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分 類 號
密 級
寧寧波大紅鷹學院
畢業(yè)設計(論文)
端面磨床砂輪主軸結構設計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
年 月 日
誠 信 承 諾
我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《端面磨床砂輪主軸結構設計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。
承諾人（簽名）：
年 月 日
摘 要
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(xiàn)表面成形運動，因此對主軸有較高的要求。
本人針對端面磨床的砂輪主軸部分進行設計分析。
關鍵詞：磨床，端面磨床，砂輪，主軸
35
Abstract
Main components of machine tools is the execution part, its function is to support and promote the development of the workpiece or tool to rotate, to complete the surface forming movement, also pass the motion and torque, bear cutting force and driving force of load. As a result of spindle components of working performance directly affects the machining quality and productivity, it is one of the key components of machine tool.
The spindle and the general drive shaft are similar, both transfer motion, torque and bear the transmission power, transmission parts and support to ensure the normal work conditions, but the cutting force under the direct axis, but also drives the workpiece or tool, realize the surface forming movement, therefore has a higher requirement on the spindle.
I aimed at the end grinding wheel spindle part design and analysis.
Key Words: Grinder, surface grinder, grinding wheel, a spindle
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒 論 5
1.1 磨床的類型與用途 5
1.1.1 磨床的類型及其特點 5
1.1.2 磨床的用途 6
1.1.3 端面磨床 6
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 7
1.3 端面磨床的設計任務要求 7
第二章 主軸組件設計 8
2.1 主軸的基本要求 9
2.1.1 旋轉精度 9
2.1.2 剛度 9
2.1.3 抗振性 10
2.1.4 溫升和熱變形 11
2.1.5 耐磨性 11
2.1.6 其他 12
2.2 主軸組件的布局 12
2.2.1 適應剛度和承載能力的要求 12
2.2.2 適應轉速要求 13
2.2.3 適應精度的要求 14
2.2.4 適應結構的要求 14
2.2.5 適應經濟性要求 14
2.3 主軸結構的初步擬定 14
2.4 主軸的材料與熱處理 15
2.5 主軸的技術要求 16
2.5.1 軸頸 16
2.5.2 內錐孔 16
2.6 主軸組件的計算 16
2.6.1 主軸直徑的選擇（含電動機：功率計算、扭矩） 17
2.6.2 主軸前后支承軸承的選擇 18
2.6.3 主軸內孔直徑 19
2.6.4 主軸前端懸伸量 20
2.6.5 主軸支承跨距 21
2.7 主軸結構圖 21
2.8 主軸組件的驗算 22
2.8.1 主軸端部撓度 22
2.9 主軸組件的潤滑和密封 25
2.9.1 主軸軸承的潤滑 25
2.9.2 主軸組件的密封 25
2.10 主軸組件中相關部件 32
2.10.1 軸肩擋圈 32
2.10.2 擋圈 32
2.10.3 圓螺母 32
參 考 文 獻 34
致 謝 35
寧波大紅鷹學院本科畢業(yè)設計
第1章 緒 論
1.1 磨床的類型與用途
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(xiàn)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。
1.1.1 磨床的類型及其特點
磨床種類很多，主要有：外圓磨床、內圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來磨削特定表面和工件的專門化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等[2]。
對外圓磨床來說，又可分為普通外圓磨床、萬能外圓磨床、無心外圓磨床、 寬砂輪外圓磨床、端面外圓磨床等
以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。
磨床與其他機床相比，具有以下幾個特點：
1、磨床的磨具（砂輪）相對于工件做高速旋轉運動（一般砂輪圓周線速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上發(fā)展）；
2、它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件；
3、它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度；
4、易于實現(xiàn)自動化和自動線，進行高效率生產；
5、磨床通常是電動機---油泵---發(fā)動部件，通過機械，電氣，液壓傳動---傳動部件帶動工件和砂輪相對運動---工件部分組成[1]。
1.1.2 磨床的用途
隨著科學技術的發(fā)展，對機械零件的精度和表面質量要求越來越高，各種高硬度材料的應用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強力磨削，進一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴大。它在金屬切削機床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達的國家中，磨床在機床總數(shù)中的比例已達30%----40%。據(jù)1997年歐洲機床展覽會(EMO)的調查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認為磨削是他們應用的最主要的加工技術，車削只占23%， 鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機床的比例高達42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[3]。由此可見，在精密加工當中，有許多零部件是通過精密磨削來達到其要求的，而精密磨削加工會要在相應的精密磨床上進行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實現(xiàn)精密磨削加工，則所用的磨床就應該滿足以下幾個基本要求：
