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粗鏜連桿大頭孔專用鏜床總體及鏜削頭設計
摘 要:本課題設計一臺雙面臥式專用鏜床。該組合機床設計的內(nèi)容主要包括總體設計和部件設計兩部分?？傮w設計：本鏜床用于粗鏜加工連桿大頭孔，一個工作循環(huán)可同時粗加工兩個連桿的四個孔。根據(jù)工藝和加工的需要，兩兩并排設計4個專用的鏜削頭。為了使主軸軸承結構具有剛度好、精度高及調(diào)整簡單的特點，選擇了1TAb25的鏜削頭。但為了使1TAb25的鏜削頭能夠在本專用鏜床上使用，故將部分結構進行了改進設計。在專用鏜床的設計中，完成了專用鏜削頭的總裝配圖和零件圖的設計。為保證主軸的剛度與精度，在對主軸進行了校核計算。主軸中設計了兩個錐度為1：12的的軸段用于安裝支承和固定圓柱滾子軸承，由于鏜削頭的精度要求很高，在軸承處使用了鎖緊螺母進行軸向固定。此外，還進行了主軸配套軸承的選用和校核。
此次設計的組合機床，結構簡單、維護方便，盡量使用了通用零部件來降低制造成本，達到了設計的要求。
關鍵字：鏜削頭；組合機床；連桿；鏜孔
Overall and boring design of machine tool for boring connecting bar
Abstract: This topic is to design a special double-sided horizontal boring lathe. The design of modular machine mainly includes overall design and part design. Overall design: this boring machine that I design is used to process big hole of Linkage, meanwhile, it also can process four hole of two linkage in a work cycle. According to the needs of technology and processing, we should design four special boring head which is two side by two side. Besides, I select 1TAb25 boring head in order to make the structure of spindle’s bearing having better stiffness, high precision, and simple adjustment as well. But in order to making 1TAb25boring head can be used in this special boring machine, I improved and designed some parts of it’s structure. During the design of special boring machine, I completed the design of overall assembly and parts assembly, moreover, I check and calculate spindle to guarantee stiffness and accuracy. I design two axis which taper is 1:12 to install bearing and fix bearing of cylindrical roller, I used locking nut to fix the direction of bearing owing to the reason of boring head’s high precision. In addition, I select and check matching bearing as well.
Modular Machine that I design not only have many advantages such as simple structure, easy maintenance. But also meet the design requirements , also I make full use of General parts to reduce the cost of manufacture in the same time.
