到足够浅，只要电机带的动，还是可以加工的，但是效率已经降低到了极限，安全性降低到了极限，除非急着赶工没有办法，还是不要长期这么用。举个简单的例子，一根拖把杆（相当于轴心），杆的端部装的是个拖把（连接处相当于卡盘链接），那又轻便又好使，大家都说你是个勤劳的孩子；如果你装的是个关公刀，你抡起来就砍，那对不起，不是变成飞刀就是把子断了，大家都说你是个调皮的孩子。那么６５以下的卡盘到底能干什么活呢，可以负责任的告诉你，对于硬木，做珠子，做酒杯，对于较软的木头，你可以做手球，做木碗，没问题，你会觉得很好使；对付正爪标称夹持范围内的软金属（铜铝），可以弄，但是伤轴承，对于钢材料其实是无法胜任的，也许你也弄出来过，很费劲，有木有，主轴在抗议，有木有，接下来不久之后精度下来了、主轴开始抖了、卡盘开始卡涩了，有木有！毕竟深沟球类的轴承主要是设计来承受径向力的，你非要让他长时间大力量的承受轴向力（尤其是加工有端面内凹外凸形状的工件时产生的轴向力非常大），真的不行啊，一段时间之后，游隙变大，原来的预紧不管用了，精度就变差了，珠子都车毛了，变得像红毛丹，所以这种结构的长期拿来做硬木珠，每隔一段时间就要换轴承。 那么能不能找到既可以承受轴向力又能承受径向力的轴承呢？当然有，还不止一种呢！ 接下来就从这种类型的轴承说起，慢慢引出其他相关零件的选型！ 第一种实现方式： 为什么说轴承，因为轴承的选用在主轴设计里是重中之重，轴承的好坏很大程度上决定了主轴的精度的耐久性。既可以承受轴向力又能承受径向力，能承受的轴向力不弱于径向力的轴承是角接触轴承，能承受的轴向力超过径向力的轴承是圆锥滚子轴承。因为两种轴承主要区别是滚动体的不同，导致承受轴向力的大小不同，精度稍有差异，安装方式完全一样，对木车来说，两型轴承设计用途都足以满足。下面就单说角接触轴承。 角接触：  深沟球：  角接触轴承图中第一个图就是角接触轴承的剖面示意图，你会发现轴承内圈和深沟球一样，但是外圈不一样，深沟球的外圈和内圈形状一样，角接触的外圈是个斜坡，看起来像是深沟球的外圈被人去掉了一边，但是图中仅仅是示意，其滚珠槽的深度和斜坡角度是有很严格的论证设计的。其实角接触外圈没有斜坡的一侧槽深是很深的，可以死死的挡住滚珠。你想想，角接触轴承图中第一个图当用手从左向右推内圈，是不是内圈和珠子就出来了，但是反向推，是不是珠子被外圈卡住，越推越紧啊，能想明白就对了，反向推的力就是预紧力，预紧力越大，刚性越大。这样单个轴承只能承受一个方向的轴向力，那另一个方向怎么办，再用一个角接触轴承呗，把它反过来装不就行了吗。看角接触轴承后面两个图，两个轴承一组安装就是配对安装，分背靠背和面对面两种安装方式，优缺点就不说了，可以自己查，一般只用两个轴承的情况下选择中间的背靠背ＤＢ安装方式。深沟球看上去也可以卡住珠子啊，但是深沟球的槽深实际上很浅，设计之初就不能这么用的。背对背安装，看中间的图，当两个外圈向外拉，两个内圈向内压，是不是两个轴承都施加了预紧，下面贴图看工业上时怎么安装使用的。 角接触轴承的安装要求： 轴承座：  轴心端部：  上图是用来安装滚子丝杆的轴承座，右边的图和此贴无关，我们看左边这个图，两个角接触轴承背对背安装，前提是在两轴承外圈之间有一个垫圈，目的是将两个外圈向外撑住，给两个内圈之间留有一定的空间在自由状态下接触不到，当轴心穿入内圈之后由第二个轴承处穿出，轴心一端有一个台阶另一端是螺纹，台阶放在图中“轴承”箭头尖指向的位置上，台阶挡住其中一个轴承的轴承内圈，另外一个轴承内圈之外将图上的锁紧螺帽旋入轴心的螺纹上，扭紧，台阶和螺帽就把两轴承内圈给压得靠在一起了，这样，预紧施加成功，刚性就有了，刚度取决于预紧力，假设轴承非常标准，内圈和外圈在自然状态下两面都各在同一个平面上，那么预紧力取决于垫圈的厚度，实际上这种靠垫圈施加预紧的安装方式对轴承精度要求很高，一般是配对轴承，我们这里做一个延伸：我们把轴承座的轴承安装孔长度拉的足够长，垫圈厚度足够厚，吧两个轴承撑的足够远，并且把垫圈和轴承安装孔固定在一起，假设本身就是一个整体，示意图如下：  两个轴承由两端塞入安装位置，轴心再插入轴承内孔，下面是我之前设计的主轴箱的剖面图，用的是圆锥滚子轴承，但是原理一样。  