0210-銑削組合機(jī)床及其主軸組件設(shè)計(jì)（加工VF-67型空壓機(jī)減荷閥體的兩側(cè)面）【全套4張CAD圖+說明書】
0210-銑削組合機(jī)床及其主軸組件設(shè)計(jì)（加工VF-67型空壓機(jī)減荷閥體的兩側(cè)面）【全套4張CAD圖+說明書】,全套4張CAD圖+說明書,銑削,組合,機(jī)床,及其,主軸,組件,設(shè)計(jì),加工,vf,67,型空壓機(jī)減荷,閥體,側(cè)面,全套,cad,說明書,仿單
銑削組合機(jī)床及其主 軸組件設(shè)計(jì)
摘 要
組合機(jī)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(jī)床。其特點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)緊湊、工作質(zhì)量可靠、設(shè)計(jì)和制造周期短、投資少、經(jīng)濟(jì)效果好、生產(chǎn)率高等。
本次設(shè)計(jì)的題目是銑削組合機(jī)床及主軸組件。首先針對(duì)所要加工的零件入手，對(duì)機(jī)床進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定機(jī)床的總體布局，隨后，對(duì)主軸組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)主軸組件時(shí)，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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)等）所有零件的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：組合機(jī)床，主軸組件，剛度，主軸，軸承，軸向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
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 in response to the processing of parts, the paper machine for the overall program design, which will determine the overall layout of the machine. Subsequently, the spindle components of the design. Spindle components in the design, a spindle for clues to meet stiffness and precision requirements, the completion of the other (eg, bearings, Axial adjustment, locking, etc.) all parts of the design.
Keywords: Modular Machine, spindle components, stiffness, spindle, bearings, axial adjustment
1
目 錄
摘要 1
ABSTRACT 2
前言 Ⅰ
第1章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 1
1.1 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)的依據(jù) 1
1.1.1工件 1
1.1.2刀具 1
1.2工藝分析 1
1.2.1工藝方法的確定 1
1.2.2 機(jī)床總體布局 2
1.2.3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)的確定 2
1.3機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)的確定 3
1.3.1確定工件余量 3
1.3.2選擇切削用量 3
1.3.3運(yùn)動(dòng)參數(shù) 3
1.3.3.1主軸最高，最低轉(zhuǎn)速 3
1.3.3.2主軸轉(zhuǎn)速的合理排列 4
1.3.4 動(dòng)力參數(shù)—主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的確定 4
1.3.4.1切削力的計(jì)算 5
1.3.4.2切削功率的計(jì)算 5
1.3.4.3估算電動(dòng)機(jī)功率 5
1.3.4.4選擇主電機(jī) 5
1.4進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的確定 5
第2章 主軸組件設(shè)計(jì) 6
2.1主軸的基本要求 6
2.1.1旋轉(zhuǎn)精度 6
2.1.2剛度 6
2.1.3抗振性 7
2.1.3.1抵抗受迫振動(dòng)的能力 8
2.1.3.2抵抗切削自激振動(dòng)的能力 8
2.1.4溫升和熱變形 8
2.1.5耐磨性 9
2.1.6其他 9
2.2主軸組件的布局 9
2.2.1適應(yīng)剛度和承載能力的要求 10
2.2.2適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求 11
2.2.3適應(yīng)精度的要求 11
2.2.4適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求 11
2.2.5適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求 11
2.3主軸結(jié)構(gòu)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(shù)要求 13
2.5.1軸頸 13
2.5.2內(nèi)錐孔 14
2.6主軸組件的計(jì)算 14
2.6.1主軸直徑的選擇 14
2.6.2主軸前后支承軸承的選擇 15
2.6.2.1主軸前支承軸承的選擇 15
2.6.2.2主軸后支承軸承的選擇 16
2.6.3主軸內(nèi)孔直徑 16
2.6.4主軸前端懸伸量 17
2.6.5主軸支承跨距 18
2.7主軸結(jié)構(gòu)圖 18
2.8主軸組件的驗(yàn)算 18
2.8.1主軸端部撓度 19
2.8.1.1支承的簡化 19
2.8.1.2主軸的撓度 20
2.8.1.3主軸傾角 20
2.9主軸組件的潤滑和密封 21
2.9.1主軸軸承的潤滑 21
2.9.2主軸組件的密封 21
2.9.2.1主軸組件密封裝置的功用 22
2.9.2.2對(duì)主軸組件密封裝置的要求 22
2.9.2.3主軸組件密封裝置的類型 22
2.9.2.4主軸組件密封裝置的選擇 22
2.10主軸組件中相關(guān)部件 23
2.10.1軸肩擋圈 23
2.10.2擋圈 23
2.10.3圓螺母 23
2.10.4套筒 24
2.10.5前、后支承的軸承蓋 25
2.10.6主軸用套筒及其鎖緊部分 26
2.10.7主軸尾部的內(nèi)花鍵 27
2.11主軸組件軸向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 28
2.11.1絲杠螺紋 28
2.11.2絲杠軸承的選擇 28
2.11.3絲杠螺母 29
2.11.4絲杠中段螺紋 29
2.11.5絲杠上的內(nèi)隔套 29
2.11.6絲杠上調(diào)節(jié)用錐齒輪 30
2.12箱體設(shè)計(jì) 30
第3章 結(jié)論 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
前 言
機(jī)械制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，是國民經(jīng)濟(jì)各部門賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，是生產(chǎn)力的重要組成部分。機(jī)械制造業(yè)不僅為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、科研和國防等部門提供各種生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表和工具，而且為制造業(yè)包括機(jī)械制造業(yè)本身提供機(jī)械制造裝備。機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造水平標(biāo)志著一個(gè)國家或地區(qū)的科學(xué)技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力。