Key words: Exclusive Boring; Modular Machine; Linkage; Boring hole
本科生畢業(yè)設計說明書 2007
目 錄
1 前 言 1
2 總體設計 3
2.1工藝方案的擬訂 3
2.2 切削用量的確定 3
2.3計算切削力、切削扭矩及切削功率 4
2.3“三圖一卡”的設計 6
2.3.1被加工零件工序圖 6
2.3.2 加工示意圖 8
2.3.3 機床聯(lián)系尺寸圖 9
2.3.4 機床生產(chǎn)率計算卡 9
3 專用鏜削頭設計 13
3.1鏜刀的選用 13
3.2 軸的設計 13
3.2.1軸的結構工藝 13
3.2.2主軸的選用 14
3.2.3 主軸的強度校核計算 17
3.3主軸密封裝置的選用 18
3.4 軸端連接方式 19
3.5 主軸支承軸承的選用 20
3.5.1主軸支承軸承選用 20
3.5.2 主軸軸承的壽命計算 21
4 設計小結 24
參 考 文 獻 25
致 謝 26
附 錄 27
1 前 言
在機械制造中，對單件或小批量生產(chǎn)的工件，許多工廠采用通用機床加工。由于通用機床要適應被加工零件形狀和尺寸的要求，故機床結構一般比較復雜。不僅如此，在實際加工中，由于只能單人單機操作，一道一道工序地完成，所以工人的勞動強度大、生產(chǎn)率低，工件的加工質量也不穩(wěn)定。
針對以上的問題，組合機床便出現(xiàn)并逐步發(fā)展起來。組合機床是根據(jù)加工需要，以大量通用部件為基礎，配以少量專用部件組成一種高效組合機床。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法，生產(chǎn)效率比通用機床高幾倍至幾十倍。
組合機床一般用于加工箱體類或特殊形式的零件。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(xiàn)各種加工。組合機床的設計，目前基本上有兩種方式：第一，是根據(jù)具體加工對象的特征進行專門設計，這是當前最普遍也是最實用的做法。第二，隨著組合機床在我國機械行業(yè)的廣泛使用，廣大工人和技術人員總結出生產(chǎn)和使用組合機床的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)組合機床不僅在其組成部件方面有共性，可設計成通用部件，而且一些行業(yè)在完成一定工藝范圍內(nèi)的組合機床是極其相似的，有可能設計成通用部件，這種機床稱為“專用組合機床”。這種組合機床不需要每次按具體對象進行專門設計和生產(chǎn)，而是設計成通用品種，組織成批量生產(chǎn)，然后按被加工零件的具體需要，配以簡單的夾具和刀具，即可組成加工一定對象的高效率設備。
該課題是粗鏜連桿大頭孔專用鏜床總體及鏜削頭設計。該課題來源于高精公司。在進行組合機床的鏜削頭設計時，首先需要對被加工零件的分布情況及所要達到的要求進行分析，如各加工部件尺寸、材料、形狀、硬度及加工精度和表面粗糙度等內(nèi)容。然后還要深入基層進行實地觀察，弄清鏜削頭的工作原理，體會組合機床的優(yōu)點。接下來是總體方案的設計，總體方案設計的具體工作是編制“三圖一卡”，即繪制被加工零件工序圖，加工的示意圖，機床聯(lián)系尺寸圖，編制生產(chǎn)率計算卡；設計出的鏜床要在確保加工效率和精度的情況下大批量的生產(chǎn)。最后，就是部件設計。部件設計就是根據(jù)總體設計已經(jīng)確定的“三圖一卡”，設計夾具、鏜削頭等專用部件正式總圖；設計并繪制各個專用部件的圖樣，編制各零件的明細表。按要求設計出的鏜床要在確保加工效率和精度的情況下大批量的生產(chǎn)。
設計的整個過程是艱辛的，在設計過程中必須要考慮到方方面面的問題。由于所學知識有限，因此在設計過程中查閱了大量的相關資料，以補充自己的不足之處。
首先，要有豐富的實踐經(jīng)驗。整個設計，僅靠一些參考資料是遠遠不夠的。因此，在設計工作開始前，特地到江淮動力股份有限公司、鹽城市恒力集團、高精機電裝備有限公司等進行了實地的參觀考察，積累了一些寶貴經(jīng)驗。其次，運用四年來所學的專業(yè)知識，針對現(xiàn)實中遇到的實際情況，做到舉一反三，觸類旁通。整個設計過程不僅涉及到以前所學的知識，而且還設計到新的理念，所以我在設計過程中一邊溫習以前所學的知識，一邊學習新的知識，這樣拓寬了我的視眼。