高幾何精度。 精密磨床應有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉精度和導軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動壓軸承及動靜壓組合軸承等。當前采用動壓軸承和動靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動一般應小于1um，軸向圓跳動應限制在2—3um以內。
2.低速進給運動的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導程要求10—15mm/min，因此工作臺必須低速進給運動，要求無爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。
3.減少振動。 精密磨削時如果產生振動，會對加工質量產生嚴重不良影響。故對于精密磨床，在結構上應考慮減少振動。
4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達到總誤差的50％，故機床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經成為實現(xiàn)精密磨削的主要障礙。
1.1.3 端面磨床
端面磨床是高精度端面加工設備，有著高強度機械構造和穩(wěn)定的精度。
應用領域：液壓氣動元件、液壓馬達部件、汽車轉向泵零部件、制冷壓縮機零部件、油泵油嘴零部件、發(fā)動機零部件、高精密軸承、密封件、活塞環(huán)、量刃具、模具、儀表、硬質合金刀片、陶瓷閥芯、磁性材料等產品的雙面研磨加工。
機床特點：高精度精密軸承，保證機床剛性及精度。
氣動控制，實現(xiàn)輕壓、重壓、輕壓三階段壓力任意調整和自動轉換。·觸摸屏控制界面，方便、快捷。高效率、高精度的金剛石磨盤研磨，備有修整環(huán)。
端面磨床及其特點：
端面磨床是外圓磨床的一種變形機床，它宜于大批量磨削軸類端面工件，有較高的生產率。它的特點如下
（1）這種磨床的布局形成和運動聯(lián)系與外圓磨床相似，為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。
（2）由于它適用于大批量生產，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進給（長切入）---粗磨---精磨—無花磨削。由定程裝置或自動測量控制工件尺寸。
（3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向對刀裝置。
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢
隨著機械產品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應用增多，磨削加工技術正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方向發(fā)展[4]，如用于超精密磨削的樹脂結合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實驗室，實際生產中常用的砂輪線速度為40－60m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復定位精度≤±1μm的機床已越來越多；從主軸轉速來看，8.2kw主軸達60000r/min，13kw達42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。
此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機床產品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機和切削液處理機系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。
1.3 端面磨床的設計任務要求
（一）設計基本參數(shù)
砂輪主軸轉速1200r/min
產品主軸轉速100r/min
磨削進給速度：0.002mm/min(精磨)；0.02mm/min(粗磨)
加工材料：氧化鋯（ZrO2）
產品磨削面積：3500平方毫米（吸盤直徑125毫米），產品規(guī)格：直徑2.5毫米，長度10.5毫米。
砂輪：端面金剛石砂輪（精磨、粗磨兩種）
磨削精度：產品長度10.5±0.005
操作基本要求：產品經人工裝上吸盤后，設備自動完成磨削并停機，等待下一次磨削。
（二）課題設計途徑與方法：
1、了解氧化鋯及其用途，常用的加工方法。（了解加工對象：陶瓷插芯）
2、了解常用主軸的性能特點、種類、及加工方法、熱處理方法（加工工藝方法）。
3、了解金剛石砂輪的特點與加工性能。
4、了解端面磨削基本結構。（總體構思與布局）
5、軸承種類與形式、選用、特點及計算。
6、受力分析、與計算。
7、設計繪圖。
8、設計研討會，改進設計。
9、編號設計計算書，工藝文件等。（計算）
10、綜述、參考索引、編制。
第二章 主軸組件設計
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(xiàn)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(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。
（1） 抵抗受迫振動的能力
主軸組件受迫振動的干擾力，主要包括由于主軸上旋轉零件（主軸、傳動件和所裝的工件或刀具等）的偏心質量而產生的離心力，傳動件運動速度不均勻而產生的慣性力，以及斷續(xù)切削產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，而在加工表面上留下振紋，使工件表面粗糙度提高。
根據(jù)所設計的機床加工表面粗糙度的要求，確定主軸前端的允許振幅，然后計算或測定主軸組件在各種動態(tài)干擾力的作用下，其前端的振幅，并同允許值比較，評價是否滿足要求。在單獨分析主軸組件時，只能求得主軸前端在切削部位的絕對振幅，它只能部分地反映刀具和工件之間的相對振幅。兩者關系與激振頻率有關，目前主要由試驗來確定。此外，主軸組件的低階固有頻率與振型也是其抗振性的評價指標。一般來說，低階固有頻率應高些，并遠離激振頻率；主軸振型的節(jié)點應靠近切削部位。
（2） 抵抗切削自激振動的能力
金屬切削加工時，雖然沒有外界動態(tài)干擾力的作用，但由于機床—工件—刀具彈性系統(tǒng)振動對切削過程的反饋作用，刀具與工件之間發(fā)生了周期性的強烈的相對振動，稱為切削自激振動，簡稱為顫振。