1.轴壳。2.轴心。3.4.圆锥滚子轴承。5.6.端盖。7.锁紧螺帽。8.同步带轮。9.卡盘链接法兰。10.传动键。12.顶丝（这 里用顶丝是因为主轴旋转方向是螺纹上进方向，因此不会脱出） 可以看出轴壳采用了上示意图的形状，由轴壳的两端的台阶撑住外圈，轴心一端有台阶，见5的正下方有一个台阶，另一端用螺帽拉住，给轴承增加预紧力，由于你无论用多大的力去拉轴心，两轴承内圈都不能靠在一起，因此预紧力的大小取决于螺帽的紧固程度，适当即可，不宜过紧。 真正工业设计的主轴不单单只有两个角接触轴承或圆锥滚子轴承，还需要有两个深沟球轴承在角接触的外面，增强同心度，不过DIY的设计这样方式足够了。 问题又来了，角接触轴承和圆锥滚子轴承很贵的说，比深沟球轴承贵好几倍，同心度的精度却不如深沟球轴承来得好，这样不是即花了大价钱，精度又不是那么的高，怎么办？当然对付木工是绰绰有余的，这样的结构，可以把精度控制在0.03毫米以内。 但是，万事总有但是，但是我囊中羞涩，在同样的精度下，能不能便宜一点，再便宜一点？当然精度不能少，嘿嘿，就得这么抠。下面介绍另外一种实现高刚性，高精度，低成本的实现方式。 第二种实现方式： 同样必须解决轴向负荷和径向负荷都有相应的轴承来承受的问题，同时轴向能够施加预紧，而角接触轴承本身就是近似两个斜面来压住轴承，看第一张图“角接触轴承”，注意图中标注ａ长度的、由ｒ指向ｒ的那根斜线，这就是内外圈的合力方向，通过计算在水平方向和垂直方向的分力就是轴承承受到的径向和轴向力，其实角接触轴承就是等于两个轴承，即深沟球轴承和平面推力球轴承（简称推力轴承），而刚刚说的承受水平方向的分力就相当于一个推力轴承、承受垂直方向的分力就相当于一个深沟球轴承。那么我们就可以干脆将上面第一种实现方式中的每个角接触轴承换成一个深沟球轴承和平面推力球轴承 ，即一共采用两个深沟球和两个推力轴承。为什么这么做，主要是因为好装配同时又价格便宜，又能实现角接触的全部功能。示意图如下：  优点除了上面说的之外，这种结构比角接触轴承能承受的切削力更大，当然小于圆锥滚子轴承，即角接触轴承－轻载、这种－中载、圆锥滚子轴承－重载，但是这种结构如果够用则最便宜。说说缺点和适用范围。缺点是轴套加工难度稍大，需要车出更深的台阶，以容纳一端两个轴承，同时转速较低，对比一下：角接触轴承－高速、这种－中速、圆锥滚子轴承－低速。负荷负载越重转速就要越低的原则。原因如下（可以不用了解）： 假设采用相同规格的深沟球轴承和推力轴承（即两轴承同内径和同外径，一般也是这么用的），其合力相当于角接触轴承的那根斜线是４５°，其实标准里没有４５°的角接触轴承，而更多使用的是１５°的角接触轴承，其角度越小，允许转速越高，为什么角度越小转速越高，是因为角度越小，滚珠在滑道里的接触面就越少摩擦力就越小，而接触面越大的摩擦力就越大，转速就得越低，４５度影响转速比较多，转速要适当降低比如３０００转以内（数字不严谨，仅供参考），但对付小车足够了。 ps：【预紧的定义是：滚动轴承在工作状态下都具有一定的游隙。但在配置轴承时，通过一定的调整方法使轴承获得一定的内部载荷（这句话的意思是将轴承内圈和外圈施加反向力，让内外两圈把滚珠紧紧压住，这个是“一定的调整方法”，压住滚珠的这个力量就是“内部载荷”），以负游隙状态使用（意思是滚珠被死死的压住限制在没有一点间隙的滚珠轨道内），这种使用方法称为预紧。 预紧的简单示意图如下：  图为施加预紧之后滚珠被死死限制在轨道内（忽略图中的箭头和子母）】材料选择篇： 特此说明：这里只针对角接触轴承来举例，仅作参考，成品材料的做工和公差决定了精度，不是每个人都能找到那么合适的，成品零件都有公差，碰到公差配合正合适的，结果精度高；碰到公差配合相悖的，结果精度低；碰到做工好的，精度高；碰到做工差的，精度低，因此最终装配精度的高低要拼人品啊！如果大家按照我推荐的材料最后装出来不满意的别怪我哦。 