機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造水平，主要取決于機(jī)械制造裝備的先進(jìn)程度。機(jī)械制造裝備的核心是金屬切削機(jī)床，精密零件的加工，主要依賴切削加工來達(dá)到所需要的精度。金屬切削機(jī)床所擔(dān)負(fù)的工作量約占機(jī)器制造總工作量的40%～60%，金屬切削機(jī)床的技術(shù)水平直接影響到機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。換言之，一個(gè)國家的機(jī)床工業(yè)水平在很大程度上代表著這個(gè)國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。顯然，金屬切削機(jī)床在國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化建設(shè)中起著不可替代的作用。
縱觀幾十年來的歷史，機(jī)械制造業(yè)從早期降低成本的競爭，經(jīng)過20世紀(jì)70年代、80年代發(fā)展到20世紀(jì)90年代乃至21世紀(jì)初的新的產(chǎn)品的競爭。目前，我國已加入世界貿(mào)易組織，經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代已經(jīng)到來，我國機(jī)械制造業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也面臨著新的形勢：知識(shí)——技術(shù)——產(chǎn)品的更新周期越來越短，產(chǎn)品的批量越來越小，產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的要求越來越高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)和綠色制造的呼聲越來越強(qiáng)，因而以敏捷制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)將是制造業(yè)快速響應(yīng)市場需要、不斷推出新產(chǎn)品、贏得競爭、求得生存和發(fā)展的主要手段。
金屬切削機(jī)床中的組合機(jī)床，是根據(jù)工件加工需要，以大量通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件組成的一種高效專用機(jī)床。它具有：生產(chǎn)率高；加工精度穩(wěn)定；研制周期短，便于設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)，成本低；配置靈活等。正是由于這些特點(diǎn)的存在，決定了組合機(jī)床在當(dāng)今新形勢下仍能被廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)、電機(jī)、儀器儀表、軍工及自行車等輕工行業(yè)和機(jī)床、機(jī)車、工程機(jī)械等制造業(yè)中。
此次設(shè)計(jì)的是銑削組合機(jī)床及主軸組件。首先，對(duì)機(jī)床進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定總體方案后得到機(jī)床總體布局圖；再著重進(jìn)行主軸組件的設(shè)計(jì)，其中包括主軸的設(shè)計(jì)、支承的選取、主軸軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和主軸鎖緊機(jī)構(gòu)等的設(shè)計(jì)。
由于能力所限，設(shè)計(jì)尚有許多不足之處，懇請各位老師給予指導(dǎo)。
I
第一章 機(jī)床總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)機(jī)床的第一步，是確定總體方案?？傮w方案是機(jī)床部件和零件的設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)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(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。
1.1 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)的依據(jù)
1.1.1 工件
工件是機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一，設(shè)計(jì)者必須明確工件的特點(diǎn)和加工要求。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一臺(tái)組合機(jī)床，用于加工VF-6/7型空壓機(jī)減荷閥體的兩側(cè)面，工件材料為HT200，硬度為190～210HB,生產(chǎn)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(zhì)合金端銑刀，刀齒材料為YG6，銑刀盤直徑為φ75～110，刀具齒數(shù)Z=4。
1.2 工藝分析
1.2.1 工藝方法的確定
機(jī)床的工藝方法是多種多樣的，按工種可分為車、銑、刨、鉆、鏜、磨、研磨、電加工、振動(dòng)加工、激光加工等；每一種還可再分，如車削加工有車外圓、車端面、車槽、車球面等之分；按加工精度各表面粗糙度可分為粗加工、半精加工、光整加工等；按工序集中程度可分為單刀、多刀、單工件、多工件、單工位、多工位等；按作業(yè)形式可分平行作業(yè)、順序作業(yè)、平行-順序作業(yè)等。
工藝方法對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和性能的影響很大，工藝方法的改變常導(dǎo)致機(jī)床的運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)、布局、結(jié)構(gòu)、性能以及經(jīng)濟(jì)效果等方面的一系列變化。
加工平面的方法有很多，比如說車削，銑削，刨削。對(duì)于VF-6/7型空壓機(jī)減荷閥體，用車床進(jìn)行車削加工時(shí)，由于減荷閥體外形復(fù)雜，且為殼類零件，不宜裝夾在車床主軸上進(jìn)行加工，裝夾穩(wěn)定性也不高；用刨床進(jìn)行刨削加工時(shí)，機(jī)床需要兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床和刀具結(jié)構(gòu)簡單，裝夾在工件臺(tái)上快速，穩(wěn)固，但生產(chǎn)率低，加工精度也達(dá)不到工件要求；用端銑刀進(jìn)行銑削加工時(shí)，生產(chǎn)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。
與普通機(jī)床相比，組合機(jī)床具有生產(chǎn)率高，加工精度穩(wěn)定，研制周期短，便于設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)、成本低、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低，配置靈活等特點(diǎn)，因此，當(dāng)生產(chǎn)量很大時(shí)，用組合機(jī)床進(jìn)行加工更合理。
1.2.2 機(jī)床總體布局
機(jī)床的總體布局指確定機(jī)床的組成部件之間的相對(duì)位置及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
合理的總體布局的基本要求有：(1)保證工藝方法所要求的工件與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系；(2)保證機(jī)床具有足夠的加工精度和相適應(yīng)的剛度和抗振性；(3)便于操縱、調(diào)整、維修，便于輸送、裝卸工件和排屑等；(4)節(jié)省材料，占地面積小，即經(jīng)濟(jì)效果好；(5)造型美觀。
根據(jù)減荷閥體的加工要求，機(jī)床總體布局圖如圖1-1所示：
圖1-2 機(jī)床總體布局圖
1.機(jī)座 2.動(dòng)力滑臺(tái) 3.工件 4.端銑刀 5.電動(dòng)機(jī) 6.變速箱 7.主軸箱
減荷閥體安裝在工作臺(tái)上，銑削動(dòng)力頭帶動(dòng)銑刀作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件的切削加工。此方案的優(yōu)點(diǎn)是各部件均是針對(duì)減荷閥體設(shè)計(jì)的，因此，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，生產(chǎn)率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定。
