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南京工程學(xué)院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）
題 目： 數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： D機(jī)加工122 學(xué) 號(hào)： 231120404
學(xué)生姓名： 石佳倩
指導(dǎo)教師： 劉桂芝
起迄日期： 2016.2.22～2016.6.3
設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 工程中心5-206
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要
摘要：
本文是對(duì)數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu)做的設(shè)計(jì)。主軸箱是數(shù)控銑床的重要部件，而主軸是主軸箱內(nèi)部件的重中之重。主軸箱是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)主軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得主軸獲得了一定的轉(zhuǎn)速和方向。主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及內(nèi)部組件的設(shè)計(jì)直接影響了數(shù)控銑床的性能。本設(shè)計(jì)是對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的分析研究以及對(duì)主軸箱內(nèi)主軸、軸承、電機(jī)、帶輪等組件的設(shè)計(jì)以及選型。并且對(duì)主軸軸承壽命以及預(yù)緊的大小做了深入的分析與計(jì)算，在軸承潤(rùn)滑劑的選用方面也做了深入的研究，還進(jìn)行了零件的成本分析以及成本材料分析，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了總結(jié)，得到了很多有參考的價(jià)值。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 主傳動(dòng) 主軸 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
I
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）英文摘要
Title CNC milling machine spindle box structure design
Abstract
This article is about the design of the CNC milling machine spindle box structure.Spindle box is an important part of a CNC milling machine, and the main shaft is the most important parts in the headstock.Spindle box is driven by motor driven belt drive spindle rotary motion, make the main shaft for a certain speed and direction.The design of spindle box transmission system and the design of the internal components directly affects the performance of the CNC milling machine.This design is the analysis of the main transmission system research and the main shaft, bearing, motor, belt wheel in the headstock and the design and selection of components.And on the size of the spindle bearing life and preload do a thorough analysis and calculation, in the selection of the bearing lubricant has also done in-depth research, also analyzed parts cost analysis and cost of materials, to the whole design work is summarized, got a lot of have the reference value.
Keywords The structure design The spindle Main drive
I
南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）
目 錄
前 言 3
第一章 緒 論 4
1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 4
1.1.1數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題 5
1.1.2數(shù)控機(jī)床國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題 6
1.2 數(shù)控銑床的功能和特點(diǎn) 6
1.2.1數(shù)控銑床的功能 6
1.2.2數(shù)控銑床的分類及特點(diǎn) 7
1.3數(shù)控銑床的組成 8
1.4數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 8
第二章 主軸箱總體方案設(shè)計(jì) 10
2.1數(shù)控銑床總體布局形式 10
2.1.1臥式數(shù)控銑床的常用布局形式 10
2.1.2立式數(shù)控銑床的常用布局形式 10
2.2主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳動(dòng)方式? 10
2.2.1主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 10
2.2.2傳動(dòng)方式的分類及特點(diǎn) 11
2.3數(shù)控銑床的導(dǎo)軌主傳動(dòng)導(dǎo)軌類型及確定 11
2.3.1導(dǎo)軌的技術(shù)要求 11
2.3.2導(dǎo)軌的分類 11
2.4數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式及電機(jī)選取 13
2.4.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式 13
2.4.2電機(jī)型號(hào)的選取 13
2.4.3 V帶參數(shù)的計(jì)算 14
第三章 主軸組件的設(shè)計(jì) 17
3.1 對(duì)主軸組件的基本要求 17
3.2主軸的功用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.2.1主軸的功用 17
3.2.2主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.3 主軸主要參數(shù)的確定 18
3.3.1主軸參數(shù)的確定 18
3.3.2主軸強(qiáng)度校核 19
3.4主軸材料的選擇及熱處理 19
第四章 主軸軸承的選擇 20
4.1軸承的選擇及壽命計(jì)算 20
4.1.1軸承的功用及特點(diǎn) 20
4.1.2主軸軸承配置方式 20
4.1.3主軸軸承壽命的計(jì)算 21
4.2軸承的潤(rùn)滑及密封 23
4.2.1主軸滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑 23
4.2.2主軸部件的密封 24
4.3軸承的預(yù)緊 24
4.3.1軸承預(yù)緊的意義 24
4.3.2軸承預(yù)緊方式 24
4.3.3軸承預(yù)緊力方式、大小的選擇原則 25
4.3.4軸承預(yù)緊力大小的確定 25
第五章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 30
5.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的目的與意義 30
5.2成本材料分析 30
5.2.1 非標(biāo)準(zhǔn)件的成本材料分析 30
5.2.2 標(biāo)準(zhǔn)件的成本材料分析 30
5.3成本計(jì)算依據(jù) 31
5.4.成本經(jīng)濟(jì)計(jì)算 32
第六章 結(jié) 論 33
致 謝 35
參 考 文 獻(xiàn) 36
附件1：數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu)總裝配圖 37
附件2：數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu)零件圖 38
附件3：畢業(yè)論文光盤(pán)資料 39
前 言
一個(gè)國(guó)家能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要一點(diǎn)就是制造業(yè)發(fā)展迅速，一個(gè)國(guó)家可以從它的經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及科技水平等方面看出該國(guó)家的發(fā)展情況以及有沒(méi)有可以提升的空間。每個(gè)國(guó)家在制造生產(chǎn)方面以及制造裝備方面存在著很大的競(jìng)爭(zhēng)力，這些會(huì)直接影響到該國(guó)家的發(fā)展。制造業(yè)最主要的設(shè)備是機(jī)床，而數(shù)控機(jī)床是最能表現(xiàn)出其高精度、高效率的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床正向著高性能、高精度、高效率、高自動(dòng)化等方向迅猛發(fā)展。雖然我國(guó)數(shù)控機(jī)床的一些相關(guān)技術(shù)得到了相對(duì)的發(fā)展，但是一與國(guó)外對(duì)比，差距還是很大，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)方面：可靠性相對(duì)比較差、應(yīng)變能力較差、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間比較長(zhǎng)、設(shè)計(jì)方式比較落后等，這種差距主要體現(xiàn)在高精度、高速度等方面。所以我們必須緊跟著國(guó)際機(jī)床技術(shù)發(fā)展的前端，進(jìn)一步發(fā)展機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造等方面的技術(shù)。
數(shù)控機(jī)床相比于普通機(jī)床存在著很多優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)適用各種零件的加工、能夠自動(dòng)生成程序并進(jìn)行加工、操作數(shù)控機(jī)床的工人的工作強(qiáng)度也比較低等方面。數(shù)控機(jī)床應(yīng)用范圍最廣的就是數(shù)控銑床，數(shù)控銑床的功能有很多，目前大多數(shù)的加工方式都是通過(guò)數(shù)控銑床來(lái)實(shí)現(xiàn)加工的，我們一般都采用銑削的方法。數(shù)控銑削加工是最為復(fù)雜的，因?yàn)樗某绦虮容^多而且存在的技術(shù)問(wèn)題也特別多，需要我們一一去解決。所以我們?cè)陂_(kāi)發(fā)這方面的軟件時(shí)，就需要把銑削加工放在第一位去考慮。