因为卡盘都有通孔，按照越小越便宜的原则来看，为了合理使用卡盘、充分利用卡盘的通孔，因此通孔尺寸决定了轴心的大概直径，根据标准轴承内孔的尺寸，最终决定了轴心的直径。 ６５以下卡盘用简易版就够了，这里从８０说起。下面先附上通用卡盘的尺寸表。  图中Ｄ３尺寸就是通孔直径。 ８０卡盘通孔直径１６ｍｍ； １００卡盘通孔直径２２ｍｍ； １２５卡盘通孔直径 ３０ｍｍ。 这里针对这三种进行选型。 由卡盘选择大概的轴心直径范围： 为了尽可能的减少二次加工量，尽量选择成品，因此我们从上一篇帖子中提到的直线光轴中选，为了通孔，自然要选空心光轴，为了增大强度，价格又相差不大，我们选ＧＣｒ１５轴承钢的。下面附上空心光轴规格： 轴承钢空心轴尺寸表 外径(MM) 内孔直径MM 16 10 20 12 25 16、17、18.5 30 20 35 25 40 30 50 36 60 46 ８０卡盘通孔选外径25ｍｍ内孔直径17ｍｍ的空心轴；１００卡盘通孔选外径30或35ｍｍ内孔直径20或25ｍｍ的空心轴； １２５ 卡盘通孔选外径40ｍｍ内孔直径30ｍｍ的空心轴。 由标准轴承确定轴心直径： 按角接触轴承选：先附上角接触尺寸表  同时轴承按价格优选，选择轴承和轴心范围 ８０卡盘通孔选外径25ｍｍ内孔直径17ｍｍ的空心轴，选7005轴承； １００卡盘通孔选外径35ｍｍ内孔直径25ｍｍ的空心轴（为什么选内孔25的，因为可以放入20mm木珠材，哈哈）， 选7007或7207轴承（伏笔）； １２５ 卡盘通孔选外径40ｍｍ内孔直径30ｍｍ的空心轴，7908轴承（伏笔）。 亮点： 由成品外壳选择轴承从而选择轴心 成品外壳往往成为终选的瓶颈，这里介绍一下工业木工锯轴壳：附图先，这里避免嫌疑，去除了品牌  是不是204外壳的内孔47mm正好配合了7005轴承啊？ 是不是206外壳内孔62毫米正好配合了7007和7908轴承啊？ 是不是207外壳内孔72mm正好配合了7207轴承啊？ 这里可以确定啦： ８０卡盘通孔选外径25ｍｍ内孔直径17ｍｍ的空心轴，选7005轴承，选204外壳； １００卡盘通孔选外径35ｍｍ内孔直径25ｍｍ的空心轴，选7007轴承，选206外壳；或选7207轴承，选207外壳； １２５ 卡盘通孔选外径40ｍｍ内孔直径30ｍｍ的空心轴，7908轴承，选206外壳； 当然，还可以选出其他的配合方式，这里不一一举例了。 这时有人发现轴壳的轴承位深度大于轴承的厚度，没关系，加垫就是了： 这个叫波纹垫圈，有弹性，不会卡死轴承导致端盖不好装，大家去淘宝搜搜就知道了。这里隐藏了一些问题，也是求助于成品零件没有办法的事情，直线光轴的标称公差是0~-0.03mm，轴承内孔公差是0~-0.005mm左右的，为什么公差是一个范围，是因为地球上找不到正好外径是25毫米整整的直线光轴，实际加工中，批量生产可以把整体的误差控制在一个规定的范围，范围内的为正品，范围外的为次品，范围就是0~-0.03mm （为什么要做小，是因为能更简单的的配上轴承），也许小的多一点24.97毫米，也许小的少一点24.99毫米，当你拿到一个24.99毫米的光轴，同时又正好拿到一个25.001毫米内径的轴承，那恭喜你，你的配合精度达到了0.01毫米，所以光轴配轴承导致的实际误差范围是0.009~0.035。而锯轴壳的内孔公差一般是正公差，即与轴承外圈有一定的间隙也和光轴配轴承差不多。因此最终装配误差大概、也许、可能、应该是0.02到0.07毫米之间。要想实现最高精度，等于人品的平方，谢谢！而一般精度在0.04左右比较正常（同样是估计，因为本人不可能几种东西各买几十个来配，不过如果你肯这样去找精度的话，那高精度实现的可能性是很大的！）。 毕竟是用于木工，毕竟没有那么好的基础加工设备而要求助于成品零件，这已经是普通ＤＩＹ能达到的比较高水平的啦，如果你还不满意，那就只有进行零件自主设计外包加工来实现了，ＤＩＹ升级版介绍到这里，请关注下篇ＤＩＹ专业级主轴的分析和设计。 另附上深沟球轴承尺寸表和推力轴承尺寸表： 至此，本帖编辑完毕！ |
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