組合機床及其主軸箱設計

組合機床及其主軸箱設計,組合,機床,及其,主軸,設計 摘 要 組合機床，是由大量的通用部件和少量專用部件組成的工序集中的高效率機床。其特點有：結構緊湊、工作質量可靠、設計和制造周期短、投資少、經濟效果好、生產率高等。 本次設計的題目是銑削組合機床及主軸組件。首先針對所要加工的零件入手，對機床進行總體方案設計，進而確定機床的總體布局，隨后，對主軸組件進行設計。在設計主軸組件時，以主軸為線索，在滿足剛度、精度等要求下，完成其它（如軸承、軸向調節(jié)機構、鎖緊機構等）所有零件的設計。 設計機械加工工藝規(guī)程遵循如下原則： 1） 保證零件圖樣上所有技術要求的實現。 2） 必須能滿足生產綱領的要求。 3） 在滿足技術要求和生產綱領要求的前提下，要求工藝成本最低，低耗節(jié)能。 4） 盡量減輕工人的勞動強度，保障生產安全。維護環(huán)境衛(wèi)生。 本產品是按用戶要求而設計的，用戶討論合格后，投入生產，希望指導、鑒定。 關鍵詞：組合機床，主軸組件，主軸，軸承，軸向調節(jié)機構 Abstract Modular Machine, by the large number of common parts and a small number of specialized components of the process focused efficient machine. Its features include compact, reliable quality, design and manufacturing cycle shorter, less investment and economic effects, and higher productivity. The design is the subject of combined milling machine spindle components. First of all, for the processing of parts to start with a general program of machine design, machine tool and then determine the overall layout, then the design of the main components. Components in the design of the spindle to spindle for clues, to meet the stiffness and precision required to complete the other (such as bearings, axial adjustment agencies, locking, etc.) the design of all parts. Design mechanical processing order to follow the following principles 1) To ensure that all parts drawings on the realization of the technical requirements. 2) Program must be able to meet production requirements. 3) To meet the technical requirements and requirements of the production program, under the premise of the minimum requirements of cost, low energy. 4) Minimize the labor intensity of workers, protection of production safety. This product is based on user requirements and design, the user discussion after passing the production, hope the guide, identified. Keywords: Modular Machine, spindle components, spindle, bearings, axial adjustment 目 錄 緒論 1 第1章 機床總體設計 1 1.1 機床總體方案設計的依據 1 1.2工藝分析 1 1.3機床主要技術參數的確定 3 1.4進給驅動電動機功率的確定 5 第2章 主軸組件要求與設計計算 6 2.1主軸的基本要求 6 2.2主軸組件的布局 9 2.3主軸結構的初步擬定 12 2.4主軸的材料與熱處理 13 2.5主軸的技術要求 13 2.6主軸直徑的選擇 14 2.7主軸前后支承軸承的選擇 15 2.8主軸內孔直徑 16 2.9主軸前端懸伸量 17 2.10主軸支承跨距 18 2.11主軸結構圖 18 2.12主軸組件的驗算 18 第3章 主軸組件相關部件 23 3.1主軸軸承的潤滑 21 3.2主軸組件的密封 21 3.3軸肩擋圈 23 3.4擋圈 23 3.5圓螺母 23 3.6套筒 24 3.7前、后支承的軸承蓋 25 3.8主軸用套筒及其鎖緊部分 26 3.9主軸尾部的內花鍵 27 3.10主軸組件軸向調節(jié)機構 28 3.11箱體設計 30 第4章 結論 31 參考文獻 32 致謝 33 1 緒 論 機械制造業(yè)在國民經濟中占有重要的地位，是國民經濟各部門賴以發(fā)展的基礎，是國民經濟的重要支柱，是生產力的重要組成部分。機械制造業(yè)不僅為工業(yè)、農業(yè)、交通運輸業(yè)、科研和國防等部門提供各種生產設備、儀器儀表和工具，而且為制造業(yè)包括機械制造業(yè)本身提供機械制造裝備。機械制造業(yè)的生產能力和制造水平標志著一個國家或地區(qū)的科學技術水平、經濟實力。 機械制造業(yè)的生產能力和制造水平，主要取決于機械制造裝備的先進程度。機械制造裝備的核心是金屬切削機床，精密零件的加工，主要依賴切削加工來達到所需要的精度。