2
第1章 緒 論
1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展
隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品的精度以及效率得到了大幅度的提高。數(shù)控機(jī)床適用場(chǎng)合：加工種類多批量小的零件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高的零件、需要經(jīng)常改變形狀的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的零件等[1]。
由于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展也日益提升，適用于越來(lái)越多的場(chǎng)合，為了能夠滿足新的市場(chǎng)需求，使得數(shù)控技術(shù)能夠適應(yīng)更高的要求，那么當(dāng)前數(shù)控技術(shù)及其設(shè)備就要朝著以下特點(diǎn)發(fā)展：
（1）高速化：目前我國(guó)對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的要求越來(lái)越高，為了滿足其加工要求，就需要從以下幾點(diǎn)去考慮。1)主軸回轉(zhuǎn)速度；2)進(jìn)給率；3)運(yùn)算速度:目前數(shù)控系統(tǒng)正向著高速、高精度方向發(fā)展，而由于微處理器的運(yùn)算速度的較高,使得在加工過(guò)程中，分辨率比較低時(shí)候仍能獲得高的進(jìn)給速度[1]；4)換刀速度:現(xiàn)如今國(guó)外刀具的裝卸時(shí)間普遍比較短，有的甚至只有0.5s[2]。
（2）高精度化：如今我們對(duì)于數(shù)控機(jī)床精度的要求越來(lái)越高，不僅僅只有幾何精度以及運(yùn)動(dòng)精度，熱變形也成為了影響數(shù)控機(jī)床精度要求的因素之一。1)數(shù)控系統(tǒng)的控制精度需要提高:可以采取插補(bǔ)技術(shù),采用一段程序來(lái)保持持續(xù)進(jìn)給,這樣可以使數(shù)控系統(tǒng)的控制更加完善；2)采用補(bǔ)償技術(shù):通過(guò)間隙補(bǔ)償技術(shù)以及刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)生的一系列的誤差。3)我們可以通過(guò)使用網(wǎng)格解碼器來(lái)查看工件的運(yùn)動(dòng)軌跡,以確保機(jī)床的定位精度要求,使其性能能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定,并且完成各種各樣的加工要求,還能保證零件的加工質(zhì)量要求[3]。
（3）控制智能化：為了能夠加快生產(chǎn)步伐，滿足生產(chǎn)的需求,數(shù)控機(jī)床的水平在不斷地提升。
（4）極端化[4]：這是為了實(shí)現(xiàn)超精密加工和超微型化加工提供技術(shù)支持。
（5）信息交互網(wǎng)絡(luò)化：目前，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈,為了能夠讓信息在各個(gè)部門(mén)一路暢通，我們就需要實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床高速雙向的通訊功能。
（6）新型功能部件：1)高頻電主軸:通過(guò)無(wú)級(jí)變速來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)速度比較高等優(yōu)點(diǎn)；2)直線電動(dòng)機(jī):目前直線電動(dòng)機(jī)已經(jīng)普遍應(yīng)用,雖然其價(jià)格比傳統(tǒng)的系統(tǒng)高一點(diǎn),但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,提高了機(jī)床的工作性能。3)電滾珠絲桿:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,傳動(dòng)方便。
（7）高可靠性：為了能使數(shù)控機(jī)床的性能提高,特別是可靠性，我們就需要明確設(shè)計(jì)并且完成目標(biāo)，通過(guò)研究分析找出其較弱的環(huán)節(jié)[5]。
（8）多媒體技術(shù)的應(yīng)用[5]：多媒體技術(shù)是由計(jì)算機(jī)、聲像和通信組合而成的,這樣使得計(jì)算機(jī)擁有處理各種問(wèn)題的能力。除此之外,多媒體技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)信息處理的綜合化、智能化等各種功能。
1.1.1 數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題
我國(guó)通過(guò)引進(jìn)并且吸收國(guó)外的數(shù)控技術(shù)，使我國(guó)在數(shù)控方面取得了非常大的進(jìn)步。但是我國(guó)的數(shù)控機(jī)床技術(shù)相比于國(guó)外的數(shù)控技術(shù)差距還是非常明顯,我國(guó)的設(shè)備和以及各類部件十分依賴進(jìn)口。從中可以看出我國(guó)數(shù)控機(jī)床特別缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,通過(guò)研究表明，形成這種情況最主要的原因是因?yàn)槲覈?guó)對(duì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展不夠上心，研究開(kāi)發(fā)比較少，制造的水平太低而且推廣范圍不廣，對(duì)此有興趣的人很少，數(shù)控機(jī)床方面的人才較少等[5-8]。目前針對(duì)國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提出了以下幾點(diǎn)問(wèn)題：
(1)創(chuàng)新能力不高、接收能力不夠。目前國(guó)內(nèi)的數(shù)控技術(shù)主要還是仿照國(guó)外的技術(shù)。自己創(chuàng)新的內(nèi)容很少，十分依賴國(guó)外的技術(shù)，對(duì)國(guó)外技術(shù)的消化吸收能力不足，一直保持著自己的想法，沒(méi)有獨(dú)立開(kāi)發(fā)技術(shù)的能力和創(chuàng)新能力。為了能夠加快技術(shù)的發(fā)展，我們就必須獨(dú)立創(chuàng)新數(shù)控技術(shù)，我們可以引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)作為參考，但不能一昧的依靠國(guó)外的技術(shù)，不做一點(diǎn)改變，這樣根本改變不了我國(guó)的數(shù)控技術(shù)的水平。
(2)技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境不完善。我國(guó)還沒(méi)有建立適合技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新的環(huán)境。我國(guó)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的動(dòng)力來(lái)自于對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的追求以及各種競(jìng)爭(zhēng)壓力，因?yàn)槲覈?guó)的創(chuàng)新意識(shí)還不夠強(qiáng)，還沒(méi)有良好的技術(shù)創(chuàng)新體系，所以很難取得很好的成果。
(3)產(chǎn)品的可靠性以及穩(wěn)定性不高。國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)與國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)相比，平均無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)的多，這使得國(guó)外技術(shù)的可靠性以及穩(wěn)定性比國(guó)內(nèi)好的多。
(4)體系結(jié)構(gòu)不夠“開(kāi)放”。目前國(guó)內(nèi)的數(shù)控產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)十分封閉，只有少數(shù)的產(chǎn)品“開(kāi)放”，但是也只能是半成品狀態(tài)。
現(xiàn)如今,我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展在勞動(dòng)力、資源等方面相比于其他國(guó)家具有很大的優(yōu)勢(shì),但是我國(guó)在技術(shù)創(chuàng)新方面以及獨(dú)立開(kāi)創(chuàng)方面相比于國(guó)外還是有著很大的差距。我們不能安于如今的狀態(tài),應(yīng)該努力發(fā)展自己的技術(shù),加強(qiáng)數(shù)控人才的培訓(xùn)力度,盡可能縮短與其他國(guó)家的差距。爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的蛻變。
1.1.2 數(shù)控機(jī)床國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題
數(shù)控機(jī)床國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀：
(1)目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng)朝著高速高精度加工方向發(fā)展，納米控制技術(shù)是其中的代表之一。
(2)目前機(jī)器人應(yīng)用于機(jī)床已經(jīng)普及，它有著結(jié)構(gòu)形式種類多，應(yīng)用范圍廣，運(yùn)動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
(3)目前國(guó)外在數(shù)控機(jī)床監(jiān)測(cè)與管理方面取得的很好的效果，可以及時(shí)獲得機(jī)床本身的信息，分析有關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)知其狀態(tài)，可以提前保護(hù)它，減少了機(jī)床出現(xiàn)的問(wèn)題，提高了機(jī)床的效益。
(4)最新的CAD/CAM技術(shù)給數(shù)控機(jī)床的加工帶來(lái)了極高的效益，提高了機(jī)床加工的效率。
(5)刀具技術(shù)發(fā)展十分迅速，大部分的刀具設(shè)計(jì)包含了整個(gè)加工過(guò)程，并且滿足了抗振性的要求。
存在的問(wèn)題：
（1）不能只局限于一種控制技術(shù)，要多去研究開(kāi)發(fā)其他技術(shù)，以便提高數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。
（2）由于機(jī)器人的應(yīng)用普及，會(huì)有越來(lái)越多的國(guó)家運(yùn)用此類技術(shù)，所以不能這一種技術(shù)方式上下功夫。
（3）目前數(shù)控機(jī)床一般都使用CAD等技術(shù)來(lái)提高機(jī)床的加工效率，但是隨著越來(lái)越快的發(fā)展技術(shù)，CAD技術(shù)遲早會(huì)被其他技術(shù)所代替。
1.2 數(shù)控銑床的功能和特點(diǎn)
1.2.1 數(shù)控銑床的功能
（1）點(diǎn)位控制功能：能夠滿足位置精度要求很高的孔加工。?