1.2.3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)的確定
確定機(jī)床運(yùn)動(dòng)，指確定機(jī)床運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，運(yùn)動(dòng)類型以及運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行件。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的組合機(jī)床的工藝方法是，用一把端銑刀直接進(jìn)行加工。相應(yīng)的表面成形運(yùn)動(dòng)為：單主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；輔助運(yùn)動(dòng)為：主軸軸向調(diào)整運(yùn)動(dòng)。
1.3 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)的確定
機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)包括主參數(shù)和基本參數(shù)，基本參數(shù)又包括尺寸參數(shù)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)，動(dòng)力參數(shù)。
1.3.1 確定工件余量
VF-6/7型空壓機(jī)減荷閥體，零件材料為HT200，硬度190—210HB，生產(chǎn)類型為大批量，鑄造毛坯。
查《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)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(jìn)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(jù)《組合機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》第132～133頁，選擇銑削切削用量。
銑削用量的選擇與要求的加工表面粗糙度值及其生產(chǎn)率有關(guān)系。當(dāng)銑削表面粗糙度數(shù)值要求較低時(shí)，銑削速度應(yīng)選高一些，每齒走刀量應(yīng)小些。若生產(chǎn)率要求不高，可以取很小的每齒走刀量，一次銑削4～5mm的余量達(dá)到R=1.6μm的表面粗糙度。這時(shí)每齒的進(jìn)給量一般為0.02～0.03mm。
根據(jù)本次設(shè)計(jì)所加工的零件要求，其表面粗糙度數(shù)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(yùn)動(dòng)參數(shù)
機(jī)床的運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍、進(jìn)給量范圍、進(jìn)給量數(shù)列以及空行程速度等。此次設(shè)計(jì)主要確定主運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
1.3.3.1 主軸最高，最低轉(zhuǎn)速
按照典型工序的切削速度和刀具(或工件)直徑、計(jì)算主軸最高轉(zhuǎn)速n、最低轉(zhuǎn)速n。計(jì)算公式如下：
n= ， n=
33
1.3 機(jī)械主要技術(shù)參數(shù)的確定
式中：n、n—主軸最高、最低轉(zhuǎn)速(r/min)
V、V—最高、最低切削速度(m/min)
d、d—最大、最小計(jì)算直徑(mm)
根據(jù)《機(jī)械制造工藝金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》第69～70頁，可查出以下數(shù)據(jù)：
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(zhuǎn)速為
n== =1061.6r/min
取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列值：
n=1000r/min
最低轉(zhuǎn)速為：
n== =57.9r/min
取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列值：
n=56r/min
1.3.3.2 主軸轉(zhuǎn)速的合理排列
最高、最低轉(zhuǎn)速確定后，還需確定中間轉(zhuǎn)速，選擇公比Φ，轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)Z，則轉(zhuǎn)速數(shù)列為：
n= n=56r/min, n= nΦ, n= nΦ, n= nΦ
查標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列，取公比Φ=1.78 (1＜Φ≤2)
轉(zhuǎn)速范圍： R===17.8
轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)： Z=+1=5.99 取Z=6
由于本次設(shè)計(jì)的要求，主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)只需設(shè)計(jì)四級(jí)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(dòng)力參數(shù)—主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的確定
1.3.4.1 切削力的計(jì)算
由前面已知，本次設(shè)計(jì)的組合機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速為n=315r/min，則此時(shí)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(jì)算銑削工件時(shí)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(dá)到設(shè)計(jì)尺寸，則銑削深度為工件加工余量，即a=2.5mm。
a—每齒進(jìn)給量，a=0.2mm/r
Z—轉(zhuǎn)數(shù)級(jí)數(shù)，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
1.3.4.2 切削功率的計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械制造工藝金屬機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》第72頁，可得切削功率公式為：
P===2.2KW
1.3.4.3 估算電動(dòng)機(jī)功率
根據(jù)《機(jī)械制造工藝金屬機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》第72頁，有
P===3.14KW
式中：η—主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床η=0.7～0.85。
1.3.4.4 選擇主電機(jī)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》第155頁表12-1，選Y112-4電機(jī)，主要參數(shù)有：
額定功率P=4KW，滿載轉(zhuǎn)速 n=1440r/min，同步轉(zhuǎn)速n=1500r/min，級(jí)數(shù)P=4，質(zhì)量m=43kg。
1.4 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的確定
查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》第41頁，可知：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率取決于進(jìn)給的有效功率和傳動(dòng)件的機(jī)械效率，即：
N=
式中：N—進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率(KW)
Q —進(jìn)給抗力(N)
V—進(jìn)給速度(m/min)
η—進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總機(jī)械效率(一般取0.15～0.2)