金屬切削機床所擔負的工作量約占機器制造總工作量的40%～60%，金屬切削機床的技術水平直接影響到機械制造業(yè)的產品質量和勞動生產率。換言之，一個國家的機床工業(yè)水平在很大程度上代表著這個國家的工業(yè)生產能力和科學技術水平。顯然，金屬切削機床在國民經濟現代化建設中起著不可替代的作用。 縱觀幾十年來的歷史，機械制造業(yè)從早期降低成本的競爭，經過20世紀70年代、80年代發(fā)展到20世紀90年代乃至21世紀初的新的產品的競爭。目前，我國已加入世界貿易組織，經濟全球化時代已經到來，我國機械制造業(yè)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，也面臨著新的形勢：知識——技術——產品的更新周期越來越短，產品的批量越來越小，產品的性能和質量的要求越來越高，環(huán)境保護意識和綠色制造的呼聲越來越強，因而以敏捷制造為代表的先進制造技術將是制造業(yè)快速響應市場需要、不斷推出新產品、贏得競爭、求得生存和發(fā)展的主要手段。 金屬切削機床中的組合機床，是根據工件加工需要，以大量通用部件為基礎，配以少量專用部件組成的一種高效專用機床。它具有：生產率高；加工精度穩(wěn)定；研制周期短，便于設計、制造和使用維護，成本低；配置靈活等。正是由于這些特點的存在，決定了組合機床在當今新形勢下仍能被廣泛應用于汽車、拖拉機、柴油機、電機、儀器儀表、軍工及自行車等輕工行業(yè)和機床、機車、工程機械等制造業(yè)中。 1.1組合機床加工方式 組合機床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方式，生產效率比通用機床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經標準化和系列化，可根據需要靈活配置，能縮短設計和制造周期。因此，組合機床兼有低成本和高效率的優(yōu)點，在大批、大量生產中得到廣泛應用，并可用以組成自動生產線。 組合機床一般用于加工箱體類或特殊形狀的零件。加工時，工件一般不旋轉，由刀具的旋轉運動和刀具與工件的相對進給運動，來實現鉆孔、擴孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、銑削平面、切削內外螺紋以及加工外圓和端面等。有的組合機床采用車削頭夾持工件使之旋轉，由刀具作進給運動，也可實現某些回轉體類零件(如飛輪、汽車后橋半軸等)的外圓和端面加工。 1.2組合機床的發(fā)展史 二十世紀70年代以來，隨著可轉位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動檢測和刀具自動補償技術的發(fā)展，組合機床的加工精度也有所提高。銑削平面的平面度可達0.05毫米／1000毫米，表面粗糙度可低達2.5～0.63微米；鏜孔精度可達IT7～6級，孔距精度可達O.03～O.02微米。 專用機床是隨著汽車工業(yè)的興起而發(fā)展起來的。在專用機床中某些部件因重復使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產生了組合機床。 最早的組合機床是1911年在美國制成的，用于加工汽車零件。初期，各機床制造廠都有各自的通用部件標準。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶使用和維修，1953年美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機床制造廠協商，確定了組合機床通用部件標準化的原則，即嚴格規(guī)定各部件間的聯系尺寸，但對部件結構未作規(guī)定。 1.3組合機床部件分類 通用部件按功能可分為動力部件、支承部件、輸送部件、控制部件和輔助部件五類。動力部件是為組合機床提供主運動和進給運動的部件。主要有動力箱、切削頭和動力滑臺。 支承部件是用以安裝動力滑臺、帶有進給機構的切削頭或夾具等的部件，有側底座、中間底座、支架、可調支架、立柱和立柱底座等。 輸送部件是用以輸送工件或主軸箱至加工工位的部件，主要有分度回轉工作臺、環(huán)形分度回轉工作臺、分度鼓輪和往復移動工作臺等。 控制部件是用以控制機床的自動工作循環(huán)的部件，有液壓站、電氣柜和操縱臺等。輔助部件有潤滑裝置、冷卻裝置和排屑裝置等。 1.4組合機床的發(fā)展 為了使組合機床能在中小批量生產中得到應用，往往需要應用成組技術，把結構和工藝相似的零件集中在一臺組合機床上加工，以提高機床的利用率。這類機床常見的有兩種，可換主軸箱式組合機床和轉塔式組合機床。 組合機床未來的發(fā)展將更多的采用調速電動機和滾珠絲杠等傳動，以簡化結構、縮短生產節(jié)拍；采用數字控制系統和主軸箱、夾具自動更換系統，以提高工藝可調性；以及納入柔性制造系統等。 1.5組合機床在生產中的應用 組合機床是以通用部件為基礎，配以按工件特定外形和加工工藝設計的專用部件和夾具，組成的半自動或自動專用機床。它一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方式，生產效率比通用機床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經標準化和系列化，可根據需要靈活配置，能縮短設計和制造周期。因此，組合機床兼有低成本和高效率的優(yōu)點，在大批、大量生產中得到廣泛應用，并可用以組成自動生產線。 組合機床一般用于加工箱體類或非凡外形的零件。加工時，工件一般不旋轉，由刀具的旋轉運動和刀具與工件的相對進給運動，來實現鉆孔、擴孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、銑削平面、切削內外螺紋以及加工外圓和端面等。有的組合機床采用車削頭夾持工件使之旋轉，由刀具作進給運動，也可實現某些回轉體類零件(如飛輪、汽車后橋半軸等)的外圓和端面加工。 專用機床是隨著汽車工業(yè)的興起而發(fā)展起來的。在專用機床中某些部件因重復使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產生了組合機床。 