（2）連續(xù)輪廓控制功能：能夠滿足直線與圓弧的插補(bǔ)以及非圓曲線的加工。?
（3）刀具半徑補(bǔ)償功能：在編程時(shí)不用加入刀具的直徑，方便了我們計(jì)算尺寸而且編程也簡(jiǎn)單。?
（4）刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能：能夠自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒叩拈L(zhǎng)度，來(lái)滿足加工過(guò)程中對(duì)刀具長(zhǎng)度的要求。?
（5）鏡像比例加工功能：鏡像加工功能是可以通過(guò)坐標(biāo)軸對(duì)稱來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們只需要一個(gè)象限的程序，就能得出其它象限的輪廓。比例功能就是把程序段按照1：1、2：1等比例進(jìn)行加工的方法。
（6）旋轉(zhuǎn)功能：能夠?qū)⒕帉?xiě)的程序段以任意角度來(lái)實(shí)現(xiàn)。?
（7）子程序調(diào)用功能：可以讓零件在各個(gè)位置重復(fù)加工上一次的程序，這樣就可以完成對(duì)整個(gè)零件的加工。?
（8）宏程序功能：可以用一個(gè)總指令來(lái)代替任意一種指令，實(shí)現(xiàn)變量計(jì)算，使程序更加方便靈活。
1.2.2 數(shù)控銑床的分類及特點(diǎn)
（1） 按主軸的位置分類。1）數(shù)控立式銑床。數(shù)控立式銑床是我國(guó)應(yīng)用范圍最廣的數(shù)控機(jī)床。從數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)數(shù)目來(lái)說(shuō)，目前三坐標(biāo)數(shù)控立銑是應(yīng)用最多的一種機(jī)床；2）數(shù)控臥式銑床。其主軸軸線水平。臥式數(shù)控銑床一般通過(guò)添加數(shù)控轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)其他坐標(biāo)加工。3）立臥兩用數(shù)控銑床?，F(xiàn)如今此類數(shù)控銑床已經(jīng)不被使用，但是此類銑床具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括其主軸方向可以隨意改變，既可以實(shí)現(xiàn)立式加工，又可以實(shí)現(xiàn)臥式加工，而同時(shí)擁有兩種功能的機(jī)床，其應(yīng)用范圍更廣，功能更齊全，給加工帶來(lái)了不少的方便。
（2）按構(gòu)造上分類。1）工作臺(tái)升降式數(shù)控銑床。此類數(shù)控銑床采用是工作臺(tái)移動(dòng)、主軸不動(dòng)的方法。不適用于小型數(shù)控銑床。2）主軸頭升降式數(shù)控銑床。此類數(shù)控銑床采用工作臺(tái)移動(dòng)、主軸上下運(yùn)動(dòng)的方法。主軸頭升降式數(shù)控具有精度良好、承載力大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為數(shù)控銑床的主要部分。3）龍門(mén)式數(shù)控銑床。此類數(shù)控銑床的主軸可以實(shí)現(xiàn)在橫向、縱向移動(dòng)。龍門(mén)式數(shù)控銑床一般用于大型的數(shù)控銑床，因?yàn)榇笮偷臄?shù)控銑床需要考慮行程以及占地面積等方面的問(wèn)題，所以采用龍門(mén)式數(shù)控銑床是最合適不過(guò)的。
數(shù)控銑床具有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：
（1）可以加工出一般機(jī)床加工不出或者很難加工出來(lái)的零件；
（2）能夠加工在裝夾定位后還需要進(jìn)行多次工序的零件；
（3）加工精度高、加工質(zhì)量可靠、生產(chǎn)能力強(qiáng)。數(shù)控加工減少了工人的操作失誤、減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
（4）生產(chǎn)效率高。 數(shù)控銑床加工通常不使用專用夾具，在裝拆工件時(shí)只要改變數(shù)控裝置中有關(guān)于裝拆工件時(shí)所用到的數(shù)據(jù)就行，使得生產(chǎn)周期短，提高了生產(chǎn)效率。再者，數(shù)控銑床還具備其他種類機(jī)床的功能，使得工序大幅度的提升，提高了生產(chǎn)效率。而且，數(shù)控銑床是通過(guò)無(wú)極變速來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給速度的，方便我們選擇最適合加工的切削用量；
（5）從切削原理上講，數(shù)控銑床的切削方式不像車(chē)削那樣能夠進(jìn)行持續(xù)切削，所以我們對(duì)刀具的要求比較高，要求具有良好耐磨性、剛度、硬度以及韌性。在某些情況下還需要有良好的紅硬性。
1.3數(shù)控銑床的組成
（1） 機(jī)床本身--主要包括床身、立柱、主軸箱、銑頭等機(jī)械部件。
（2）數(shù)控系統(tǒng)--數(shù)控銑床的最主要的部分，包含各種電子元器件、監(jiān)視器以及鍵盤(pán)等。
（3）伺服驅(qū)動(dòng)--數(shù)控銑床執(zhí)行運(yùn)動(dòng)部分，包含主電機(jī)、進(jìn)給伺服電機(jī)等。
（4）輔助裝置--數(shù)控銑床的一些配置，包含液壓和氣動(dòng)裝置、冷卻和潤(rùn)滑裝置以及排屑裝置等。
1.4數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介
數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)與普通機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，這是由于數(shù)控銑床主軸電動(dòng)機(jī)采用的是無(wú)級(jí)變速。不再需要復(fù)雜的齒輪變速。
數(shù)控銑床對(duì)主傳動(dòng)的要求：
（1）范圍： 不同的數(shù)控機(jī)床對(duì)速度范圍的要求也不經(jīng)相同，用途比較廣的機(jī)床，就要求主軸的速度范圍大，而且還要求主軸轉(zhuǎn)距大還要求高的主軸轉(zhuǎn)速。
（2）熱變形：主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸組件都有著比較高的溫度。所以我們要求降低溫升，減少熱變形來(lái)達(dá)到主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。
（3）旋轉(zhuǎn)精度：是指主軸在低速輕載的情況下，所測(cè)量得到的軸向、徑向值。
（4）運(yùn)動(dòng)精度：是指主軸在以工作轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時(shí)，所測(cè)量的以上兩種的精度。數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)精度及運(yùn)動(dòng)精度就比較高。
（5）主軸的靜剛度：因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的加工精度比普通機(jī)床高的多，而且主軸的工作轉(zhuǎn)速也很高。主軸組件存在的一系列因素會(huì)對(duì)主軸的靜剛度產(chǎn)生很大的影響。
（6）主軸的抗振性：與主軸靜剛度的理由一樣，都是因?yàn)橹鬏S組件存在的一系列因素對(duì)其造成的影響。
（7）耐磨性：為了使主軸組件能夠長(zhǎng)時(shí)間保持精度要求，那么主軸組件就必須擁有足夠的耐磨性。特別是摩擦比較大的部位就需要有足夠的耐磨性，而且軸承處應(yīng)保持良好的潤(rùn)滑效果。
第2章 主軸箱總體方案設(shè)計(jì)
2.1數(shù)控銑床總體布局形式
2.1.1臥式數(shù)控銑床的常用布局形式