粗略計(jì)算時(shí)，可根據(jù)進(jìn)給傳動(dòng)與主傳動(dòng)所需功率之比值來估算進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率。
對(duì)于銑床： N=0.2×N=0.2×4=0.8KW
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》第155頁表12-1，選Y90S-4電機(jī)，主要參數(shù)有：
額定功率P=1.1KW，滿載轉(zhuǎn)速n=1440r/min，同步轉(zhuǎn)速n=1500r/min，級(jí)數(shù)P=4，質(zhì)量m=22kg。
第二章 主軸組件設(shè)計(jì)
主軸組件是機(jī)床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)，完成表面成形運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還起傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩、承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，因此它是機(jī)床中的一個(gè)關(guān)鍵組件。
主軸和一般傳動(dòng)軸的相同點(diǎn)是，兩者都傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩并承受傳動(dòng)力，都要保證傳動(dòng)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(dòng)工件或刀具，實(shí)現(xiàn)表面成形運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)主軸有較高的要求。
2.1 主軸的基本要求
2.1.1 旋轉(zhuǎn)精度
主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在手動(dòng)或低速、空載時(shí)，主軸前端定位面的徑向跳動(dòng)△r、端面跳動(dòng)△a和軸向竄動(dòng)值△o。如圖2-1所示：圖中實(shí)線表示理想的旋轉(zhuǎn)軸線，虛線表示實(shí)際的旋轉(zhuǎn)軸線。當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的漂移量即為運(yùn)動(dòng)精度。
主軸組件的旋轉(zhuǎn)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(diào)整精度；運(yùn)動(dòng)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能和潤滑以及主軸部件的動(dòng)態(tài)特性。各類通用機(jī)床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)中作了規(guī)定，專用機(jī)床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度則根據(jù)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(shí)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(shù)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(zhuǎn)精度。顯然，主軸組件的剛度越高，主
圖2-1 主軸的旋轉(zhuǎn)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(dòng)質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動(dòng)齒輪的嚙合狀況，并使軸承產(chǎn)生側(cè)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(dòng)力等作用下，產(chǎn)生過大的受迫振動(dòng)，并容易引起切削自激振動(dòng)，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(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動(dòng)件的布置方式、主軸組件的制造與裝配質(zhì)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(dòng)和自激振動(dòng)而保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。在切削過程中，主軸組件不僅受靜載荷的作用，同時(shí)也受沖擊載荷和交變載荷的作用，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)。如果主軸組件的抗振性差，工作時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響工件的表面質(zhì)量，降低刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲影響工作環(huán)境。隨著機(jī)床向高精度、高效率方向發(fā)展，對(duì)抗振性要求越來越高。
評(píng)價(jià)主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)能力的大小。
2.1.3.1 抵抗受迫振動(dòng)的能力
主軸組件受迫振動(dòng)的干擾力，主要包括由于主軸上旋轉(zhuǎn)零件（主軸、傳動(dòng)件和所裝的工件或刀具等）的偏心質(zhì)量而產(chǎn)生的離心力，傳動(dòng)件運(yùn)動(dòng)速度不均勻而產(chǎn)生的慣性力，以及斷續(xù)切削產(chǎn)生的周期性變化的切削力。由于這些干擾力，引起主軸并帶著刀具或工件一起振動(dòng)，而在加工表面上留下振紋，使工件表面粗糙度提高。
根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)床加工表面粗糙度的要求，確定主軸前端的允許振幅，然后計(jì)算或測定主軸組件在各種動(dòng)態(tài)干擾力的作用下，其前端的振幅，并同允許值比較，評(píng)價(jià)是否滿足要求。在單獨(dú)分析主軸組件時(shí)，只能求得主軸前端在切削部位的絕對(duì)振幅，它只能部分地反映刀具和工件之間的相對(duì)振幅。兩者關(guān)系與激振頻率有關(guān)，目前主要由試驗(yàn)來確定。此外，主軸組件的低階固有頻率與振型也是其抗振性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般來說，低階固有頻率應(yīng)高些，并遠(yuǎn)離激振頻率；主軸振型的節(jié)點(diǎn)應(yīng)靠近切削部位。
2.1.3.2 抵抗切削自激振動(dòng)的能力
金屬切削加工時(shí)，雖然沒有外界動(dòng)態(tài)干擾力的作用，但由于機(jī)床—工件—刀具彈性系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)切削過程的反饋?zhàn)饔?，刀具與工件之間發(fā)生了周期性的強(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng)，稱為切削自激振動(dòng)，簡稱為顫振。
顫振將使加工表面質(zhì)量惡化，甚至使切削過程無法繼續(xù)下去，從而不得不降低切削用量來避免之，所以機(jī)床的切削用量極限往往不是由機(jī)床的功率來決定，而是由加工時(shí)發(fā)生顫振的條件來決定。
機(jī)床切削時(shí)，從沒有顫振到顫振的產(chǎn)生之間存在著明顯的界限，這個(gè)界限即是穩(wěn)定性的極限，或稱為機(jī)床穩(wěn)定性的條件。對(duì)現(xiàn)有機(jī)床的試驗(yàn)表明，切削自振頻率往往接近于主軸組件彎曲振動(dòng)的低階固有頻率。即主軸組件是顫振的主振部分，它的低階彎曲振動(dòng)模態(tài)是決定機(jī)床抵抗切削自振能力的主要模態(tài)。因此，在單獨(dú)分析主軸組件時(shí)，可以認(rèn)為主軸前端在切削部位激振點(diǎn)動(dòng)柔度（在主振方向）的最大負(fù)實(shí)部，反映了主軸組件抵抗切削自振的能力。