最早的組合機床是1911年在美國制成的，用于加工汽車零件。初期，各機床制造廠都有各自的通用部件標準。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶使用和維修，1953年美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機床制造廠協商，確定了組合機床通用部件標準化的原則，即嚴格規(guī)定各部件間的聯系尺寸，但對部件結構未作規(guī)定。 通用部件按功能可分為動力部件、支承部件、輸送部件、控制部件和輔助部件五類。動力部件是為組合機床提供主運動和進給運動的部件。主要有動力箱、切削頭和動力滑臺。 為了使組合機床能在中小批量生產中得到應用，往往需要應用成組技術，把結構和工藝相似的零件集中在一臺組合機床上加工，以提高機床的利用率。這類機床常見的有兩種，可換主軸箱式組合機床和轉塔式組合機床。 組合機床未來的發(fā)展將更多的采用調速電動機和滾珠絲杠等傳動，以簡化結構、縮短生產節(jié)拍；采用數字控制系統和主軸箱、夾具自動更換系統，以提高工藝可調性；以及納入柔性制造系統等。 此次設計的是銑削組合機床及主軸組件。首先，對機床進行總體設計，確定總體方案后得到機床總體布局圖；再著重進行主軸組件的設計，其中包括主軸的設計、支承的選取、主軸軸向移動機構和主軸鎖緊機構等的設計。 由于能力所限，設計尚有許多不足之處，懇請各位老師給予指導。 2 機床總體設計 設計機床的第一步，是確定總體方案。總體方案是機床部件和零件的設計依據，對整個設計的影響較大。因此，在擬定總體方案的過程中，必須全面地、周密地考慮，使所定方案技術先進、經濟合理。 1.1機床總體方案設計的依據 1.1.1 工件 工件是機床總體方案設計的重要依據之一，設計者必須明確工件的特點和加工要求。本次畢業(yè)設計要求設計一臺組合機床，用于加工VF-6/7型空壓機減荷閥體的兩側面，工件材料為HT200，硬度為190～210HB,生產批量為大批量，鑄造毛坯。加工部位的加工要求如下： (1)被加工表面的粗糙度均為R10； (2)被加工表面的相互位置精度為： 平面1～2之間的距離為225mm； 平面1～2與φ95中心線的垂直度要求為0.03mm。 1.1.2刀具 圖1-1 減荷閥體簡圖 硬質合金端銑刀，刀齒材料為YG6，銑刀盤直徑為φ75～110，刀具齒數Z=4。 1.2工藝分析 1.2.1 工藝方法的確定 機床的工藝方法是多種多樣的，工藝方法對機床的結構和性能的影響很大，工藝方法的改變常導致機床的運動、傳動、布局、結構、性能以及經濟效果等方面的一系列變化。 對于VF-6/7型空壓機減荷閥體，用車床進行車削加工時，由于減荷閥體外形復雜，且為殼類零件，不宜裝夾在車床主軸上進行加工，裝夾穩(wěn)定性也不高；用刨床進行刨削加工時，機床需要兩個運動，機床和刀具結構簡單，裝夾在工件臺上快速，穩(wěn)固，但生產率低，加工精度也達不到工件要求；用端銑刀進行銑削加工時，生產率不僅提高了，也能滿足工件所要求的加工精度，且裝夾快速，方便。因此，當生產量很大時，用組合機床進行加工更合理。 1.2.2 機床總體布局 機床的總體布局指確定機床的組成部件之間的相對位置及相對運動關系。 根據減荷閥體的加工要求，機床總體布局圖如圖1-1所示： 圖1-2 機床總體布局圖 1.機座 2.動力滑臺 3.工件 4.端銑刀 5.電動機 6.變速箱 7.主軸箱 減荷閥體安裝在工作臺上，銑削動力頭帶動銑刀作旋轉主運動，工作臺作縱向進給運動，完成對工件的切削加工。此方案的優(yōu)點是各部件均是針對減荷閥體設計的，因此，結構緊湊，剛性好，生產率高，加工質量穩(wěn)定。 1.2.3 機床運動的確定 確定機床運動，指確定機床運動的數目，運動類型以及運動的執(zhí)行件。 本次畢業(yè)設計的組合機床的工藝方法是，用一把端銑刀直接進行加工。相應的表面成形運動為：單主軸的回轉運動，工作臺縱向進給運動；輔助運動為：主軸軸向調整運動。 1.3機床主要技術參數的確定 機床主要技術參數包括主參數和基本參數，基本參數又包括尺寸參數，運動參數，動力參數。 1.3.1 確定工件余量 VF-6/7型空壓機減荷閥體，零件材料為HT200，硬度190—210HB，生產類型為大批量，鑄造毛坯。 查《機械制造工藝設計簡明手冊》表2.2～2.5,取加工余量為2.5mm(此為雙邊加工)。 1.3.2 選擇切削用量 由于被加工零件的銑削寬度為175mm,需進行二次走刀，故一次走刀為90mm(寬度)，二次走刀為175-90=85mm，即：a=90mm。 根據《組合機床設計簡明手冊》第132～133頁，選擇銑削切削用量。 根據本次設計所加工的零件要求，其表面粗糙度數值較高，加工材料為鑄鐵，查表6-16得： a=0.2～0.4mm/z,V=50～80m/min,取a=0.2mm/z。 1.3.3 運動參數 機床的運動參數包括主運動轉速和轉速范圍、進給量范圍、進給量數列以及空行程速度等。此次設計主要確定主運動的運動參數。 （1）主軸最高，最低轉速 按照典型工序的切削速度和刀具(或工件)直徑、計算主軸最高轉速n、最低轉速n。計算公式如下： n= ， n= 式中：n、n—主軸最高、最低轉速(r/min) V、V—最高、最低切削速度(m/min) d、d—最大、最小計算直徑(mm) 根據《機械制造工藝金屬切削機床設計指導》第69～70頁，查表2.2-3 取最大，最小切削速度： V=200～300m/min， 取V=250m/min V=15～20m/min, 取V=20m/min 銑床的d、d可取使用的刀具最大、最小直徑，即： d=110mm, d=75mm 則主軸最高轉速為 n== =1061.6r/min 取標準數列值： n=1000r/min 最低轉速為： n== =57.9r/min 取標準數列值： n=56r/min （2）主軸轉速的合理排列 最高、最低轉速確定后，還需確定中間轉速，選擇公比Φ，轉速級數Z，則轉速數列為： n= n=56r/min, n= nΦ, n= nΦ, n= nΦ 查標準數列，取公比Φ=1.78 (1＜Φ≤2) 轉速范圍： R===17.8 轉速級數： Z=+1=5.99 取Z=6 由于本次設計的要求，主軸轉速級數只需設計四級就能滿足要求，故取Z=4。