主軸軸線平行于水平面。適用于垂直水平面的各種加工，為了能夠?qū)ぜ?cè)面進(jìn)行連續(xù)輪廓加工，我們就需要裝配上萬(wàn)能數(shù)控轉(zhuǎn)盤(pán)，這樣就可以一次性加工工件的表面。我們經(jīng)常通過(guò)添加數(shù)控轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)完成四、五軸的加工。這樣，工件在加工過(guò)程中，我們就可以通過(guò)數(shù)控轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)改變位置，并進(jìn)行各個(gè)方位的加工，這樣臥式數(shù)控銑床在加工過(guò)程中比一般的機(jī)床優(yōu)勢(shì)明顯大得多。
2.1.2立式數(shù)控銑床的常用布局形式
主軸軸線垂直于水平面。是最常用的布局形式之一，其應(yīng)用范圍最廣，特別是以三軸聯(lián)動(dòng)銑床為主。其各坐標(biāo)的控制方式有以下幾種：
（1） 工作臺(tái)橫向、縱向移動(dòng)并且升降，而主軸采取不動(dòng)的方式。適用于小型數(shù)控銑床。
（2） 工作臺(tái)橫向、縱向移動(dòng)，而主軸采取升降的方式。適用于中型數(shù)控銑床。
（3） 龍門(mén)架移動(dòng)式，其主軸可以實(shí)現(xiàn)在橫向、縱向移動(dòng)。一般用于大型的數(shù)控銑床。
2.2主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳動(dòng)方式?
2.2.1主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
（1）回轉(zhuǎn)速度高，功率比較大，適用于切削功率大以及切削速度高的場(chǎng)合，加工效率比較高。?
（2）因?yàn)橹鬏S能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)極變速，所以主軸的回轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變可靠，使得切削加工過(guò)程能在最佳狀態(tài)下進(jìn)行加工。?
（3）主軸上一般都有設(shè)計(jì)刀具自動(dòng)裝卸功能，這樣就可以快速實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)裝卸，而且，主軸還需要設(shè)計(jì)定向停止裝置以及排屑裝置。
2.2.2傳動(dòng)方式的分類及特點(diǎn)
（1） 二級(jí)以上變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)
可以實(shí)現(xiàn)各類切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩的輸出，并且具有良好的調(diào)速能力。但是因?yàn)槎?jí)以上變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要添加溫度控制裝置以及潤(rùn)滑裝置，這樣就導(dǎo)致了我們所需成本的提高，另外，在制造和維修過(guò)程中，也會(huì)存在較多的問(wèn)題，解決起來(lái)比較困難。
（2） 一級(jí)變速器的主傳動(dòng)系統(tǒng)
現(xiàn)如今，數(shù)控機(jī)床大部分都通過(guò)帶傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閹鲃?dòng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)其他傳動(dòng)方式更加簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試起來(lái)也比較方便，而且能夠滿足數(shù)控機(jī)床所要達(dá)到的轉(zhuǎn)速以及輸出轉(zhuǎn)矩的要求。這種傳動(dòng)方式可以降低數(shù)控機(jī)床工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)與噪音，一般都用于要求轉(zhuǎn)矩較低的主軸。
（3） 調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)系統(tǒng)
相比于其他兩種傳動(dòng)方式，調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較緊湊，使用范圍較少，頻率比較高。不過(guò)其轉(zhuǎn)速的變化以及轉(zhuǎn)矩的輸出和普通電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)完全相同，所以一般不使用這種傳動(dòng)方式。
2.3數(shù)控銑床的導(dǎo)軌主傳動(dòng)導(dǎo)軌類型及確定
2.3.1導(dǎo)軌的技術(shù)要求
數(shù)控銑床對(duì)導(dǎo)軌的要求有以下幾點(diǎn)方面：
（1）導(dǎo)向精度高。導(dǎo)向精度是指機(jī)床導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的直線度或者圓度。在加工過(guò)程中，不管是在運(yùn)動(dòng)還是空載，導(dǎo)軌都必須有著足夠的導(dǎo)向精度，這是最基本的要求。
（2）精度保持性好。精度保持性是指導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能否長(zhǎng)時(shí)間保證其一開(kāi)始的精度。導(dǎo)軌的磨損是導(dǎo)致精度保持性降低的主要因素，另外，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)以及支承件的材料也是影響精度保持性的因素之一。為了能夠保證精度，我們應(yīng)采取摩擦因素較小的導(dǎo)軌。
（3）足夠的剛度。因?yàn)閷?dǎo)軌會(huì)受到各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件帶來(lái)的外力，如果導(dǎo)軌受運(yùn)動(dòng)部件帶來(lái)的外力后變形過(guò)于大，就會(huì)降低了導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，使得導(dǎo)軌的工作條件惡劣，不便于零件的加工。導(dǎo)軌的剛度主要取決于導(dǎo)軌的類型選擇、結(jié)構(gòu)尺寸的大小等。
（4）良好的摩擦特性。為了保證數(shù)控銑床的精度，數(shù)控銑床導(dǎo)軌的摩擦因素要經(jīng)可能的小，這樣就可以減少工件的摩擦以及導(dǎo)軌產(chǎn)生的變形，在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)、低速無(wú)爬行的狀態(tài)。
2.3.2導(dǎo)軌的分類
（1） 按導(dǎo)軌的摩擦性能分為：滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌以及靜壓導(dǎo)軌。1）滑動(dòng)導(dǎo)軌。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單而且制造很方便，其剛度較好而且抗振能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的一種導(dǎo)軌。我們一般對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行淬火以及磨削加工，這樣就可以提高導(dǎo)軌的耐磨性以及精度要求?；瑒?dòng)導(dǎo)軌有三角形、矩形、燕尾形以及圓形等類型。2）滾動(dòng)導(dǎo)軌。優(yōu)點(diǎn)：摩擦因數(shù)小，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)、低速無(wú)爬行，精度要求較高而且精度保持性好，其壽命比較長(zhǎng)。缺點(diǎn)：抗振性比較差而且對(duì)于其保護(hù)的要求比較高。3）液壓導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌是機(jī)床使用最多的一種。其摩擦因數(shù)最小并且功率最小。而且其精度保持性好，壽命比較長(zhǎng)。能夠保持平穩(wěn)，無(wú)爬行的狀態(tài)。