顫振將使加工表面質量惡化，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，所以機床的切削用量極限往往不是由機床的功率來決定，而是由加工時發(fā)生顫振的條件來決定。
機床切削時，從沒有顫振到顫振的產生之間存在著明顯的界限，這個界限即是穩(wěn)定性的極限，或稱為機床穩(wěn)定性的條件。對現(xiàn)有機床的試驗表明，切削自振頻率往往接近于主軸組件彎曲振動的低階固有頻率。即主軸組件是顫振的主振部分，它的低階彎曲振動模態(tài)是決定機床抵抗切削自振能力的主要模態(tài)。因此，在單獨分析主軸組件時，可以認為主軸前端在切削部位激振點動柔度（在主振方向）的最大負實部，反映了主軸組件抵抗切削自振的能力。
對于粗加工機床，切削寬度大，切削自振的可能性大，但加工表面質量要求不高，可主要考慮不產生顫振的條件。對于精密機床，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的能力。對于高速機床，因為激振力的頻率和幅值均隨著轉速提高而劇增，受迫振動和自激振動都比較突出。因此，在設計和評價高速機床時，自激和受迫振動均應考慮。
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(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，軸承間隙及預緊力的大小，潤滑方式和散熱條件等。
目前，對各種類型機床連續(xù)運轉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。
2.1.6 其他
主軸組件除應保證上述基本要求外，還應滿足下列要求：
（1）主軸的定位可靠。主軸在切削力和傳動力的作用下，應有可靠的徑向和軸向定位，使主軸在工作時受到的切削力和傳動力通過軸承可靠地傳至箱體等基礎零件上。
（2）主軸前端結構應保證工件或刀具裝卡可靠，并有足夠的定位精度。
（3）結構工藝好。在保證好用的基礎上，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(jù)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：
2.2.1 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。可在無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(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(tǒng)的壽命有限
2.2.2 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。
例如，當軸向載荷較大，而轉速不高時，可采用推力球軸承；反之，當轉速較高，而軸向載荷不大時，可采用角接觸球軸承；如果轉速較高，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，而轉速較高，則可采用向心推力球軸承。
2.2.3 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。
2.2.4 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。
2.2.5 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。例如，在能夠滿足要求的情況下，一般采用已經標準化、系列化，且大批量生產的滾動軸承較為經濟，但對于一些大型、重型機床的主軸組件，當沒有標準的大型號滾動軸承時，可采用動壓軸承或靜壓軸承。
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(shù)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(shù)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。
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、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(shù)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(shù)
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。
2.5.1 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。
2.5.2 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 主軸組件的計算
主軸組件的結構參數(shù)主要包括：主軸的平均直徑D（初選時常用主軸前軸頸的直徑D來表示）；主軸內孔直徑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)機床主電機功率或機床的主參數(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)主軸前端部結構形狀和前支承的結構型式來確定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，對主要結構參數(shù)的確定很有關系，故在設計過程中常需交叉進行，最終以主軸組件剛度等性能來衡量其設計的合理性。
2.6.1 主軸直徑的選擇（含電動機：功率計算、扭矩）
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(jù)傳遞功率，并參考現(xiàn)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，機床類型是磨床，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(jù)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
主軸轉矩：T1=9550×103×P1/n1=31.8 N·m
表 大批生產砂輪主軸工藝過程
序號
工序名稱
工序內容
定位基準
設備
1
備料
?
?
?
2
鍛造
模鍛
?
立式精鍛機
3
熱處理
正火
?
?
4
鋸頭
?
?
?
5
銑端面鉆中心孔
?
毛坯外圓
中心孔機床
6
粗車外圓
?
頂尖孔
多刀半自動車床
7
熱處理
調質
?
?
8
車大端各部
車大端外圓、短錐、端面及臺階
頂尖孔
臥式車床
9
車小端各部
仿形車小端各部外圓
頂尖孔
仿形車床
10
鉆孔
鉆大頭端面各孔
大端內錐孔
搖臂鉆床
11
熱處理
局部高頻淬火
?
高頻淬火設備
12
精車外圓
精車各外圓并切槽、倒角
錐堵頂尖孔
數(shù)控車床
13
粗磨外圓
粗磨?40、?45外圓
錐堵頂尖孔
組合外圓磨床
14
銑鍵槽
銑8f9鍵槽
?80h5及M115mm外圓
立式銑床
15
車螺紋
車三處螺紋（與螺母配車）
錐堵頂尖孔
臥式車床
15
精磨外圓
精磨各外圓
錐堵頂尖孔
外圓磨床
17
鉗工
端面孔去銳邊倒角，去毛刺
?