即： n=56， n=100, n=180, n=315 (r/min) 1.3.4動力參數—主運動驅動電動機功率的確定 （1）切削力的計算 由前面已知，本次設計的組合機床的最高轉速為n=315r/min，則此時的切削速度為： V===108.8m/min<200m/min 由此可見，切削速度滿足要求。 計算銑削工件時的切削力 F=9.18×54.5a×a×a×Z×d 式中：a—銑削寬度，a=90mm a—銑削深度，由于是一次銑削就能達到設計尺寸，則銑削深度為工件加工余量即a=2.5mm。 a—每齒進給量，a=0.2mm/r Z—轉數級數，取Z=4 則銑削力的大小為： F=9.18×54.5×90×0.2×2.5×4×110=1213.1N （2）切削功率的計算 根據《機械制造工藝金屬機床設計指導》第72頁，可得切削功率公式為： P===2.2KW （3）估算電動機功率 根據《機械制造工藝金屬機床設計指導》第72頁，有 P===3.14KW 式中：η—主傳動系統的機械效率，回轉運動的機床η=0.7～0.85。 （4）選擇主電機 查《機械設計課程設計手冊》第155頁表12-1，選Y112-4電機，主要參數有： 額定功率P=4KW，滿載轉速 n=1440r/min，同步轉速n=1500r/min，級數P=4，質量m=43kg。 1.4進給驅動電動機功率的確定 查《金屬切削機床設計》第41頁，可知：進給驅動電動機功率取決于進給的有效功率和傳動件的機械效率，即： N= 式中： N—進給驅動電動機功率(KW) Q —進給抗力(N) V—進給速度(m/min) η—進給傳動系統的總機械效率(一般取0.15～0.2) 粗略計算時，可根據進給傳動與主傳動所需功率之比值來估算進給驅動電機功率。 對于銑床： N=0.2×N=0.2×4=0.8KW 查《機械設計課程設計手冊》第155頁表12-1，選Y90S-4電機，主要參數有： 額定功率P=1.1KW，滿載轉速n=1440r/min，同步轉速n=1500r/min，級數P=4，質量m=22kg。 2 主軸組件要求與設計計算 主軸組件是機床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉，完成表面成形運動，同時還起傳遞運動和扭矩、承受切削力和驅動力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到機床的加工質量和生產率，因此它是機床中的一個關鍵組件。 主軸和一般傳動軸的相同點是，兩者都傳遞運動、扭矩并承受傳動力，都要保證傳動件和支承的正常工件條件，但主軸直接承受切削力，還要帶動工件或刀具，實現表面成形運動，因此對主軸有較高的要求。 2.1主軸的基本要求 2.1.1 旋轉精度 主軸的旋轉精度是指主軸在手動或低速、空載時，主軸前端定位面的徑向跳動△r、端面跳動△a和軸向竄動值△o。如圖2-1所示：圖中實線表示理想的旋轉軸線，虛線表示實際的旋轉軸線。當主軸以工作轉速旋轉時，主軸回轉軸線在空間的漂移量即為運動精度。 主軸組件的旋轉精度取決于部件中各主要件（如主軸、軸承及支承座孔等）的制造精度和裝配、調整精度；運動精度還取決于主軸的轉速、軸承的性能和潤滑以及主軸部件的動態(tài)特性。各類通用機床主軸部件的旋轉精度已在機床精度標準中作了規(guī)定，專用機床主軸部件的旋轉精度則根據工件精度要求確定。 2.1.2 剛度 主軸組件的剛度K是指其在承受外載荷時抵抗變形的能力，如圖2-2所示，即K=F/y（單位為N/m），剛度的倒數y/F稱為柔度。主軸組件的剛度，是主軸、軸承和支承座的剛度的綜合反映，它直接影響主軸組件的旋轉精度。顯然，主軸組件的剛度越高，主 圖2-1 主軸的旋轉誤差 軸受力后的變形就越小，如若剛度不足，在加工精度方面，主軸前端彈性變形直接影響著工件的精度；在傳動質量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動齒輪的嚙合狀況，并使軸承產生側邊壓力，從而使這些零件的磨損加劇，壽命縮短；在工件平穩(wěn)性方面，將使主軸在變化的切削力和傳動力等作用下，產生過大的受迫振動，并容易引起切削自激振動，降低了工件的平穩(wěn)性。 圖2-2 主軸組件靜剛度 主軸組件的剛度是綜合剛度，影響主軸組件剛度的因素很多，主要有：主軸的結構尺寸、軸承的類型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動件的布置方式、主軸組件的制造與裝配質量等。 2.1.3 抗振性 主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)運轉的能力。在切削過程中，主軸組件不僅受靜載荷的作用，同時也受沖擊載荷和交變載荷的作用，使主軸產生振動。如果主軸組件的抗振性差，工作時容易產生振動，從而影響工件的表面質量，降低刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會產生噪聲影響工作環(huán)境。隨著機床向高精度、高效率方向發(fā)展，對抗振性要求越來越高。 評價主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動和自激振動能力的大小。 2.1.4 溫升和熱變形 主軸組件工作時因各種相對運動處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產生了溫升，溫升使主軸組件的形狀和位置發(fā)生畸變，稱為熱變形。熱變形應以主軸組件運轉一定時間后各部分位置的變化來度量。 主軸組件溫升和熱變形，使機床各部件間相對位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度機床尤為嚴重；熱變形造成主軸彎曲，使傳動齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞；熱變形還使主軸和軸承，軸承與支承座之間已調整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承正常工作，間隙過小將加速齒輪和軸承等零件的磨損，嚴重時甚至會發(fā)生軸承抱軸現象。 