對(duì)于粗加工機(jī)床，切削寬度大，切削自振的可能性大，但加工表面質(zhì)量要求不高，可主要考慮不產(chǎn)生顫振的條件。對(duì)于精密機(jī)床，切削用量小，切削自振的可能性小，但允許的振幅小，可主要考慮抵抗受迫振動(dòng)的能力。對(duì)于高速機(jī)床，因?yàn)榧ふ窳Φ念l率和幅值均隨著轉(zhuǎn)速提高而劇增，受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)都比較突出。因此，在設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)高速機(jī)床時(shí)，自激和受迫振動(dòng)均應(yīng)考慮。
2.1.4 溫升和熱變形
主軸組件工作時(shí)因各種相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)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(yīng)以主軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)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(jī)床各部件間相對(duì)位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度機(jī)床尤為嚴(yán)重；熱變形造成主軸彎曲，使傳動(dòng)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(diào)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(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生軸承抱軸現(xiàn)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(yù)緊力的大小，潤滑方式和散熱條件等。
目前，對(duì)各種類型機(jī)床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下的允許溫升都有一定的規(guī)定。
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(gè)滑動(dòng)表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動(dòng)軸承配合的軸頸表面，移動(dòng)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(yīng)該正確地選用主軸和滑動(dòng)軸承的材料及熱處理方法、潤滑方式，合理調(diào)整軸承間隙，良好的潤滑和可靠的密封。
2.1.6 其他
主軸組件除應(yīng)保證上述基本要求外，還應(yīng)滿足下列要求：
（1）主軸的定位可靠。主軸在切削力和傳動(dòng)力的作用下，應(yīng)有可靠的徑向和軸向定位，使主軸在工作時(shí)受到的切削力和傳動(dòng)力通過軸承可靠地傳至箱體等基礎(chǔ)零件上。
（2）主軸前端結(jié)構(gòu)應(yīng)保證工件或刀具裝卡可靠，并有足夠的定位精度。
（3）結(jié)構(gòu)工藝好。在保證好用的基礎(chǔ)上，盡可能地做到好造、好裝、好拆及好修，并盡可能降低主軸組件的成本。
2.2 主軸組件的布局
主軸組件的設(shè)計(jì)，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(jī)床主軸有前、后兩個(gè)支承和前、中、后三個(gè)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(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)主軸組件在轉(zhuǎn)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(yīng)、經(jīng)濟(jì)性等具體情
況，加以確定。在選擇時(shí)，具體有以下要求：
2.2.1 適應(yīng)剛度和承載能力的要求
主軸軸承選型應(yīng)滿足所要求的剛度和承載能力。徑向載荷較大時(shí)，可選用滾子軸承；較小時(shí)，可選用球軸承。雙列滾動(dòng)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(gè)軸承的支承剛度和承載能力，比采用單個(gè)軸承的大。一般來說，前支承的剛度，應(yīng)比后支承的大。因?yàn)榍爸С袆偠葘?duì)主軸組件剛度的影響要比后支承的大。表2-1所示為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較：
表2-1 滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較
基本要求
滾動(dòng)軸承
滑 動(dòng) 軸 承
動(dòng)壓軸承
靜壓軸承
旋轉(zhuǎn)精度
精度一般或較差?？稍跓o隙或預(yù)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(hào)有關(guān)，與轉(zhuǎn)速、載荷無關(guān)，預(yù)緊后可提高一些
隨轉(zhuǎn)速和載荷升高而增大
與節(jié)流形式有關(guān)，與載荷轉(zhuǎn)速無關(guān)
承載能力
一般為恒定值，高速時(shí)受材料疲勞強(qiáng)度限制
隨轉(zhuǎn)速增加而增加，高速時(shí)受溫升限制
與油腔相對(duì)壓差有關(guān)，不計(jì)動(dòng)壓效應(yīng)時(shí)與速度無關(guān)
抗振性能
不好，阻尼系數(shù)D=0.029
較好，阻尼系數(shù)D=0.055
很好，阻尼系數(shù)D=0.4
速度性能
高速受疲勞強(qiáng)度和離心力限制，低中速性能較好
中高速性能較好。低速時(shí)形不成油漠，無承載能力
適應(yīng)于各種轉(zhuǎn)速
摩擦功耗
一般較小，潤滑調(diào)整不當(dāng)時(shí)則較大f=0.002～0.008
較小
f=0.001～0.008
本身功耗小，但有相當(dāng)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(qiáng)度限制
在不頻繁啟動(dòng)時(shí)，壽命較長
本身壽命無限，但供油系統(tǒng)的壽命有限
2.2.2 適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求
由于結(jié)構(gòu)和制造方面的原因，不同型號(hào)和規(guī)格的軸承所允許的最高轉(zhuǎn)速是不同的。軸承的規(guī)格越大，精度等級(jí)越低，允許的最高轉(zhuǎn)速越低。在承受徑向載荷的軸承當(dāng)中，圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速，比圓錐滾子軸承的高。在承受軸向載荷的軸承當(dāng)中，向心推力軸承的極限轉(zhuǎn)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(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)速和承載能力兩方面要求來選擇軸承型式。
例如，當(dāng)軸向載荷較大，而轉(zhuǎn)速不高時(shí)，可采用推力球軸承；反之，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高，而軸向載荷不大時(shí)，可采用角接觸球軸承；如果轉(zhuǎn)速較高，軸向載荷又較大，則可采用雙列推力向心球軸承；如果徑向和軸向載荷都較小，而轉(zhuǎn)速較高，則可采用向心推力球軸承。
2.2.3 適應(yīng)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(shí)，主軸受熱變形向后延伸，不影響軸向定位精度，但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)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(diǎn)與前述的相反；兩端定位時(shí)，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(nèi)側(cè)，主軸可能因熱膨脹而彎曲。
2.2.4 適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求
當(dāng)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(jié)構(gòu)上徑向尺寸要緊湊時(shí)，則可在一個(gè)支承（尤其是前支承）中配置兩個(gè)或兩個(gè)以上的軸承。