（2） 按導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)分：主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)以及移置導(dǎo)軌。
（3） 按導(dǎo)軌的受力情況分：開(kāi)式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。
本設(shè)計(jì)采用的是矩形式的滑動(dòng)導(dǎo)軌。利用壓板壓緊導(dǎo)軌與箱體，用螺釘及剎鐵調(diào)整間隙。如圖2-1所示。
圖2-1 滑動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式
1-螺釘 2-壓板 3-滑動(dòng)導(dǎo)軌 4-箱體
2.4數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式及電機(jī)選取
2.4.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式
（1） 帶有變速齒輪的主傳動(dòng)
適用于大中型數(shù)控機(jī)床。其傳動(dòng)方式是將幾對(duì)齒輪進(jìn)行降速，使其能夠進(jìn)行變速來(lái)保證在低速運(yùn)行時(shí)能夠擁有足夠大的扭矩來(lái)滿足主軸輸出扭矩的要求。
（2）通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)
適用于中小型數(shù)控機(jī)床。其傳動(dòng)方式可以降低傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音，但是其只適用于主軸輸出扭矩要求較低的場(chǎng)合。
（3）由調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)
其傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主軸部件的剛度較高。但是主軸輸出扭矩較低，電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)影響主軸的精度要求。調(diào)速電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)速度精度高、剛度高，轉(zhuǎn)距高以及恒功率運(yùn)動(dòng)范圍廣。
2.4.2電機(jī)型號(hào)的選取
電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選取直接影響著機(jī)床的結(jié)構(gòu)及壽命，選取時(shí)要考慮機(jī)床的功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，然后選取合適的電機(jī)型號(hào)[13]。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主電機(jī)功率3.7KW。額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定轉(zhuǎn)矩為
（2-1）
圖2-2 輸出功率和扭矩圖
選取型號(hào)為YPNC-50-3.7-B的變頻主軸電動(dòng)機(jī)。
圖2-3 主軸電動(dòng)機(jī)
1-電機(jī)2-螺釘3-電機(jī)安裝板4-隔圈5-雙頭螺釘6-小皮帶輪7-V形帶8-螺釘
2.4.3 V帶參數(shù)的計(jì)算
本次設(shè)計(jì)選用V帶傳動(dòng)。V帶傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)原理是依靠帶與帶輪之間的摩擦力進(jìn)行傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。V帶傳動(dòng)的摩擦力比較大，適用于傳遞功率較大的場(chǎng)合。V帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，是帶傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的傳動(dòng)之一。V帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，具有緩沖吸振能力，運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)無(wú)噪音，適用于距離較遠(yuǎn)傳動(dòng)并且制造安裝精度要求不高 。缺點(diǎn)：存在彈性滑動(dòng)，使得傳動(dòng)比不恒定。結(jié)構(gòu)尺寸較大、不緊湊，容易打滑，使得帶的壽命較短。
參數(shù)計(jì)算：
（1） 計(jì)算功率：
（2-2）
（2） 小帶輪直徑：
，取80mm。 （2-3）
（3） 大帶輪直徑：
，取112mm,（2-4）
（4） 帶速：
（2-5）
滿足要求。
（5）初定軸間距：，即，取180mm。
（6） 基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
（2-6）
基準(zhǔn)長(zhǎng)度取710mm。
（7） 實(shí)際中心距：
（2-7）
實(shí)際中心距取204mm。
（8）安裝時(shí)最小軸間距：
（2-8）
張緊或調(diào)整最大軸間距：
（2-9）
（9）小帶輪包角：
（2-10）
滿足要求。
（10）帶的根數(shù)：
（2-11）
-單根V帶傳遞額定功率，取1.82KW
-傳動(dòng)比的額定功率增量，取0.47KW
-小帶輪包角修正系數(shù)，取0.99
-帶長(zhǎng)修正系數(shù)，取0.89
-V帶每米長(zhǎng)重量，取0.1kg/m
（11）帶的張緊力：
（2-12）
（12）作用在軸上的力：
（2-13）
以上公式都由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》提供。
第三章 主軸組件的設(shè)計(jì)
3.1 對(duì)主軸組件的基本要求
（1） 旋轉(zhuǎn)精度：是指主軸前端定位面的徑向、軸向和端面的跳動(dòng)值。
（2） 剛度：是指主軸組件在受外部力量的作用時(shí)，抵抗其所受到的變形的能力。為了能夠降低主軸所受到的變形，我們就需要提高主軸組件的剛度。如果主軸組件的剛度不夠高的話，那么在外力的作用下，主軸就會(huì)受到嚴(yán)重的變形，這樣，不僅降低了工件的加工質(zhì)量，而且還會(huì)使磨損速度變快從而降低主軸的精度。
（3） 抗振性：是指主軸組件在受到振動(dòng)時(shí)還能保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。
（4） 溫升和熱變形：主軸組件在工作時(shí)會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生的摩擦以及損耗等因素而形成溫升。而熱變形是由于溫升使得主軸組件的形狀以及位置發(fā)生了改變。如果溫升過(guò)高就是產(chǎn)生很?chē)?yán)重的后果，主軸組件會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而發(fā)生嚴(yán)重的變形，那么機(jī)床上的其他部件的位置就會(huì)隨著主軸組件的變形而發(fā)生改變，嚴(yán)重影響了工件的加工精度。還有，軸承也會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高，其間隙大小也會(huì)發(fā)生改變，而且其潤(rùn)滑方式也會(huì)不合適，影響了軸承精度。
（5） 耐磨性：是指能夠長(zhǎng)時(shí)間保證其一開(kāi)始精度的能力。主軸組件要求有足夠的耐磨性，不然無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持所需要達(dá)到的精度要求。為了能夠提高主軸組件的耐磨性，我們應(yīng)該在主軸上容易磨損的部位進(jìn)行淬硬處理或者進(jìn)行氮化處理。主軸軸承還應(yīng)具有良好的潤(rùn)滑效果，這樣可以提高軸承的耐磨性。