影響主軸組件溫升、熱變形的主要因素有：軸承的類型和布置方式，軸承間隙及預緊力的大小，潤滑方式和散熱條件等。 2.1.5 耐磨性 主軸組件的耐磨性是指長期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主軸組件各個滑動表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動軸承配合的軸頸表面，移動式主軸套筒外圓表面等，都必須具有很高的硬度，以保證其耐磨性。 為了提高主軸組件的耐磨性，應該正確地選用主軸和滑動軸承的材料及熱處理方法、潤滑方式，合理調整軸承間隙，良好的潤滑和可靠的密封。 2.2主軸組件的布局 主軸組件的設計，必須保證滿足上述的基本要求，從而從全局出發(fā)，考慮主軸組件的布局。 機床主軸有前、后兩個支承和前、中、后三個支承兩種，以前者較多見。兩支承主軸軸承的配置型式，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據對所設計主軸組件在轉速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求，并考慮軸承的供應、經濟性等具體情況，加以確定。在選擇時，具體有以下要求： （1）適應剛度和承載能力的要求 主軸軸承選型應滿足所要求的剛度和承載能力。徑向載荷較大時，可選用滾子軸承；較小時，可選用球軸承。雙列滾動軸承的徑向剛度和承載能力，比單列的大。同一支承中采用多個軸承的支承剛度和承載能力，比采用單個軸承的大。一般來說，前支承的剛度，應比后支承的大。因為前支承剛度對主軸組件剛度的影響要比后支承的大。表2-1所示為滾動軸承和滑動軸承的比較： 表2-1 滾動軸承和滑動軸承的比較 基本要求 滾動軸承 滑 動 軸 承 動壓軸承 靜壓軸承 旋轉精度 精度一般或較差?？稍跓o隙或預加載荷下工作。精度也可以很高，但制造困難 單油楔軸承一般，多油楔軸承較高 可以很高 剛 度 僅與軸承型號有關，與轉速、載荷無關，預緊后可提高一些 隨轉速和載荷升高而增大 與節(jié)流形式有關，與載荷轉速無關 承載能力 一般為恒定值，高速時受材料疲勞強度限制 隨轉速增加而增加，高速時受溫升限制 與油腔相對壓差有關，不計動壓效應時與速度無關 抗振性能 不好，阻尼系數D=0.029 較好，阻尼系數D=0.055 很好，阻尼系數D=0.4 速度性能 高速受疲勞強度和離心力限制，低中速性能較好 中高速性能較好。低速時形不成油漠，無承載能力 適應于各種轉速 摩擦功耗 一般較小，潤滑調整不當時則較大f=0.002～0.008 較小 f=0.001～0.008 本身功耗小，但有相當大的泵功耗f=0.0005～0.001 噪 聲 較大 無噪聲 本身無噪聲，泵有噪聲 壽 命 受疲勞強度限制 在不頻繁啟動時，壽命較長 本身壽命無限，但供油系統的壽命有限 （2）適應轉速要求 由于結構和制造方面的原因，不同型號和規(guī)格的軸承所允許的最高轉速是不同的。軸承的規(guī)格越大，精度等級越低，允許的最高轉速越低。在承受徑向載荷的軸承當中，圓柱滾子軸承的極限轉速，比圓錐滾子軸承的高。在承受軸向載荷的軸承當中，向心推力軸承的極限轉速最高；推力球軸承的次之；圓錐滾子軸承的最低，但承載能力與上述次序相反。因此，應綜合考慮轉速和承載能力兩方面要求來選擇軸承型式。 （3）適應精度的要求 起止推作用的軸承的布置有三種方式：前端定位—止推軸承集中布置在前支承；后端定位—集中布置在后支承；兩端定位—分別布置在前、后支承。 采用前端定位時，主軸受熱變形向后延伸，不影響軸向定位精度，但前支承結構復雜，調整軸承間隙較不便，前支承處發(fā)熱量較大；后端定位的特點與前述的相反；兩端定位時，主軸受熱伸長后，軸承軸向間隙的改變較大，若止推軸承布置在徑向軸承內側，主軸可能因熱膨脹而彎曲。 （4）適應結構的要求 當要求主軸組件在性能上有較高的剛度和一定的承載能力，而在結構上徑向尺寸要緊湊時，則可在一個支承（尤其是前支承）中配置兩個或兩個以上的軸承。 對于軸間距很小的多主軸機床，由于結構限制，宜采用滾針軸承來承受徑向載荷，用推力球軸承來承受軸向載荷，并使兩軸承錯開排列。 （5）適應經濟性要求 確定主軸軸承配置型式，除應考慮滿足性能和結構方面要求外，還應作經濟性分析，使經濟效果好。 在中速和大載荷情況下，采用圓錐滾子軸承要比采用向心軸承和推力軸承組合配置型式成本低，因為前者節(jié)省了兩個軸承，而且箱體工藝性較好。 綜合考慮以上因素，本設計的主軸采用前、后支承的兩支承主軸，前支承采用雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合，D級精度；后支承采用圓柱滾子軸承，E級精度。其中前支承的雙列圓柱滾子軸承，滾子直徑小，數量多（50—60個），具有較高的剛度；兩列滾子交錯布置，減少了剛度的變化量；外圈無擋邊，加工方便；軸承內孔為錐孔，錐度為1：12，軸向移動內圈使之徑向變形，調整徑向間隙和預緊；黃銅實體保持架，利于軸承散熱。前支承的總體特點是：主軸靜剛度好，回轉精度高，溫升小，徑向間隙可以調整，易保持主軸精度，但由于前支承結構比較復雜，前、后支承的溫升不同，熱變形較大，此外，裝配、調整比較麻煩。 2.3主軸結構的初步擬定 主軸的結構主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承和密封裝置等的類型、數目、位置和安裝定位的方法，同時還要考慮主軸加工和裝配的工藝性，一般在機床主軸上裝有較多的零件，為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設計成階梯軸，即軸徑從前軸頸起向后依次遞減。主軸是空心的或者是實心的，主要取決于機床的類型。此次設計的主軸，也設計成階梯形，同時，在滿足剛度要求的前提下，設計成空心軸，以便通過刀具拉桿。 主軸端部系指主軸前端。它的形狀決定于機床的類型、安裝夾具或刀具的形式，并應保證夾具或刀具安裝可靠、定位準確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。 