第三，通過自身的努力，結合理論和實際，從合理性、經(jīng)濟性、工藝性、實用性及其對被加工零件的具體要求對現(xiàn)有機床進行研究分析，找出可以進行改進的地方，通過相互對比，確定一個新的，周全的設計方案。在邢青松老師的悉心指導下，在同課題組三位同學相互討論學習和幫助下，經(jīng)過三個多月的艱辛勞動，終于完成了這一設計課題。
2 總體設計
2.1工藝方案的擬訂
工藝方案的擬訂是組合機床設計的關鍵一步。因為工藝方案在很大程度上解決了組合機床的結構配置和使用性能。因此，應根據(jù)工件的加工要求和特點，按一定的原則、結合組合機床常用工藝方法、充分考慮各種影響因素，并經(jīng)技術經(jīng)濟分析后擬訂出先進、合理、經(jīng)濟、可靠的工藝方案。
確定組合機床工藝方案的基本原則：
a).粗精加工分開原則
粗加工時的切削負荷較大，切削產(chǎn)生的熱變形、切削力引起的工件變形以及切削振動等，對加工十分不利，影響加工尺寸精度和表面粗糙度。因此，在擬定工件一個連續(xù)的多工序過程時，應選擇粗精加工分開的原則。
b).工序集中原則
適當考慮相同類型工序的集中，在條件允許時，把相同的工序集中在一臺機床或同一工位上進行加工能簡化循環(huán)和結構；有相對位置要求的工序應集中加工，對于相互間有嚴格的位置精度的孔的精加工應集中在一臺機床上一次安裝下完成，并且孔的粗精加工最好集中在一臺機床上完成，這樣可以使精加工余量分布均勻，更利于保證加工精度。
2.2 切削用量的確定
在組合機床工藝方案確定過程中，工藝方法和關鍵工藝的切削用量選擇十分重要。切削用量選擇是否合理，對組合機床的加工精度、生產(chǎn)率、刀具耐用度、機床的結構型式及工作可靠性均有較大的影響。
進給量按復合刀具中最小直徑的單個刀具選擇。在選擇進給量時，除了考慮被加工工件要求的表面粗糙度外，還應考慮直徑最小或切削深度最大的那把單個刀具的強度。切削速度按復合刀具中最大直徑的單個刀具選擇?？砂吹毒哳A定的耐用度選取或計算。切削用量的選擇要保證最高精度孔或外圓的精度以及表面粗糙度的要求，并考慮各單個刀具的特點。
合理地選擇切削用量，即確定合理的切削速度和工作進給量，能使組合機床以最少的停車損失，最高的生產(chǎn)效率，最長的刀具壽命和最好的加工質量也就是多、快、好、省地進行生產(chǎn)。
查文獻資料[1]第35頁得：
表2-1孔加工常用工序間余量
加工工序
加工孔徑
直徑上工序間余量
鉸孔
10-20
0.10-0.20
半精鏜
10-20
0.07-0.12
精鏜
30-130
0.25-0.40
本工序為：粗鏜連桿大頭孔（）
采用硬質合金刀具, 。
切削速度的確定：
根據(jù)以上的查表，選擇， 由公式
(2-1)
Vc：為切削速度，單位m/min。
得：
2.3計算切削力、切削扭矩及切削功率
根據(jù)選定的切削用量（主要指切削速度及進給量），確定進給力，作為選擇動力滑臺及設計夾具的依據(jù)；確定切削轉矩，用以確定主軸及其傳動部件的尺寸；確定切削功率，用作選擇主傳動電機（指動力箱電機）功率。
根據(jù)[1]表6-20組合機床切削用量計算圖中推薦的切削力、轉矩及功P(KW)率公式查出采用硬質合金刀具鏜孔的切削力、切削轉矩T(N/mm)和功率（缸體材料為灰鑄鐵）的計算公式如下：
切削力 （2-2）
（2-3）
轉矩 （2-4）
功率 （2-5）
公式中：—切削速度（）；—進給量（）； —切削深度（）；
—加工直徑（）；—圓周力（N）；—軸向切削力（N）；
—布氏硬度：； （2-6）
在本設計中，，，代入公式（2-6）得
D=φ60， 所以取
4
根據(jù)此轉速及主電機功率可以選取1NGb25A-ITB 傳動裝置。
A.工作進給長度LI的確定
工作進給長度LI應等于加工部位長度L（多軸加工時應按最長孔計算）與刀具切入長度L1和切出長度L2之和。
（2-7）
切入長度一般為5～10mm，根據(jù)工件端面的誤差情況確定。
根據(jù)文獻資料[1]切出長度由表1-2查得，如下表所示
表2-2 切出長度L2的確定
工序名稱
鉸孔
鏜孔
切出長度
10～15
5～10
排氣孔的工進長度的確定：本設計中鏜孔切入長度L1取5mm，切出長度為7mm，所以；
B.快速引進長度的確定
快速引進是指動力部件把刀具送到工作進給位置，其長度按具體情況確定。本設計快速引進長度為253mm。
C.快速退回長度的確定
快速退回的長度等于快速引進和工作進給長度之和。由已確定的快速引 進和工作進給長度可知，快速退回長度分別為300mm。
D.動力部件總行程的確定