3.2主軸的功用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1主軸的功用
主軸是數(shù)控銑床組成部分的重中之重，它的選擇直接影響到銑床的精度要求。主軸部件在受外力作用時(shí)，很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，降低了工件加工精度要求以及零件的表面質(zhì)量。我們?cè)谶x擇主軸時(shí)必須考慮主軸的剛度、變形、噪音等性能，特別是主軸部件的變形。帶傳動(dòng)在主軸傳動(dòng)中運(yùn)用最多的一種傳動(dòng)方式，是依靠帶與帶輪之間的摩擦力來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，帶傳動(dòng)的傳動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)。
3.2.2主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)采用是“背對(duì)背”式的角接觸球軸承。此類角接觸球軸承可以承受徑向和軸向載荷，但是在承受徑向載荷同時(shí)會(huì)引起軸承內(nèi)部的軸向力，所以在選擇軸承時(shí)就需要成對(duì)使用，軸承配置方式的有“背對(duì)背”、“面對(duì)面”、“串聯(lián)”和“多聯(lián)”等配置方式，我們需要通過(guò)軸承預(yù)緊來(lái)提高主軸的剛度。
3.3 主軸主要參數(shù)的確定
3.3.1 主軸參數(shù)的確定
（1）主軸直徑
如果選擇很大的主軸直徑，那么軸承的尺寸以及軸上其他零件的尺寸也會(huì)相應(yīng)變大，但是這樣主軸的剛度會(huì)很高[12]。而且主軸直徑越大，軸承的直徑也會(huì)越大，如果前、后軸承直徑相差不大，那么主軸的剛度會(huì)變高，其性能也會(huì)變好。根據(jù)主軸鼻端尺寸是BT40，確定前軸承處直徑為75mm，后軸承處直徑為60mm。
（2）主軸內(nèi)孔直徑
主軸的內(nèi)孔用來(lái)放置刀具夾緊裝置。主軸內(nèi)孔直徑越大，那么主軸部件的重量也會(huì)越輕。主軸剛度的大小會(huì)直接影響到主軸內(nèi)孔直徑的大小。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由于主軸是空心轉(zhuǎn)軸，因此根據(jù)設(shè)計(jì)，取d1=52，d2=60mm，d3=68mm，d4==72mm，d5==75mm，d6=88mm，d7=105mm。
圖3-1 主軸結(jié)構(gòu)
3.3.2 主軸強(qiáng)度校核
主軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核計(jì)算：
s= ≥[s] （3-1）
____________只考慮彎距作用的安全系數(shù)；
____________只考慮扭距作用是的安全系數(shù)；
[s] ____________許用安全系數(shù)；
[s]=1.3～1.5； （3-2）
=270Mpa，=155Mpa，=1.71，=1.44，=1.6，=0.3，=0.21， =，=，，， （3-3）
所以s==1.08<[s]=1.3～1.5 ，所以主軸設(shè)計(jì)符合要求。
以上公式都是由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》提供。
3.4主軸材料的選擇及熱處理
本次設(shè)計(jì)選擇的主軸材料為20CrMnTi，并且經(jīng)過(guò)滲碳淬火處理至HRC56-62。使其有著很高的表面硬度、沖擊韌性以及心部強(qiáng)度，熱處理變形比20Cr小的多。
第四章 主軸軸承的選擇
4.1軸承的選擇及壽命計(jì)算
4.1.1 軸承的功用及特點(diǎn)
（1） 深溝球軸承
該類軸承承載的載荷性質(zhì)可以是徑向載荷也可以是軸向載荷，使用還是非常廣泛的，主要用在高速，承受雙向載荷的場(chǎng)合[9]。
（2） 角接觸球軸承
這類軸承的載荷性質(zhì)也可以是徑向或者軸向載荷，它角接觸角度的大小，可以影響其承載能力和轉(zhuǎn)速，在機(jī)床上運(yùn)用的極為廣泛。
（3） 調(diào)心球軸承
這類軸承一般用于自動(dòng)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)跳動(dòng)，使回轉(zhuǎn)軸減少或者消除跳動(dòng)。
（4） 圓柱滾子軸承
這類軸承適用于承載大載荷時(shí)使用，因?yàn)槠錆L子結(jié)構(gòu)，所以注定了它存在較高的能量損失，較易磨損。
（5） 圓錐滾子軸承
這類軸承適用于承載大載荷時(shí)使用，因?yàn)槠錆L子結(jié)構(gòu)，所以只能承載單向載荷并注定了它存在較高的能量損失，較易磨損。但是如果成對(duì)使用，則可以承載雙向載荷。
（6） 調(diào)心滾子軸承
這類軸承一般用于自動(dòng)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)跳動(dòng)，使回轉(zhuǎn)軸減少或者消除跳動(dòng)，并可承載大載荷。
（7） 推力球軸承
這類軸承只能承載軸向力，一般只用于不受徑向力的場(chǎng)合。
4.1.2 主軸軸承配置方式
軸承的選擇原則一般分為：要考慮載荷性質(zhì)；考慮精度要求；考慮轉(zhuǎn)速要求；考慮配合軸的要求。本數(shù)控銑床主軸箱的軸承選定為角接觸球軸承，選用該軸承的主要原因在于數(shù)控銑床加工時(shí)會(huì)收到軸向和徑向雙向受力，只要預(yù)緊得當(dāng)，成對(duì)使用，軸承就會(huì)獲得高的精度和高的剛度[11]。
這里選定角接觸球軸承型號(hào)：
前軸承型號(hào)：75X115X20(2)/C46115
后軸承型號(hào)：60X95X18(2)/D36112
其典型結(jié)構(gòu)如圖4-1所示：
圖4-1 角接觸球軸承的安裝方式
圖中（a）為單個(gè)角接觸球軸承，并不能承受太大的載荷。如果要增加承載能力，就得成對(duì)使用。圖中（b）為背對(duì)背式，其雙向載荷承載能力都不錯(cuò)，還能使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)得很平穩(wěn)。圖中（C）為面對(duì)面式，其雙向載荷承載能力也都不錯(cuò)，還能提高主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度。圖中（d）為串聯(lián)式，其主要用于承載大軸向載荷的場(chǎng)合。圖中（e）為背對(duì)背串聯(lián)式，它兼容了串聯(lián)式和背對(duì)背式的優(yōu)點(diǎn)，它的剛性及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性都很高，在各種機(jī)床上都得到廣泛的應(yīng)用。不過(guò)，在這次主軸箱設(shè)計(jì)中選擇兩對(duì)背對(duì)背式的角接觸球軸承。
圖4-2 單列背對(duì)背角接觸球軸承
4.1.3 主軸軸承壽命的計(jì)算
銑削速度：
（4-1）
，銑刀直徑d=125mm，銑削寬度=13mm，銑削深度=13mm，，
轉(zhuǎn)速：
（4-2）
每分鐘進(jìn)給量：
（4-3）
每齒進(jìn)給量：
（4-4）
實(shí)際切削速度v=0.43m/s
主切削力：
（4-5）
功率：
（4-6）
因?yàn)橹麟姍C(jī)功率為3.7kw，
所以
（4-7）
因?yàn)閇14]，所以軸承A壓緊，軸承B放松
前軸承壽命：
c=49.5KN (4-8)
后軸承壽命：
c=38.2KN (4-9)
4.2軸承的潤(rùn)滑及密封
4.2.1 主軸滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑
（1）潤(rùn)滑的目的?
說(shuō)到軸承的潤(rùn)滑，其目的很顯然就是減少磨損減少發(fā)熱，提高軸承的使用壽命和精度：?
1）減少磨損以及減少發(fā)熱?
在回轉(zhuǎn)過(guò)程中如果沒(méi)有潤(rùn)滑，軸承內(nèi)部的摩擦就會(huì)非常嚴(yán)重，磨損也就嚴(yán)重，也就會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，這樣會(huì)燒熔保持架，導(dǎo)致軸承的損壞。?