查《金屬切削機床設計》第135頁中通用機床主軸端部的形狀圖，選短圓錐法蘭盤式主軸端部結構形式。其特點是：主軸端面上有四個螺孔，用來固定和傳遞扭矩給刀具。主軸是空心的，前端有錐度為7:24的錐孔，結構如下所示： 圖2-3 短圓錐法蘭盤式主軸端部結構 2.4主軸的材料與熱處理 主軸材料主要根據剛度、載荷特點、耐磨性和熱處理變形大小等因素選擇。 主軸的剛度與材料的彈性模量E值有關，鋼的E值較大（2.1×10N/cm左右），所以，主軸材料首先考慮用鋼料。鋼的彈性模量E的數值和鋼的種類和熱處理方式無關，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量E基本相同。因此在選擇鋼料時應首先選用價格便宜的中碳鋼（如45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時，或者精密機床主軸需要減少熱處理后的變形時，或者軸向移動的主軸需要保證其耐磨性時，才考慮選用合金鋼。 當主軸軸承采用滾動軸承時，軸頸可不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少45鋼主軸軸頸仍進行高頻淬火（HRC48～54）.有關45鋼主軸熱處理情況如下表2.2所列： 表2-2 使用滾動軸承的45鋼主軸熱處理等參數 工 作 條 件 使 用 機 床 材 料 牌 號 熱 處 理 硬 度 常 用 代 用 輕中負載 車、鉆、銑、磨床主軸 45 50 調質 HB220～250 輕中負載局部要求高硬度 磨床的砂輪軸 45 50 高頻淬火 HRC52～58 輕中負載PV≤400（N·m/cm·s） 車、鉆、銑、磨床的主軸 45 50 淬火回火高頻淬火 HRC42～50 HRC52～58 此次設計的機床主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選用價格便宜的中碳鋼（45鋼）。查表2-2中，因工作中承受輕、中負荷，且要求局部高硬度，故熱處理采用高頻淬火，HRC52～58。 2.5主軸的技術要求 主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉精度。主軸和軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關系到接觸剛度，零件接觸表面形狀愈準確、表面粗糙度愈低，則受力后的接觸變形愈小，亦即接觸剛度愈高。因此，對主軸設計必須提出一定的技術要求。 （1）軸頸 此次設計的主軸，應首先考慮軸頸。支承軸頸是主軸的工作基面、工藝基面和測量基面。主軸工作時，以軸頸作為工作基面進行旋轉運動；加工主軸時，為了保證錐孔中心和軸頸中心同軸，一般都以軸頸作為工藝基面來最后精磨錐孔；在檢查主軸精度時，以軸頸作為測量基面來檢查各部分的同軸度和垂直度。采用滾動軸承時，軸頸的精度必須與軸承的精度相適應。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動軸承的配合質量。 對于普通精度級機床的主軸，其支承軸頸的尺寸精度為IT5，軸頸的幾何形狀允差（圓度、圓柱度等）通常應小于直徑公差的1/4～1/2。 （2）內錐孔 內錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗機床精度時，它是代表主軸中心線的基準，用來檢查主軸與其他部件的相互位置精度，如主軸與導軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經常裝拆，故內錐孔必須耐磨。 錐孔與軸承軸頸的同軸度，一般以錐孔端部及其相距100～300毫米處對軸頸的徑向跳動表示；其形狀誤差用標準檢驗錐著色檢查的接觸面積大小來檢驗，此乃綜合指標；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。 2.6主軸直徑的選擇 主軸直徑對主軸組件剛度的影響很大，直徑越大，主軸本身的變形和軸承變形引起的主軸前端位移越小，即主軸組件的剛度越高。 但主軸前端軸頸直徑D越大，與之相配的軸承等零件的尺寸越大，要達到相同的公差則制造越困難，重量也增加。同時，加大直徑還受到軸承所允許的極限轉速的限制，甚至為機床結構所不允許。 通常，主軸前軸頸直徑D可根據傳遞功率，并參考現有同類機床的主軸軸頸尺寸確定。查《金屬切削機床設計》第157頁表5-12中，幾種常見的通用機床鋼質主軸前軸頸的直徑D，可供參考，如下表2-3所示： 已知主電機功率P=4KW，機床類型是銑床，查上表中對應項，初取D=80。 主軸后軸頸直徑D和前軸頸直徑D的關系，可根據下列經驗公式來定： D=（0.7～0.85）D 因此，有 D=（0.7～0.85）D=（0.7～0.85）×80=56～68，取D=65。 表2-3 主軸前軸頸直徑D的選擇 機床 機 床 功 率 （千瓦） 1.47～2.5 2.6～3.6 3.7～5.5 5.6～7.3 7.4～11 11～14.7 車床 60～80 70～90 70～105 95～130 110～145 140～165 銑床 50～90 60～90 60～95 75～100 90～105 100～115 外圓磨床 — 50～90 55～70 70～80 75～90 75～100 2.7主軸前后支承軸承的選擇 2.7.1 主軸前支承軸承的選擇 根據前述關于軸承的選擇原則，查《金屬切削機床設計簡明手冊》第375頁，選取主軸前支承的雙列向心短圓柱滾子軸承型號為3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D=91，D=117，D=117，r=1。具體結構參數如圖2-4所示： 圖2-4 雙列向心短圓柱滾子軸承（GB285-87）結構參數及安裝尺寸 再查《金屬切削機床設計簡明手冊》第365頁，選取主軸前支承的推力球軸軸承型號為8215。其中，d=75，d=75.2，D=110，H=27, D=86, D=99，r=1。具體結構參數如圖2.5所示： 圖2-5 推力球軸承（GB301-84）結構參數及安裝尺寸 2.7.2 主軸后支承軸承的選擇 查《金屬切削機床設計簡明手冊》第368頁，選取主軸后支承的圓柱滾子軸承型號為2213。