動力部件的總行程除了滿足工作循環(huán)向前和向后所需的行程外，還要考慮因刀具磨損（即前備量）和刀具裝卸以及刀具從接桿連同刀具一起從主軸中取出時，動力部件需后退的距離（刀具退離夾具導套外端面的距離應大于接桿接入主軸孔或刀具接入接桿孔內(nèi)的長度即后備量）。因此，動力部件的總行程為快退行程與前后備量之和。
本設計中采用兩機械滑臺的前備量取40mm，后備量取60mm。即總行程：
（2-8）
圖2-1動力部件切削循環(huán)行程
2.3“三圖一卡”的設計
繪制組合機床“三圖一卡”，就是針對具體零件，在選定的工藝和結構方案的基礎上，進行組合機床總體方案圖樣文件設計。其內(nèi)容包括：繪制被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸總圖和編制生產(chǎn)率計算卡。
2.3.1被加工零件工序圖
被加工零件工序圖是根據(jù)制定的工藝方案，表示所設計的組合機床(或自動線)上完成的工藝內(nèi)容,加工部位的尺寸精度，表面粗糙度及技術要求，加工用的定位基準,夾壓部件以及被加工零件的材料，硬度和本機床的前加工余量,毛坯或半成品情況的圖樣。除了設計研制合同外，它是組合機床設計的具體依據(jù)，也是制造、使用,調(diào)整和檢驗機床精度的重要文件，是在被加工零件圖基礎上，突出本機床的加工內(nèi)容，并作必要的說明而繪制的。
被加工零件工序圖主要內(nèi)容包括：
a) 被加工零件的形狀和主要輪廓尺寸以及與本工序機床設計有關部位結構形狀和尺寸。
b) 本工序所選用的定位基準、夾壓部位及夾緊方向。
c) 本工序加工表面尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技術要求以及對上道工序的技術要求。
d) 注明被加工零件的名稱、編號、材料、硬度以及加工部位的余量。
被加工工序圖如圖所示：
圖2-2被加工零件工序圖
繪制被加工零件工序圖的規(guī)定及注意事項：
A. 繪制被加工零件工序圖應按一定的比例，繪制足夠的視圖以及剖面；本工序加工部位用粗實線表示；定位用定位基準符號表示，并用下標數(shù)表明消除自由度符號；夾緊用夾緊符號表示；輔助支撐用支撐符號表示。
B.繪制被加工零件圖應注意事項：
a．本工序加工部位的位置尺寸應與定位基準直接發(fā)生關系。
b．對工件毛坯應有要求，對孔的加工余量要認真分析。
c．當本工序有特殊要求時必須注明。被加工零件工序圖如圖2-2所示。
名稱及編號:連桿YSD90Q 04201-4
材料及硬度: 42CrMo 223-280HBS
圖中符號：
—夾緊方向 —定位基準
2.3.2 加工示意圖
圖2-3被加工零件示意圖
加工示意圖是在工藝方案和機床總體方案初步確定的基礎上繪制的。是表示表達工藝方案具體內(nèi)容的機床工藝方案圖。它是設計刀具、輔具、夾具、多軸箱和液壓、電氣系統(tǒng)以及選擇動力部件、繪制機床總聯(lián)系尺寸圖的主要依據(jù)；是對機床總體布局和性能的原始要求；也是調(diào)整機床和刀具所必需的重要技術文件。
加工示意圖應表達和標注的內(nèi)容有：機床的加工方法，切削用量。工作循環(huán)和工作行程；工件、刀具及向導、托架及多軸箱之間的相對位置及其聯(lián)系尺寸；主軸結構類型、尺寸及外伸長度；刀具類型、數(shù)量和結構尺寸（直徑和長度）；接桿（包括鏜桿）、浮動卡頭、導向裝置、攻螺紋靠模裝置等結構尺寸；刀具、導向套間的配合，大局、連桿、主軸之間的連接方式及配合尺寸等。如上圖的機床加工示意圖。
加工示意圖應繪制成展開圖。按比例用細實線畫出工件外形。加工部位、加工表面畫粗實線。必需使工件和加工方位與機床布局相吻合。為簡化設計，同一多軸箱上結構于尺寸完全相同的主軸（即加工表面，所用刀具及導向、主軸及連桿等規(guī)格尺寸、精度完全相同時）只畫一根，但必須在主軸上標注于工件孔號相對應的軸號。一般主軸的分布不受真實距離的限制。當主軸彼此間很近或需設置結構尺寸較大的導向裝置時，必須以實際中心距嚴格按比例畫，以便檢查相鄰主軸、刀具、輔具、導向等是否相互干涉。主軸應從多軸箱端面畫起；刀具畫加工終了位置（攻螺紋應畫在加工開始位置）。對采用浮動卡頭的鏜孔刀桿，為避免刀桿退出導向后下垂，應選用托架支撐退出的刀桿。這時必須畫出托架并標出聯(lián)系尺寸。采用標準通用結構（刀具、接桿、浮動卡頭、攻螺紋靠模及絲錐卡頭、通用多軸箱外伸出部分等）只畫外輪廓，但須加注規(guī)格代號；對一些專用結構，如專用的刀具、導向、刀桿托架、專用接桿或浮動卡頭等，必須用剖視圖表示其結構，并標注尺寸、配合精度。