對(duì)于軸間距很小的多主軸機(jī)床，由于結(jié)構(gòu)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(cuò)開排列。
2.2.5 適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求
確定主軸軸承配置型式，除應(yīng)考慮滿足性能和結(jié)構(gòu)方面要求外，還應(yīng)作經(jīng)濟(jì)性分析，使經(jīng)濟(jì)效果好。例如，在能夠滿足要求的情況下，一般采用已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，且大批量生產(chǎn)的滾動(dòng)軸承較為經(jīng)濟(jì)，但對(duì)于一些大型、重型機(jī)床的主軸組件，當(dāng)沒有標(biāo)準(zhǔn)的大型號(hào)滾動(dòng)軸承時(shí)，可采用動(dòng)壓軸承或靜壓軸承。
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的配
置型式成本低，因?yàn)榍罢吖?jié)省了兩個(gè)軸承，而且箱體工藝性較好。
綜合考慮以上因素，本設(shè)計(jì)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(jí)精度；后支承采用圓柱滾子軸承，E級(jí)精度。其中前支承的雙列圓柱滾子軸承，滾子直徑小，數(shù)量多（50—60個(gè)），具有較高的剛度；兩列滾子交錯(cuò)布置，減少了剛度的變化量；外圈無擋邊，加工方便；軸承內(nèi)孔為錐孔，錐度為1：12，軸向移動(dòng)內(nèi)圈使之徑向變形，調(diào)整徑向間隙和預(yù)緊；黃銅實(shí)體保持架，利于軸承散熱。前支承的總體特點(diǎn)是：主軸靜剛度好，回轉(zhuǎn)精度高，溫升小，徑向間隙可以調(diào)整，易保持主軸精度，但由于前支承結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，前、后支承的溫升不同，熱變形較大，此外，裝配、調(diào)整比較麻煩。
2.3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定
主軸的結(jié)構(gòu)主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位的方法，同時(shí)還要考慮主軸加工和裝配的工藝性，一般在機(jī)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(shè)計(jì)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(shí)心的，主要取決于機(jī)床的類型。此次設(shè)計(jì)的主軸，也設(shè)計(jì)成階梯形，同時(shí)，在滿足剛度要求的前提下，設(shè)計(jì)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(jī)床的類型、安裝夾具或刀具的形式，并應(yīng)保證夾具或刀具安裝可靠、定位準(zhǔn)確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。
查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》第135頁中通用機(jī)床主軸端部的形狀圖，選短圓錐法蘭盤式主軸端部結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是：主軸端面上有四個(gè)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(jié)構(gòu)如下所示：
圖2-3 短圓錐法蘭盤式主軸端部結(jié)構(gòu)
2.4 主軸的材料與熱處理
主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、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(guān)，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(shù)值和鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，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(shí)應(yīng)首先選用價(jià)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(shí)，或者精密機(jī)床主軸需要減少熱處理后的變形時(shí)，或者軸向移動(dòng)的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮選用合金鋼。
當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，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(jìn)行高頻淬火（HRC48～54）.有關(guān)45鋼主軸熱處理情況如下表2-2所列：
表2-2 使用滾動(dòng)軸承的45鋼主軸熱處理等參數(shù)
工 作 條 件
使 用 機(jī) 床
材 料 牌 號(hào)
熱 處 理
硬 度
常 用
代 用
輕中負(fù)載
車、鉆、銑、磨床主軸
45
50
調(diào)質(zhì)
HB220～250
輕中負(fù)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(fù)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(shè)計(jì)的機(jī)床主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選用價(jià)格便宜的中碳鋼（45鋼）。查表2-2中，因工作中承受輕、中負(fù)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(shù)要求
主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)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(guān)系到接觸剛度，零件接觸表面形狀愈準(zhǔn)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(duì)主軸設(shè)計(jì)必須提出一定的技術(shù)要求。
2.5.1 軸頸
此次設(shè)計(jì)的主軸，應(yīng)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(shí)，以軸頸作為工作基面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；加工主軸時(shí)，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(shí)，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(dòng)軸承時(shí)，軸頸的精度必須與軸承的精度相適應(yīng)。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動(dòng)軸承的配合質(zhì)量。
對(duì)于普通精度級(jí)機(jī)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(yīng)小于直徑公差的1/4～1/2。
2.5.2 內(nèi)錐孔
內(nèi)錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗(yàn)機(jī)床精度時(shí)，它是代表主軸中心線的基準(zhǔn)，用來檢查主軸與其他部件的相互位置精度，如主軸與導(dǎo)軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經(jīng)常裝拆，故內(nèi)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(duì)軸頸的徑向跳動(dòng)表示；其形狀誤差用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)錐著色檢查的接觸面積大小來檢驗(yàn)，此乃綜合指標(biāo)；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。
2.6 主軸組件的計(jì)算