其中：d=65，D=120，B=23，D=77，D=110，r=1.5。具體結構參數如圖2-6所示： 圖2-6 圓柱滾子軸承（GB283-87）結構參數及安裝尺寸 2.8主軸內孔直徑 該組合機床用于銑削加工，其主軸需有一通過銑刀拉桿的孔，該主軸內孔直徑應取在一定范圍內，才不致影響主軸剛度。一般，主軸內孔直徑受到主軸后軸頸的直徑所限制。 由材料力學可知，剛度K正比于截面慣性矩I，它與直徑之間有下列關系： ===1-（）=1- 根據此式可得：當<0.3時，空心與實心截面主軸的剛度很接近；當=0.5時，空心主軸的剛度為實心主軸剛度的90%，對剛度影響不大；≥0.7時，則主軸剛度急劇下降，故一般應使<0.7，即d<0.7D。 由以上分析可得： d<0.7 D=0.7×65=45.5 考慮到此組合機床主軸為銑削主軸，銑刀拉桿的直徑比較小，故可將取小些，即取=0.5，即： d<0.5 D=0.5×65=32.5 將其圓整，d最后取為30。 2.9主軸前端懸伸量 主軸前端懸伸量a指的是主軸前支承支反力的作用點到主軸前端受力作用點之間的距離，它對主軸組件剛度的影響較大。懸伸量越小，主軸組件剛度越好。 主軸前端懸伸量a取決于主軸端部的結構形狀及尺寸，一般應按標準選取，有時為了提高主軸剛度或定心精度，也可不按標準取。 另外，主軸前端懸伸量a還與前支承中軸承的類型及組合型式、工件或夾具的夾緊方式以及前支承的潤滑與密封裝置的結構尺寸等有關。 因此，在滿足結構要求的前提下，應盡可能減小懸伸量a，以利于提高主軸組件的剛度。 初算時，可查《金屬切削機床設計》第158頁，如下表2-4所示： 表2-4 主軸的懸伸量與直徑之比 類 型 機 床 和 主 軸 的 類 型 a/ D Ⅰ 通用和精密車床，自動車床和短主軸端銑床，用滾動軸承支承，適用于高精度和普通精度要求 0.6～1.5 Ⅱ 中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸量不太長（不是細長）的精密鏜床和內圓磨，用滾動和滑動軸承支承，適用于絕大部分普通生產的要求 1.25～2.5 Ⅲ 孔加工機床，專用加工細長深孔的機床，由加工技術決定需要有長的懸伸刀桿或主軸可移動，由于切削較重而不適用于有高精度要求的機床 >2.5 根據上表所列，所設計的組合機床屬于Ⅱ型，所以取a/ D為1.25～2.5，即： a=（1.25～2.5）D=（1.25～2.5）×80=100～200 初取a=120。 2.10主軸支承跨距 主軸支承跨距L是指主軸前、后支承支承反力作用點之間的距離。 合理確定主軸支承跨距，可提高主軸部件的靜剛度?？梢宰C明，支承跨距越小，主軸自身的剛度越大，彎曲變形越小，但支承的變形引起的主軸前端的位移量將增大；支承跨距大，支承的變形引起的主軸前端的位移量較小，但主軸本身的彎曲變形將增大。可見，支承跨距過大或過小都會降低主軸部件的剛度。 有關資料對合理跨距選擇的推薦值可作參考： （1） L=（4～5）D； （2） L=（3～5）a，用于懸伸長度較小時； （3） L=（1～2）a，用于懸伸長度較大時。 根據此次設計的組合機床剛性主軸的懸伸量較大，取L≤2.5a為宜。即此次設計的主軸兩支承的合理跨距 L≤2.5a=2.5×120=300 初取L=280。 2.11主軸結構圖 根據以上的分析計算，可初步得出主軸的結構如圖2-7所示： 圖2-7 主軸結構圖 2.12主軸組件的驗算 主軸在工作中的受力情況嚴重，而允許的變形則很微小，決定主軸尺寸的基本因素是所允許的變形的大小，因此主軸的計算主要是剛度的驗算，與一般軸著重于強度的情況不一樣。通常能滿足剛度要求的主軸也能滿足強度的要求。 剛度乃是載荷與彈性變形的比值。當載荷一定時，剛度與彈性變形成反比。因此，算出彈性變形量后，很容易得到靜剛度。主軸組件的彈性變形計算包括：主軸端部撓度和主軸傾角的計算。 2.12.1 支承的簡化 對于兩支承主軸，若每個支承中僅有一個單列或雙列滾動軸承，或者有兩個單列球軸承，則可將主軸組件簡化為簡支梁，如下圖2-8所示；若前支承有兩個以上滾動軸承，可認為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為固定端梁，如下圖2-9所示： 圖2-8 主軸組件簡化為簡支梁 圖2-9 主軸組件簡化為固定端梁 此次設計的主軸，前支承選用了一個雙列向心短圓柱滾子軸承和兩個推力球軸承作為支承，即可認為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為上圖2-9所示。 2.12.2主軸的撓度 查《材料力學I》第188頁的表6.1，對圖2-9作更進一步的分析，如下圖2-10所示： 根據圖2-10，可得此時的最大撓度 =- 其中， F—主軸前端受力。此處，F=F=1213.1N l—A、B之間的距離。此處，l=a=12cm 圖2-10 固定端梁在載荷作用下的變形 E—主軸材料的彈性模量。45鋼的E=2.1×10N/cm I—主軸截面的平均慣性矩。當主軸平均直徑為D，內孔直徑為d時， I=。此處，D==133 故可計算出，主軸端部的最大撓度： =-1.87×10 mm 2.12.3 主軸傾角 主軸上安裝主軸和安裝傳動齒輪處的傾角，稱為主軸的傾角。此次設計的主軸主要考慮主軸前支承處的傾角。若安裝軸承處的傾角太大，會破壞軸承的正常工作，縮短軸承的使用壽命。 根據圖2-10，可得此時的最大傾角 =- 其中， F—主軸前端受力。此處，F=F=1213.1N l—A、B之間的距離。此處，l=a=12cm E—主軸材料的彈性模量。45鋼的E=2.1×10N/cm I—主軸截面的平均慣性矩。當主軸平均直徑為D，內孔直徑為d時， I=。此處，D==133 故可計算出，主軸傾角為： =-2.3×10 rad 查《組合機床設計》第一冊中機械部分的第670頁，可知： 當 x≤0.0002L mm ≤0.001 rad 時，剛性主軸的剛度滿足要求。 此處的x，即為最大撓度和最大傾角，L為主軸支承跨距。 將已知數據和代入，即可得： 初步設計的主軸滿足剛度要求。 