2.3.3 機床聯(lián)系尺寸圖
機床聯(lián)系尺寸圖是以被加工零件工序圖和加工示意圖為依據(jù)，并按初步選定的主要通用部件以及確定的專用部件的總體結構而繪制的。它是用來表示機床的配置型式和布局，用以檢驗各主要部件相對位置聯(lián)系尺寸能否滿足加工要求和通用部件選擇是否合適；它為多軸箱、夾具等專用部件設計提供重要依據(jù)；它可以看成是機床總體外觀簡圖。
機床聯(lián)系尺寸圖表示的內(nèi)容：
a）表明機床的配置型式和總布局。
b）完整齊全地反映各部件間的主要裝配關系和聯(lián)系尺寸、專用部件的主要輪廓尺寸、運動部件的運動極限位置及各滑臺工作循環(huán)總的工作行程和前后行程備量尺寸。
c）標注主要通用部件的規(guī)格代號和電動機的型號、功率及轉速，并標注機床分組編號及組件名稱。
d）標明機床驗收標準及安裝規(guī)程。
圖2-4機床聯(lián)系尺寸圖
2.3.4 機床生產(chǎn)率計算卡
生產(chǎn)率計算卡是反映機床生產(chǎn)節(jié)拍或實際生產(chǎn)率和切削量、動作時間、生產(chǎn)綱領及負荷率等關系的技術文件。它是用戶驗收機床生產(chǎn)效率的重要依據(jù)。
a) 理想生產(chǎn)率Q
理想生產(chǎn)率Q是指完成年生產(chǎn)綱領A所要求的機床生產(chǎn)率。它與全年工時總數(shù)有關。根據(jù)文獻資料[1]第51頁得：
（2-9）
公式中：A—年生產(chǎn)綱領（件），本課題中為280000件；
—全年工時總數(shù)，本課題以單班制計算，
則
b) 實際生產(chǎn)率
實際生產(chǎn)率是指所設計的機床每小時實際可生產(chǎn)的零件數(shù)量。
即公式：
（2-10） （2-11）
本設計中，，，，，，，
則=7.5+2.53+28.2+3+7.5=48.73s =24.4s
因為本設計是雙刀2個工件同時加工
則
式中：
L1、L2——分別為刀具第Ⅰ、第Ⅱ工作進給長度，單位為mm；
Vf1 、Vf2——分別為刀具第Ⅰ、第Ⅱ工作進給量，單位為mm/min；
——當加工沉孔、止口、倒角、光整表面時，滑臺在死擋鐵上的停留時間，通常指刀具在加工終了時無進給狀態(tài)下旋轉5～10轉所需的時間，單位為min；
——分別為動力部件快進、快退行程長度，單位為mm；
Vfk——動力部件快速行程長度用機械動力部件時取5～6m/min；用液壓動力部件時取3～10m/min；
—直線移動或回轉工作臺進行一次工位轉換時間，一般取0.1min；
——工件裝、卸（包括定位或撤消定位、夾緊或松開、清理基面或切屑及吊運工件等）時間它取決于裝卸自動化程度、工件重量大小、裝卸是否方便及工人的熟練程度。通常取0.5～1.5min。
c) 機床負荷率
機床負荷率為理想生產(chǎn)率與實際生產(chǎn)率之比。即文獻資料[1] P52 公式
(2-12)
則 =119.15/147.5=0.808=80.8%
當Q1>Q時，機床負荷率為二者之比。組合機床負荷率一般為0.75～0.90，自動線負荷率為0.6-0.7。對于精密度較高、自動化程度高或多品種組合機床，宜適當降低負荷率。本機床負荷率適中。機床負荷率為理想生產(chǎn)率與實際生產(chǎn)率之比。
組合機床生產(chǎn)率計算卡如表3-1所示。
表2-3生產(chǎn)率計算卡
被加工零件
圖號
YSD490Q
毛坯種類
鑄件
名稱
連桿
毛坯重量
材料
42CrMo
硬度
223-280HB
工序名稱
粗鏜連桿大頭孔
工序號
序號
工步
名稱
被加工零件數(shù)量
加工直徑(mm)
加工長度(mm)
工作行程(mm)
切削速度(mm/min)
每分鐘轉速(r/min)
進給量(mm/r)
進給速度(mm/min)
工時(min)
1
安裝工件及夾緊工件
2
7.5
2
HJ59B機械滑臺快進至工位1TA25鏜削頭啟動
253
6000
2.53
2.53
3
HJ50B機械滑臺工進
47
100
28.2
28.2
4
HJ50B機械滑臺快退至原位1TA25鏜削頭停止
300
6000
3
3
5
卸工件
7.5
備注
裝卸工作時間取決于操作者熟練程度,本機床裝卸時間為15秒。
總計
48.73秒
單件工時
24.4秒
機床生產(chǎn)率
147.54件/h
機床負荷率
82.51%
3 專用鏜削頭設計