2）延長(zhǎng)使用壽命?
在回轉(zhuǎn)過(guò)程中如果潤(rùn)滑不好，軸承內(nèi)部的摩擦就會(huì)非常嚴(yán)重，磨損也就越嚴(yán)重，使用壽命就越短，反之，使用壽命就越長(zhǎng)。
（2）對(duì)潤(rùn)滑劑的基本要求??
潤(rùn)滑劑中帶有潤(rùn)滑二字，那么潤(rùn)滑就是它的第一大要求，原因是潤(rùn)滑得當(dāng)?shù)妮S承能平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)及減少摩擦熱，軸承潤(rùn)滑劑一般不采用水基潤(rùn)滑劑，這樣做的原因是為了防止軸承銹蝕，銹蝕了的軸承，運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，并且容易損壞。潤(rùn)滑劑還要能長(zhǎng)時(shí)間保持其有效性和潤(rùn)滑性，防止其失效導(dǎo)致軸承磨損或者損壞。就算在極限轉(zhuǎn)速下還要保持其油膜的有效性?？偨Y(jié)上述就是潤(rùn)滑劑要具備潤(rùn)滑、防銹和有效性。
（3）潤(rùn)滑方式
軸承的潤(rùn)滑方式有三種，主要有脂潤(rùn)滑，油潤(rùn)滑以及固體潤(rùn)滑。
1）脂潤(rùn)滑的特點(diǎn)在于脂狀潤(rùn)滑脂不宜流失，可適用于重載場(chǎng)合但不能適用于高速場(chǎng)合，由于在高速場(chǎng)合下，脂狀潤(rùn)滑會(huì)造成的摩擦熱會(huì)比較大，散熱也較差。脂潤(rùn)滑劑在添加的時(shí)候還需要拆卸部件才能進(jìn)行添加。
2） 油潤(rùn)滑的特點(diǎn)在于油潤(rùn)滑適用于高速場(chǎng)合，在它缺少潤(rùn)滑的時(shí)候可以直接加入潤(rùn)滑油，這就是比脂潤(rùn)滑好的地方。不過(guò)潤(rùn)滑油易流失，需要經(jīng)常添加，在機(jī)床系統(tǒng)中就需要使用加油裝置了，不過(guò)油潤(rùn)滑的優(yōu)越性還是非常大的。
3）固體潤(rùn)滑?
固態(tài)潤(rùn)滑劑一般不采用，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱性差，摩擦損失也大，軸承易磨損，所以一般只在低速重載場(chǎng)合使用。
綜合上面的特點(diǎn)，本次主軸箱設(shè)計(jì)選用的是油潤(rùn)滑。
4.2.2 主軸部件的密封
為了防止各種雜質(zhì)進(jìn)入主軸箱內(nèi)，這些雜質(zhì)會(huì)影響主軸的運(yùn)行，所以主軸箱需要進(jìn)行密封。
對(duì)密封裝置的要求有以下三點(diǎn)：
（1） 密封裝置所必須的就是密封性能要好。
（2） 因?yàn)槊芊庋b置作用是抵擋外界物質(zhì)入侵，所以它必須具備高的耐腐蝕性，摩擦損失也要小。
（3）適當(dāng)緊湊的密封還能提高主軸的剛度，在結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)還要方便更換。
本次設(shè)計(jì)采用的是非接觸式密封。
4.3軸承的預(yù)緊
4.3.1軸承預(yù)緊的意義
為啥要進(jìn)行軸承的預(yù)緊？主要原因在于可以減少甚至是消除軸承的游隙，這樣做的話會(huì)造成軸承產(chǎn)生一定變形，不過(guò)這種變形卻是良性的，這種變形也被稱為預(yù)變形。
這種預(yù)緊力產(chǎn)生的變形，軸承內(nèi)部隨之變形，滾動(dòng)體和內(nèi)外圈處接觸面得以增大，承載能力也就相應(yīng)變大，軸承的剛性也得以增大，其優(yōu)點(diǎn)還是非常之多的。
4.3.2軸承預(yù)緊方式
（1） 定位預(yù)緊：這種預(yù)緊方式使內(nèi)外圈產(chǎn)生相對(duì)固定，一般是用預(yù)緊力同時(shí)向軸承的內(nèi)外圈施加軸向力造成的。
（2） 定壓預(yù)緊：這種方式采用一般采用彈性元件進(jìn)行軸向的壓緊造成的。
（3） 調(diào)壓預(yù)緊：這種方式利用可控制的液壓力產(chǎn)生的軸向力造成。
本次設(shè)計(jì)采用的是定位預(yù)緊，通過(guò)調(diào)整軸承的內(nèi)圈實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。
4.3.3軸承預(yù)緊力方式、大小的選擇原則
（1）承受載荷小，無(wú)特殊要求的滾動(dòng)軸承通常是不用進(jìn)行預(yù)緊的。
（2）一般根據(jù)軸承所要安裝的機(jī)器情況而定。
（3）在預(yù)緊方式中，定位預(yù)緊方式用得比較多，通常情況下都是采用這種。
（4）軸承的種類不同也會(huì)造成預(yù)緊方式的不同和預(yù)緊力的大小。
（5）定壓預(yù)緊一般用于輕載場(chǎng)合。
（6）調(diào)壓預(yù)緊一般用于重載場(chǎng)合。
（7）對(duì)于高溫或者低溫的場(chǎng)合要采用定壓預(yù)緊，因?yàn)槎▔侯A(yù)緊施加的預(yù)緊力較小，不會(huì)因?yàn)楦邷氐臒崦涀饔卯a(chǎn)生卡死現(xiàn)象。
4.3.4軸承預(yù)緊力大小的確定
軸承的預(yù)緊力大小可以影響主軸剛度，預(yù)緊力會(huì)造成軸承的變形，雖然這樣會(huì)提高主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和剛度，但在預(yù)緊力過(guò)大的時(shí)候，卻會(huì)加速軸承的磨損從而降低了軸承的壽命，在高速時(shí)導(dǎo)致的后果更加大，會(huì)造成主軸箱的溫度升高，甚至造成主軸的變形。因此在對(duì)在主軸箱的設(shè)計(jì)工作中也要合理的進(jìn)行預(yù)緊設(shè)計(jì)。
預(yù)緊就是通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)方向的軸向力來(lái)消除軸承中的間隙。經(jīng)過(guò)預(yù)緊的軸承在工作時(shí)所受到的變形一定比沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)緊的軸承變形要小的多，提高軸承的剛度，使得經(jīng)過(guò)預(yù)緊的軸承在受到載荷作用時(shí)，其內(nèi)外圈的相對(duì)位移量一定比沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)緊的軸承要小得多。
軸承的剛度受到預(yù)緊力大小的影響，預(yù)緊力太大的話，可能會(huì)導(dǎo)致軸承本身的損壞，軸承預(yù)緊力過(guò)小的話，又起不到預(yù)緊的作用。這就需要有大量經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行預(yù)緊。軸承失效的形式也有很多種，溫升過(guò)高也就是溫度過(guò)高，導(dǎo)致軸承內(nèi)部磨損加快甚至是燒結(jié)，是軸承損壞的重要原因。因此控制溫度升高也就成為設(shè)計(jì)人員需要考慮的重要因素了。
控制溫升的主要方法有下面兩種:?