主軸組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：主軸的平均直徑D（初選時(shí)常用主軸前軸頸的直徑D來表示）；主軸內(nèi)孔直徑d；主軸前端部的懸伸量a；以及主軸支承跨距L等。一般步驟是：首先根據(jù)機(jī)床主電機(jī)功率或機(jī)床的主參數(shù)來選取D，在滿足主軸本身剛度的前提下，按照工藝要求來確定d，根據(jù)主軸前端部結(jié)構(gòu)形狀和前支承的結(jié)構(gòu)型式來確定a,最后根據(jù)D、a和主軸前支承的支承剛度來確定L。
主軸軸承的配置型式，對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定很有關(guān)系，故在設(shè)計(jì)過程中常需交叉進(jìn)行，最終以主軸組件剛度等性能來衡量其設(shè)計(jì)的合理性。
2.6.1 主軸直徑的選擇
主軸直徑對(duì)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(dá)到相同的公差則制造越困難，重量也增加。同時(shí)，加大直徑還受到軸承所允許的極限轉(zhuǎn)速的限制，甚至為機(jī)床結(jié)構(gòu)所不允許。
通常，主軸前軸頸直徑D可根據(jù)傳遞功率，并參考現(xiàn)有同類機(jī)床的主軸軸頸尺寸確定。查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》第157頁表5-12中，幾種常見的通用機(jī)床鋼質(zhì)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(jī)功率P=4KW，機(jī)床類型是銑床，查上表中對(duì)應(yīng)項(xiàng)，初取D=80。
主軸后軸頸直徑D和前軸頸直徑D的關(guān)系，可根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)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(jī)床
機(jī) 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
2.6.2 主軸前后支承軸承的選擇
2.6.2.1 主軸前支承軸承的選擇
根據(jù)前述關(guān)于軸承的選擇原則，查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)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(hào)為3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D=91，D=117，D=117，r=1。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-4所示：
圖2-4 雙列向心短圓柱滾子軸承（GB285-87）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
再查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》第365頁，選取主軸前支承的推力球軸軸承型號(hào)為8215。其中，d=75，d=75.2，D=110，H=27, D=86, D=99，r=1。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-5所示：
2.6.2.2 主軸后支承軸承的選擇
查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》第368頁，選取主軸后支承的圓柱滾子軸承型號(hào)為2213。其中：d=65，D=120，B=23，D=77，D=110，r=1.5。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-6所示：
2.6.3 主軸內(nèi)孔直徑
該組合機(jī)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(nèi)孔直徑應(yīng)取在一定范圍內(nèi)，才不致影響主軸剛度。一般，主軸內(nèi)孔直徑受到主軸后軸頸的直徑所限制。
圖2-5 推力球軸承（GB301-84）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
圖2-6 圓柱滾子軸承（GB283-87）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
由材料力學(xué)可知，剛度K正比于截面慣性矩I，它與直徑之間有下列關(guān)系：
===1-（）=1-
根據(jù)此式可得：當(dāng)<0.3時(shí)，空心與實(shí)心截面主軸的剛度很接近；當(dāng)=0.5時(shí)，空心主軸的剛度為實(shí)心主軸剛度的90%，對(duì)剛度影響不大；≥0.7時(shí)，則主軸剛度急劇下降，故一般應(yīng)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(jī)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。
2.6.4 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(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離，它對(duì)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(jié)構(gòu)形狀及尺寸，一般應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取，有時(shí)為了提高主軸剛度或定心精度，也可不按標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān)。
因此，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡可能減小懸伸量a，以利于提高主軸組件的剛度。
初算時(shí)，可查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》第158頁表5-14，如下表2-4所示：
表2-4 主軸的懸伸量與直徑之比
類 型
機(jī) 床 和 主 軸 的 類 型
a/ D
Ⅰ
通用和精密車床，自動(dòng)車床和短主軸端銑床，用滾動(dòng)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(xì)長）的精密鏜床和內(nèi)圓磨，用滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承支承，適用于絕大部分普通生產(chǎn)的要求
1.25～2.5
Ⅲ
孔加工機(jī)床，專用加工細(xì)長深孔的機(jī)床，由加工技術(shù)決定需要有長的懸伸刀桿或主軸可移動(dòng)，由于切削較重而不適用于有高精度要求的機(jī)床
>2.5
根據(jù)上表所列，所設(shè)計(jì)的組合機(jī)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。
2.6.5 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(diǎn)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?？梢?，支承跨距過大或過小都會(huì)降低主軸部件的剛度。
有關(guān)資料對(duì)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(shí)；
（3） L=（1～2）a，用于懸伸長度較大時(shí)。
根據(jù)此次設(shè)計(jì)的組合機(jī)床剛性主軸的懸伸量較大，取L≤2.5a為宜。即此次設(shè)計(jì)的主軸兩支承的合理跨距
L≤2.5a=2.5×120=300
初取L=280。
2.7 主軸結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)以上的分析計(jì)算，可初步得出主軸的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示：
2.8 主軸組件的驗(yàn)算
主軸在工作中的受力情況嚴(yán)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(jì)算主要是剛度的驗(yàn)算，與一般軸著重于強(qiáng)度的情況不一樣。通常能滿足剛度要求的主軸也能滿足強(qiáng)度的要求。