3 軸組件相關部件 3.1主軸軸承的潤滑 潤滑的作用是降低摩擦，減小溫升，并與密封裝置在一起，保護軸承不受外物的磨損和防止腐蝕。潤滑劑和潤滑方式決定于軸承的類型、速度和工作負荷。如果選擇得合適，可以降低軸承的工作溫度和延長使用期限。 滾動軸承可以用潤滑油或潤滑脂來潤滑。試驗證明，在速度較低時，用潤滑脂比用潤滑油溫升低。所以，此次設計的主軸支承均采用潤滑脂。同時，主軸是裝在主軸套筒內的，為防止使用潤滑油時泄漏，也應采用潤滑脂潤滑。 3.2主軸組件的密封 密封對主軸組件的工作性能與潤滑影響也較大。機床主軸密封不好，將使?jié)櫥瑒┩饬?，造成浪費，加速零件的磨損，還會嚴重地影響到工作環(huán)境及機床的外觀。 3.2.1主軸組件密封裝置的類型 主軸組件密封裝置的類型，主要有以下幾種：具有彈性元件的接觸式密封裝置；皮碗（油封）式密封裝置；具有金屬和石墨元件的接觸式密封裝置；擋油圈式和螺旋溝式密封裝置；圈形間隙式、油溝式和迷宮式密封裝置；立式主軸的密封裝置等。 3.2.2 主軸組件密封裝置的選擇 選用密封裝置時，應考慮到主軸組件的下列具體工作條件：密封處主軸頸的線速度；所用潤滑劑的種類及其物理化學性質；主軸組件的工作溫度；周圍介質的情況；主軸組件的結構特點；密封裝置的主要用途等。 綜合考慮上述因素，主軸前支承處選用迷宮式密封，徑向尺寸不超過0.3mm，中填潤滑脂，軸向尺寸不超過1.5mm。 查《機械設計課程設計手冊》第87頁表7-17，可得此次選用的迷宮式密封裝置的結構參數如下圖2-11所示： 圖2-11 迷宮式密封裝置的結構參數 其中， d=80，D=130，e=1 3.3軸肩擋圈 前支承雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承之間所用的擋圈，可查《機械設計課程設計手冊》第56頁表5-1，可得此次選用的擋圈的結構參數如下圖2-12所示： 圖2-12 軸肩擋圈的結構參數 其中， D=95，d=80，H=6 3.4 擋圈 兩推力球之間用的擋圈為非標準件，徑向尺寸依主軸套筒尺寸而定，軸向尺寸可初取為6mm。 3.5圓螺母 鎖緊靠主軸后支承一邊的推力球軸承以及鎖緊兩推力球軸承內的套筒，分別采用兩個圓螺母，為了增加可靠性，再加一止動螺釘。圓螺母具體的參數可查《機械設計課程設計手冊》第60頁表5-6，結構如下圖2-13所示： 圖2-13 圓螺母（GB812-88） 其中，鎖緊靠主軸后支承一邊的推力球軸承用的圓螺母， D×p=M80×2，d=115，d=103，m=15，h=10.36，h=10，t=4.75，t=4，C=1.5，C=1 鎖緊兩推力球軸承內的套筒用的圓螺母， D×p=M72×2，d=105，d=93，m=15，h=10.36，h=10，t=4.75，t=4，C=1.5，C=1 3.6套筒 兩推力球軸承之間用的套筒，根據以上計算，可知，軸向尺寸取為92，徑向厚度取為2.5mm，一端加工出長為26的外螺紋M80×1.5，一端用一緊定螺釘鎖緊在主軸上，套筒結構如圖2-14所示；緊定螺釘的結構參數可查《機械設計課程設計手冊》第43頁表3-17，如圖2-15所示；主軸上的小孔的結構參數可查《機械設計課程設計手冊》第61頁表5-8，如圖2-16所示： 其中，緊定螺釘的參數有： M8×1.25，l=10，d=5.5，n=1.2 , t=2 圖2-14 兩推力球軸承內用套筒結構參數 軸上固定螺釘用的孔的參數有： d=6，c=5，h≥5 圖2-15 開槽平端緊定螺釘 圖2-16 軸上固定螺釘用的孔 3.7前、后支承的軸承蓋 為了保證軸承的正常運轉，防止外界雜物進入影響軸承的使用壽命，前、后軸承應安裝上軸承蓋，并將其固定在套筒上，與主軸配合處采用間隙配合，初步設計如下圖2-17、2-18所示： 圖2-17 前支承用軸承蓋 其中， d=124，D=153 圖2-18 后支承用軸承蓋 其中， d=64，D=153，a=5，b=55 3.8主軸用套筒及其鎖緊部分 根據前面的計算和設計，可以直接得到主軸用套筒的結構及參數如圖2-19所示： 套筒的鎖緊部分采用彈性套，當調節(jié)螺栓時，彈性套就會隨之變形，從而鎖緊或松開套筒。主軸需要軸向移動（調節(jié)）時，便松開螺栓，彈性套也隨之松開套筒，調節(jié)完主軸軸向位置后，應擰緊螺栓以鎖緊主軸。 同時，彈性套和螺栓固定在主軸組件的箱體上，彈性套的結構及其參數如下圖2-20所示： 鎖緊螺栓的結構及其參數可查《簡明機械設計手冊》第102頁表6-9，取M24螺栓， 圖2-19 主軸用套筒的結構及參數 結構如下圖2-21所示，參數有： l=100，b=54，c=0.2，d=26.4，d=24，d=33.6，e=40，f=4，k=15，k′=10.3，r=0.8，s=36，l=31，l=46 圖2-20 彈性套結構及參數 3.9主軸尾部的內花鍵 組合銑床的主軸組件和傳動裝置采用花鍵連接，查《金屬切削機床設計簡明手冊》第468頁表8-6，花鍵采用外徑定心方式，其特點是：定心精度高，加工方便，外花鍵的外徑可在普通機床上加工至所需的精度。內花鍵的硬度不高時，可由拉刀保證其外徑精度。結構如圖2-22所示，參數可查《金屬切削機床設計簡明手冊》第468頁表8-7，有： d=42，N=8，D=46，B=8 圖2-21 鎖緊螺栓的結構及參數 圖2-22 主軸尾部的內花鍵結構及參數 3.10主軸組件軸向調節(jié)機構 主軸組件的軸向調節(jié)機構采用一對圓錐齒輪并經絲杠螺母手動調節(jié)。它具有傳動比小，傳動精度高，運動平穩(wěn)，能自鎖等特點。絲杠主要承受軸向力，故采用兩推力球軸承作為絲杠的支承，螺母支承的軸和主軸套筒上的孔相配合，實現主軸的軸向調節(jié)。該絲杠螺母支承簡圖如圖2-23所示： 3.10.1 絲杠螺紋 絲杠采用梯形螺紋，其牙根強度高，螺紋副對中性好，加工時可以銑和磨，工藝簡單。查《金屬切削機床設計簡明手冊》第413頁，取螺紋直徑為36，其余參數有： 圖2-23 絲杠螺母支承簡圖 P=6，d=36，d=33，d=29，l=70 3.10.2 絲杠軸承的選擇 絲杠的調節(jié)精度直接影響主軸軸向移動精度，而絲杠的精度除靠梯形螺紋自身保證外，還靠支承的精度保持，故需考慮支承精度。該絲杠采用兩相同推力球軸承承受軸向力，其精度應選用常用的D級精度軸承，查《金屬切削