1.軸承要合理的安裝和配合在軸承座內(nèi)；?
2.要合理的選擇潤(rùn)滑劑，一般選用油潤(rùn)滑。
下圖是對(duì)主軸在不同載荷下選取最佳預(yù)緊力的介紹：
圖4-3 不同載荷下主軸最佳預(yù)緊力的選取路線
角接觸球軸承的徑向剛度Kr可按下式計(jì)算：
(4-10)
式中：Km為材料系數(shù)，取1.3；Z為滾動(dòng)體數(shù)，取16；為滾動(dòng)體直徑，取13；為接觸角，取15度；
圖4-4 軸承剛度隨預(yù)緊力的變化曲線
軸承預(yù)緊力的越大，軸承的剛度就會(huì)越大，主軸的加工精度以及效率大幅度的提升。
軸承發(fā)熱是由滾滾珠與滾道之間的摩擦而產(chǎn)生的。接觸產(chǎn)生熱量與摩擦力矩及旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)；摩擦力矩M、熱量H，生熱率q，軸承發(fā)熱量隨預(yù)緊力的變化關(guān)系：
（4-11）
式中:?為軸承平均直徑，v為潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)黏度，為軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)速度。為取決于軸承設(shè)計(jì)載荷的因數(shù)。為軸承的當(dāng)量靜載荷，為軸承額定靜載荷，為軸承摩擦力矩的計(jì)算載荷。
圖4-5 軸承最大溫度隨熱流量變化曲線
熱流量越大，軸承溫度越高，在軸承運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，我們需要確定一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，以此來(lái)確定軸承的最佳預(yù)緊力[10]。
圖4-6 預(yù)緊力固定情況下轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫度的影響曲線
主軸的轉(zhuǎn)速越高，軸承的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之變得越高，摩擦產(chǎn)生的熱量也就越來(lái)越高，這樣也就會(huì)造成主軸箱溫度的升高，隨著溫升的提高，預(yù)緊力和轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫度的影響曲線也越來(lái)越靠近。
圖4-7 轉(zhuǎn)速固定的情況下預(yù)緊力對(duì)軸承生熱的影響曲線
轉(zhuǎn)速越高，軸承溫度越高，軸承內(nèi)滾道在整個(gè)軸承中溫度是最高的。
圖4-8 預(yù)緊力F=300N的情況下軸承溫度隨轉(zhuǎn)速的變化
從圖中可以看出：軸承轉(zhuǎn)速對(duì)于軸承的溫度影響是最大的。
圖4-9 轉(zhuǎn)速在1000n/min時(shí)，軸承溫度隨預(yù)緊力的變化
圖4-10 軸承最大溫度隨熱流量變化趨勢(shì)圖
由以上分析結(jié)果可以得出：軸承的最佳預(yù)緊力在2400N，此時(shí)主軸的剛度最大，溫升處于零界點(diǎn)。
第五章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
5.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的目的與意義
成本是一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員所要考慮的重要因素。因?yàn)橛?jì)算成本的背后是可以估算出產(chǎn)品的效益的，所以技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析就變得相當(dāng)重要，當(dāng)然并不是成本越低越好，還要在性能上滿足要求，因此要在滿足性能要求的前提下盡可能的降低成本，這就是技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的目的和意義。
5.2成本材料分析
5.2.1 非標(biāo)準(zhǔn)件的成本材料分析
表 5-1 非標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)計(jì)
序號(hào)
名稱
材料
數(shù)量
凈重（Kg）
1
隔圈
45
1
0.933
2
軸
20CrMnTi
1
2.181
3
套
45
4
0.181
4
塊
45
1
0.513
5
壓板
45
2
10.53
6
剎鐵
45
1
8.152
7
電機(jī)安裝板
45
1
53.81
8
導(dǎo)軌
40Cr
1
43.54
目前，45鋼的價(jià)格為3400元/噸，20CrMnTi的價(jià)格為4800元/噸,40Cr的價(jià)格是5800元/噸。45鋼總凈重：G=85.252Kg，20CrMnTi總凈重：G=2.181Kg,40Cr總凈重：G=43.54Kg,非標(biāo)準(zhǔn)件購(gòu)費(fèi)：552.56元。
5.2.2 標(biāo)準(zhǔn)件的成本材料分析
表 5-2標(biāo)準(zhǔn)件外購(gòu)費(fèi)用統(tǒng)計(jì)
序號(hào)
名稱
規(guī)格
數(shù)量
單價(jià)（元/件）
1
螺釘
M6X20
M8X20
M10*30
M12X50
8
1
5
4
0.01
0.01
0.01
0.01
2
雙頭螺釘
M12*12
1
0.1
3
圓柱銷
M6X16
1
0.5
4
螺母
M3
M10
2
2
1
1
5
鎖緊螺母
M6
2
1
標(biāo)準(zhǔn)件的外購(gòu)件費(fèi)用為6.78元。
5.3成本計(jì)算依據(jù)
按照零件的總量，求出所需的加工費(fèi)用，就可以求得本課題設(shè)計(jì)的總成本。依據(jù)計(jì)算公式：
零件成本=材料費(fèi)用+加工工時(shí)費(fèi)用
材料費(fèi)用=材料的單價(jià)×材料的毛坯重量
毛坯重量=凈重/材料的使用率
材料的使用率：,45鋼為0.6~0.7；工時(shí)費(fèi)：主要件=材料費(fèi)×8；一般件=材料費(fèi)×（4~5）
（1）材料費(fèi)的計(jì)算
由計(jì)算公式可得：
45鋼毛坯重量=85.252/0.65=131.16Kg
20CrMnTi毛坯重量=2.181/0.65=3.36Kg
40Cr毛坯重量=43.54/0.65=66.98Kg
（2）工時(shí)費(fèi)的計(jì)算
主要的零件：主要的工時(shí)費(fèi)用=552.56×8=4420.48元
一般的零件：一般的工時(shí)費(fèi)用=6.28×4.5=28.26元
（3）熱處理工時(shí)的費(fèi)用
表 5-3 熱處理零件統(tǒng)計(jì)
序號(hào)
名稱
材料
熱處理要求
凈重（Kg）
1
隔圈
45
表面鍍鋅
0.93
2
塊
45
發(fā)藍(lán)
3.72
3
套
45
表面鍍鋅
3.3
4
主軸
20CrMnTi
滲碳淬火
2.55
5
套
45
發(fā)藍(lán)
0.03
表 5-4 目前熱處理的價(jià)格
序號(hào)
名稱
單價(jià)（元/Kg）
1
鍍鋅
1.1
2
發(fā)藍(lán)
1
3
淬火
1.5
因此熱處理加工費(fèi)用為12.23元。
5.4.成本經(jīng)濟(jì)計(jì)算
課題總的成本=材料費(fèi)用+工時(shí)費(fèi)用+熱處理的費(fèi)用+外購(gòu)件的費(fèi)用
=552.56+6.28+4420.48+28.26+12.23
=5019.81元
在以上的成本計(jì)算過(guò)程中，考慮到了材料種類