?
18
檢驗
按圖樣要求全部檢驗
專用檢具
2.6.2 主軸前后支承軸承的選擇
（1） 主軸前支承軸承的選擇
根據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)如圖2-5所示：
（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(shù)如圖2-6所示：
2.6.3 主軸內孔直徑
該磨床用于銑削加工，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。
圖2-5 推力球軸承（GB301-84）結構參數(shù)及安裝尺寸
圖2-6 圓柱滾子軸承（GB283-87）結構參數(shù)及安裝尺寸
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(jù)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
考慮到此磨床主軸為磨削主軸，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 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
1.25～3
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
>3
根據(jù)上表所列，所設計的磨床屬于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(jù)此次設計的磨床剛性主軸的懸伸量較大，取L≤3a為宜。即此次設計的主軸兩支承的合理跨距
L≤3a=2.5×120=360
初取L=360。
2.7 主軸結構圖
根據(jù)以上的分析計算，可初步得出主軸的結構如圖2-7所示：
2.8 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。
2.8.1 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，一般計算主軸端部最大撓度。
(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，
圖2-8 主軸組件簡化為簡支梁
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2-9 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) 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(jù)圖2-10，可得此時的最大撓度
=-
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
(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(jù)圖2-10，可得此時的最大傾角
=-
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《磨床設計》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(shù)據(jù)和代入，即可得：
初步設計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。
加潤滑脂時，應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┩饬鳎斐衫速M，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。
(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組件及傳動部件中泄漏，從而避免浪費，保護工作環(huán)境，防止冷卻液及雜物（如灰塵、臟物、水氣和切屑等）從外面進入部件內，以減少機床零件的腐蝕及磨損，延長其使用壽命。
(2) 對主軸組件密封裝置的要求
對主軸組件密封裝置的要求是：在一定的壓力、溫度范圍內具有良好的密封性能；由密封裝置所形成的摩擦力應盡量小，摩擦系數(shù)應盡量穩(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補償；結構簡單、裝卸方便。對具體的主軸組件及傳動部件，應根據(jù)實際情況選擇有效而又經濟密封裝置。
(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。
(4) 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，為了更好地防止外界的灰塵屑末等雜物進入，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(shù)如下圖2-11所示：
圖2-11 迷宮式密封裝置的結構參數(shù)
其中，
d=80，D=130，e=1
2.10 主軸組件中相關部件
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(shù)如下圖2-12所示：
圖2-12 軸肩擋圈的結構參數(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準件，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(shù)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
結論
我綜合運用專業(yè)課程和技術基礎課程的基本知識，結合生產實際來進行分析，解決實際工程中的問題，完成了銑削磨床及主軸組件的設計。這次設計，讓我掌握了設計金屬切削機床的基本程序和方法；鞏固、深化和擴展了我對所學的專業(yè)課程和技術基礎課程的知識，樹立了我正確的工程設計思想；培養(yǎng)了我查閱和使用標準、規(guī)范、手冊、圖冊及相關技術資料的能力以及計算、繪圖、數(shù)據(jù)處理、計算機輔助設計等方面的能力。
參 考 文 獻
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[17] 黃鶴汀.機械制造裝備(第1版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004年7月
致 謝
時間過的真快，馬上就要到畢業(yè)的時候了，離開學校的日子已經不遠，畢業(yè)論文的完成也隨之進入了尾聲。能完成這篇論文首先要感謝我的指導老師老師，在我的論文毫無頭緒的時候是他給了我很多的參考意見，耐心的給我做分析，才使我能順利的完成論文。為了指導我們的畢業(yè)論文，他放棄了自己的休息時間，這種無私奉獻的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向他表示我誠摯的謝意。同時，感謝所有任課老師和所有同學在這來給自己的指導和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學習，教會了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下！
回顧這大學生活，讓我學到了專業(yè)的知識，實踐讓我懂得理論與時間的差別，在工廠實習這些時間，讓我更懂得專業(yè)知識的重要性，再次感謝老師們這幾年以來的精心栽培，你們不僅僅讓我學到了知識，更多的是讓我明白了做人的道理，你們的點點滴滴的栽培，在我們困難的時候伸出雙手，成我們的保護傘，讓我們失落傷心的時候有個安穩(wěn)的角落。
通過實踐的鍛煉，讓我這個對社會了解很少的大學生，逐步的學會了成熟，學會了與人相處的道理，最后感謝我的母校。