剛度乃是載荷與彈性變形的比值。當(dāng)載荷一定時(shí)，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(jì)算包括：主軸端部撓度和主軸傾角的計(jì)算。
2.8.1 主軸端部撓度
主軸端部撓度直接影響加工精度和表面粗糙度，因此必須加以限制，一般計(jì)算主軸端部最大撓度。
2.8.1.1 支承的簡化
對(duì)于兩支承主軸，若每個(gè)支承中僅有一個(gè)單列或雙列滾動(dòng)軸承，或者有兩個(gè)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(gè)以上滾動(dòng)軸承，
圖2-8 主軸組件簡化為簡支梁
可認(rèn)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2-9 主軸組件簡化為固定端梁
此次設(shè)計(jì)的主軸，前支承選用了一個(gè)雙列向心短圓柱滾子軸承和兩個(gè)推力球軸承作為支承，即可認(rèn)為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為上圖2-9所示。
2.8.1.2 主軸的撓度
查《材料力學(xué)I》第188頁的表6.1，對(duì)圖2-9作更進(jìn)一步的分析，如下圖2-10所示：
根據(jù)圖2-10，可得此時(shí)的最大撓度
=-
其中，
F—主軸前端受力。此處，F(xiàn)=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(dāng)主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時(shí)，
I=。此處，D==133
故可計(jì)算出，主軸端部的最大撓度：
=-1.87×10 mm
2.8.1.3 主軸傾角
主軸上安裝主軸和安裝傳動(dòng)齒輪處的傾角，稱為主軸的傾角。此次設(shè)計(jì)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(huì)破壞軸承的正常工作，縮短軸承的使用壽命。
根據(jù)圖2-10，可得此時(shí)的最大傾角
=-
其中，
F—主軸前端受力。此處，F(xiàn)=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(dāng)主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時(shí)，
I=。此處，D==133
故可計(jì)算出，主軸傾角為：
=-2.3×10 rad
查《組合機(jī)床設(shè)計(jì)》第一冊中機(jī)械部分的第670頁，可知：
當(dāng)
x≤0.0002L mm
≤0.001 rad
時(shí)，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(shù)據(jù)和代入，即可得：
初步設(shè)計(jì)的主軸滿足剛度要求。
2.9 主軸組件的潤滑和密封
2.9.1 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(hù)軸承不受外物的磨損和防止腐蝕。潤滑劑和潤滑方式?jīng)Q定于軸承的類型、速度和工作負(fù)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(dòng)軸承可以用潤滑油或潤滑脂來潤滑。試驗(yàn)證明，在速度較低時(shí)，用潤滑脂比用潤滑油溫升低。所以，此次設(shè)計(jì)的主軸支承均采用潤滑脂。同時(shí)，主軸是裝在主軸套筒內(nèi)的，為防止使用潤滑油時(shí)泄漏，也應(yīng)采用潤滑脂潤滑。
加潤滑脂時(shí)，應(yīng)該注意潤滑脂的充填量不能過多，不能把軸承的空間填滿，否則會(huì)引起過高的發(fā)熱，并使?jié)櫥刍鞒龆鴲夯瘽櫥Ч?
2.9.2 主軸組件的密封
密封對(duì)主軸組件的工作性能與潤滑影響也較大。機(jī)床主軸密封不好，將使?jié)櫥瑒┩饬?，造成浪費(fèi)，加速零件的磨損，還會(huì)嚴(yán)重地影響到工作環(huán)境及機(jī)床的外觀。
2.9.2.1 主軸組件密封裝置的功用
密封裝置的功用是：防止?jié)櫥瑒闹鬏S組件及傳動(dòng)部件中泄漏，從而避免浪費(fèi)，保護(hù)工作環(huán)境，防止冷卻液及雜物（如灰塵、臟物、水氣和切屑等）從外面進(jìn)入部件內(nèi)，以減少機(jī)床零件的腐蝕及磨損，延長其使用壽命。
2.9.2.2 對(duì)主軸組件密封裝置的要求
對(duì)主軸組件密封裝置的要求是：在一定的壓力、溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能；由密封裝置所形成的摩擦力應(yīng)盡量小，摩擦系數(shù)應(yīng)盡量穩(wěn)定；耐腐蝕、磨損小、工作壽命長，磨損后，在一定程度上能自動(dòng)補(bǔ)償；結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便。對(duì)具體的主軸組件及傳動(dòng)部件，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇有效而又經(jīng)濟(jì)密封裝置。
2.9.2.3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。
2.9.2.4 主軸組件密封裝置的選擇
選用密封裝置時(shí)，應(yīng)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(xué)性質(zhì)；主軸組件的工作溫度；周圍介質(zhì)的情況；主軸組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；密封裝置的主要用途等。
綜合考慮上述因素，主軸前支承處，為了更好地防止外界的灰塵屑末等雜物進(jìn)入，故考慮選用迷宮式密封，形成一條長而曲曲折折的通道，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(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》第87頁表7-17，可得此次選用的迷宮式密封裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖2-11所示：
圖2-11 迷宮式密封裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)
其中，
d=80，D=130，e=1
2.10 主軸組件中相關(guān)部件
2.10.1 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(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》第56頁表5-1，可得此次選用的擋圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖2-12所示：
圖2-12 軸肩擋圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)
其中，
D=95，d=80，H=6
2.10.2 擋圈
兩推力球之間用的擋圈為非標(biāo)準(zhǔn)件，徑向尺寸依主軸套筒尺寸而定，軸向尺寸可初取為6mm。
2.10.3 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(nèi)的套筒，分別采用兩個(gè)圓螺母，為了增加可靠性，再加一止動(dòng)螺釘。圓螺母具體的參數(shù)可查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》第60頁表5-6，結(jié)構(gòu)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(nèi)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
2.10.4 套筒
兩推力球軸承之間用的套筒，根據(jù)以上計(jì)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(jié)構(gòu)如圖2-14所示；緊定螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)可查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》第43頁表3-17，如圖2-15所示；主軸上的小孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)
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