鏜削頭是組合機床通用的部件，其以良好的性能廣泛用于組合機床及自動線。鏜削頭可與同規(guī)格的機械或液壓滑臺配套使用，組成立式或臥式組合機床，具有靈活配置的特點：主要配置成頂置式，也可配置成尾置和側置式，有高、低兩組轉速，通過交換齒輪或皮帶輪變速。配置齒輪傳動裝置的鏜削頭適用于各種材料工件的粗、精鏜孔；配置皮帶傳動裝置的鏜削頭適用于各種材料工件的半精、精加工。為了保證粗鏜連桿大頭孔的尺寸精度和位置精度要求，而一般鏜削頭不能滿足要求，故需要設計一臺用專用鏜削頭的組合機床。
3.1鏜刀的選用
本課程是設計一臺雙面臥式專用鏜床，由于普通的鏜削頭不能很好地滿足加工的要求，故設計一臺專用的鏜削頭。根據(jù)設計要求要鏜的孔，根據(jù)[2]第86頁對鏜刀進行加工具有以下特點：
a.刀具幾何參數(shù)和切削性能穩(wěn)定，定位精度和重復精度較高，保證刀尖位置變化在工件精度允范圍內(nèi)以及加工精度的一致性。
b.刀桿轉位方便、快捷，并可反復使用，使用壽命長，可減少庫存量，簡化刀具管理。
c．可轉位車刀片選用 刀片，可保證切削過程中自動卷屑及曲線加工的平穩(wěn)性，且易于實現(xiàn)刀具標準化、系列化，適合自動化生產(chǎn)中的切削。
刀具設計考慮的問題：
a. 選用刀具的類型；
b. 刀具材料；
c. 刀具合理幾何角度；
d. 刀具結構參數(shù)；
e. 計算刀具的輪廓；
f. 制定合理的技術要求
g. 刀具的制造工藝和檢驗方法
根據(jù)以上特點材料選用階梯式雙頭鏜刀。
3.2 軸的設計
3.2.1軸的結構工藝
軸的結構決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯、制造和裝配工藝、以及運輸、安裝等條件。軸的結構，應使軸受力合理，避免或減輕應力集中，良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝卸方便。對于要求剛度大的軸，還應從結構上考慮減小軸的變形。
軸上零件的周向固定，可采用鍵、花鍵、過盈配合、圓銷等。軸上零件的軸向固定，常用軸肩、軸環(huán)、螺母、軸端擋圈、套筒、圓錐面、鎖緊擋圈、緊定螺釘、彈性擋圈等。過盈配合和圓銷也可兼作軸向固定。
軸的截面變化處（如軸肩、鍵槽、環(huán)槽等），會產(chǎn)生應力集中，使多數(shù)軸產(chǎn)生疲勞破壞部位。為了保證軸的疲勞強度，軸肩處的過渡圓角半徑不應過小。如此圓角半徑受軸肩限制，則可改變凹切圓角或過渡肩環(huán)。
軸上不同部位的鍵槽應開在同一母線上，以利加工。同時，應注意不要開到圓角或過盈配合的邊緣處，以避免應力集中過大。
3.2.2主軸的選用
本設計為剛性主軸。設計剛性主軸的主要內(nèi)容之一是選擇主軸參數(shù)。主軸參數(shù)確定的正確是否，對主軸的剛性將有很大的影響。
A.主軸的主要參數(shù)
參考[3]第86頁確定基本參數(shù)
圖3-1主軸大致結構圖
D—主軸平均外徑；
L—主軸支承距；
a—主軸的懸伸長；
d—空心主軸的內(nèi)孔直徑；
L/a—主軸的懸伸比；
d/D—主軸直徑比。
B. 參數(shù)的確定
確定主軸的各個主要參數(shù)，通常是按照主軸的實際工作條件，參考有關經(jīng)驗數(shù)據(jù)從多方面進行分析比較來確定的。也可以借助于公式進行計算。
a) 主軸懸伸長a 在組合機床的剛性主軸設計中，主軸懸伸量的大小是由被加工零件的需要來確定的。
b) 支承距和主軸的懸伸比L/a 這個數(shù)值直接影響主軸的剛性，懸伸比選擇小，主軸受力后產(chǎn)生的撓度和支承處的傾角就會增大，影響主軸的工作性能。在一般結構允許的情況下，應適當?shù)募哟髴疑毂取?
通常推薦主軸的懸伸比。
c) 主軸的平均直徑D 主軸直徑D是決定主軸剛度的重要因素。在剛性主軸的設計中，確定主軸的直徑，還沒有一個成熟的方法。有的是按主軸傳遞的扭矩做初步估算的：
cm (3-1)
為確保剛度，再將估算出的主軸平均直徑根據(jù)推薦選用的剛度系數(shù)，按下式進行核算：
(千克/微米) (3-2)
式中 D—主軸平均外徑(cm)；
d—空心主軸內(nèi)孔直徑(cm)；
L—主軸支承間距離(cm)
剛度系數(shù)的值一般不低于25千克/微米，通常取。
d) 主軸內(nèi)孔直徑d 在有些剛性主軸的設計中，主軸常采用空心的，主軸內(nèi)孔直徑d應選擇適當，否則會影響主軸的剛度。通常推薦主軸的直徑比：
(3-3)
查[1]表3-4可得：
(3-4)
(3-5)
試中 d—軸的直徑（mm）
T—軸所傳遞的轉矩（Nm）]
--軸的抗扭截面模數(shù)（）。實心軸的
--許用剪切應力（）45鋼的
B—系數(shù)。當材料的剪切彈性模數(shù)時，B值如下
1
B
7.3
6.2
5.2
注：允許扭轉角的適用對象，推薦如下：
剛性主軸，取；非剛性主軸，??；傳動軸，取。
本設計軸為剛性軸：
查[1]中表3-4可確定
根據(jù)上表，主軸前軸承軸徑(mm)，取階梯軸的設計應注意以下問題：
a) 配合性質不同的表面，直徑應有所不同。
b) 加工精度、粗糙度不同的表面，一般直徑亦有所不同。
c) 與軸承配合的軸頸必須符合滾動軸承內(nèi)徑的標準系列。
d) 各軸段的長度決定于軸上零件的寬度和零件固定的可靠性。軸頸的長度通常于軸承的寬度相同。
根據(jù)以上計算結合參考資料[1]第107頁可以確定主軸各段軸的長度尺寸：
根據(jù)以上要求得出軸的大致尺寸和形狀為：
圖3-2主軸外型
3.2.3 主軸的強度校核計算
按疲勞強度進行軸的校核計算
根據(jù)變應力的強度理論和實驗研究周的疲勞強度安全系數(shù)S的校核。公式如下：
（3-6）
公式中：—只考慮正應力作用時的安全系數(shù)；
—只考慮扭轉剪應力作用時的安全系數(shù)。
許用安全系數(shù)，其值根據(jù)實踐經(jīng)驗確定。對于延性材料，當載荷確定精確，對材料性能有把握時，?。划斴d荷確定不夠精確，材料性能不夠均勻時，取；當載荷確定不夠精確、材料性能均勻性差時，取。
確定危險截面：
危險截面應為主軸前軸承支承部分。
截面的強度校核：
該主軸為空心軸，抗彎、抗扭截面系數(shù)計算公式見參考文獻[4]表14-11
（3-7）
（3-8）
（3-9）
截面扭轉剪應力、彎曲正應力的應力幅
對于一般轉軸，彎曲正應力按對稱循環(huán)規(guī)律變化，故彎曲應力幅、平均應力分別為，。
在多數(shù)情況下，對于經(jīng)常正反轉，且扭矩軸相等的軸，當作對稱循環(huán)變化，即，。
（3-10）
（3-11）
平均應力
彎曲、扭轉極限疲勞強度由軸的材料特性所定。
彎曲、扭轉時的有效應力集中系數(shù)，參見[4]表14-5。
彎曲、扭轉時將平均應力折算成應力幅的等效系數(shù)（其值與材料有關，可從表[4]14-1中查出）
僅有彎曲正應力時的計算安全系數(shù)：
（3-12）
僅有扭轉剪應力時的計算安全系數(shù)：
（3-13）
彎扭聯(lián)合作用下的計算安全系數(shù)：
（3-14）
設計安全系數(shù)
疲勞強度安全系數(shù)校核
所以疲勞強度合格，該主軸符合要求。
3.3主軸密封裝置的選用
主軸前端密封裝置的選用
主軸前端密封裝置選用迷宮式密封裝置(見下表3-3)。迷宮式密封裝置利用轉動元件與固定元件間所構成的曲折而狹小的縫隙及縫隙內(nèi)充填的油脂達到密封目的，與其他密封配合使用，則密封效果會更好。迷宮式密封對油潤滑及脂潤滑都適用，對防塵和防漏也有較好的效果。
表3-3迷宮密封
軸徑d
10-50
50-80
80-110
110-180
e
0.2
0.3
0.4
0.5
f
1
1.5
2
2.5
根據(jù)表3-3得: d＝83mm；e＝0.4mm；f=2mm。
3.4 軸端連接方式
主軸軸端于同步帶輪的連接方式采用矩形花鍵連接（圖3-3所示）。然后，帶輪與花鍵不采用直接的連接方式，而是在花鍵上配上一個特制的花鍵套，并將帶輪安裝在花鍵套上。花鍵連接既可用于靜連接，也可用于動連接?！?
圖3-3矩形花鍵連接
矩形花鍵連接：圖3-3所示為矩形花鍵連接。鍵齒的兩側面為平面，形狀較為簡單，加工方便。花鍵通常要進行熱處理，表面硬度應高于40HRC。矩形花鍵連接的定心方式為小徑定心，外花鍵和內(nèi)花鍵的小徑為配合面。由于制造時軸和轂上的接合面都要經(jīng)過磨削，因此能消除熱處理引起的變形，具有定心精度高、定心穩(wěn)定性好、應力集中較小、承載能力較大的特點，故應用廣泛。
花鍵連接的強度計算：
花鍵連接的失效形式和強度計算的依據(jù)及方法，與平鍵連接基本相同?；ㄦI連接的受力如圖4-4所示。假設載荷在鍵齒的工作面上均勻分布，每個鍵齒的工作表面上的壓力的合力F作用在平均直徑處，則花鍵傳遞的轉矩。引入載荷不均勻系數(shù)K考慮實際載荷在各花鍵齒上分配不均的影響。由此可得花鍵連接的強度條件為
圖3-4 花鍵連接受力圖
（3-15）
公式中：—花鍵傳遞的轉矩，單位為N/mm；
—花鍵的工作長度，單位為；
—花鍵的齒數(shù)；
—載荷不均勻系數(shù)，取決于齒數(shù)，一般取，齒數(shù)多時取較小值；
—花鍵齒側面的工作高度，單位為，矩形花鍵；
—花鍵的平均直徑，單位為，矩形花鍵；
—花鍵連接的許用擠壓應力，單位為，（見表 3-4）；
—花鍵的許用壓強，單位為，（見表3-4）；
花鍵連接的零件多用強度極限不低于的鋼制造，一般需要熱處理，特別是在載荷作用下需要頻繁移動的花鍵齒，應通過熱處理獲得足夠的硬度以抵抗磨損?；ㄦI的許用擠壓應力、許用壓強見表
表3-4花鍵連接的許用擠壓應力和許用壓強
連接工作方式
使用和制造情況
齒面未經(jīng)熱處理
齒面經(jīng)過熱處理
動連接
（載荷下移動）
不良
3-10
中等
5-10
良好
10-20
注：1.同一情況下，或的較小值用于工作時間長和較重要的場合。
2.使用和制造情況不良的情況是指受變載荷、有雙向沖擊、振動頻率高和振幅大、潤滑不良（對動連接）、材料硬度較低或精度不高等。
3.5 主軸支承軸承的選用
3.5.1主軸支承軸承選用
主軸支承系統(tǒng)的剛度直接影響剛性主軸的工作。
主軸本身引起的變形占2/3以上，而支承部分引起的變形也占到了將近1/3，因此對支承系統(tǒng)的剛度應引起重視。主軸的支承通常采用：滑動軸承和滾動軸承兩種。
鑒于有以上兩種情況，我們對它們進行比較，選用有效、合理的支承方式。
滑動軸承特點：抗振性好、工作平穩(wěn)、徑向尺寸小，裝配、潤滑、密封等技術要求嚴格。
滾動軸承特點：軸承尺寸小、轉速高、壽命長，裝配密封和潤滑比較簡單，并可以直接選用。
鑒于組合機床的大負荷、高轉速和高精密的要求，主軸前端采用圓注滾子軸承和向心球軸承組合使用，后端為圓柱滾子軸承，前端固定，后端浮動。這樣可以承受兩個方面的軸向力。
軸承選用和配置形式對主軸剛度也有較大的影響。軸承本身的剛度除取決于軸承內(nèi)部結構、滾動體的數(shù)量與尺寸外，還取決于軸承的安裝精度以及軸承的軸向間隙與徑向間隙的調(diào)整。向心球軸承外徑留有間隙。根據(jù)[4]軸承部分得出下表：
表3-5圓注滾子軸承的性能
允許偏位角：
極限轉速比：
高
性能特點：
有也承受較大的徑向載荷。
適用場合：
便于安裝、拆卸和調(diào)整間隙的場合。
主軸軸承的預緊：鎖緊螺母作主軸軸承軸向限位，來保證螺母端面與軸心線有較高的垂直度。
3.5.2 主軸軸承的壽命計算
一般機械中運轉的滾動軸承的主要失效形式是滾動體和座圈滾道表面產(chǎn)生疲勞點蝕或疲勞剝落。所以，大多數(shù)滾動軸承的尺寸選擇應以保證滾動軸承在規(guī)定的使用期限內(nèi)不發(fā)生疲勞點蝕或疲勞剝落為計算依據(jù)。按照接觸疲勞強度計算亦即根據(jù)動態(tài)承載能力來選擇軸承的尺寸（型號）。
滾動軸承的動態(tài)承載能力計算就是保證運轉軸承在規(guī)定的使用壽命期限內(nèi)不發(fā)生超過規(guī)定概率的疲勞失效的前提下，通過計算，選擇出尺寸、型號合適的軸承；或在已知軸承尺寸、型號時，計算出不在發(fā)生超過允許疲勞失效概率的前提下軸承所具有的壽命（稱預測壽命）。因此，滾動軸承的動態(tài)承載能力計算是與軸承的壽命直接聯(lián)系的。
在機械設計時，滾動軸承的預期壽命可以根據(jù)機械的類型、工作條件等確定。一般要求軸承的使用壽命等于機械的使用壽命，這樣一來可以節(jié)省維修費用；但有時會使軸承尺寸過大，導致結構不合理。為了解決這一矛盾，常把滾動軸承的預期壽命定為機械的大修或中修的間隔期限，在預期的使用壽命到達時，利用大修或中修的機會來更換軸承。但規(guī)定過短的使用壽命也是不合理的，這將使機械經(jīng)常更換軸承，影響機械的正常工作，并增加維修費用。
參考[5]第193頁對圓柱滾子軸承進行壽命計算：
滾動軸承載荷與壽命的關系曲線如圖：
圖3-5軸承的載荷----壽命曲線
圖3-5中軸承的負荷—壽命曲線滿足關系：
（3-16）
式中： P—軸承所受的當量動負荷，單位為N；
--軸承的壽命指數(shù)，球軸承，滾子軸承
--軸承的基本額定壽命，單位為。
因時，P=C，故。同時考慮溫度及載荷特性對軸承壽命的影響，可推得
（3-17）
式中： --載荷系數(shù) --溫度系數(shù)
可參考[5]第194頁。
實際計算中習慣于用小時數(shù)表示壽命。設軸承的轉速為n，有可推得
（3-18）
如果當量載荷和轉速已知，預期壽命也已確定，則軸承所應具有的基本額定載荷根據(jù)上式得出
（3-19）
在本設計中向心球軸承所受的徑向力，軸向力，基本額定動載荷C=65000N,額定靜載荷= 200000N，徑向載荷系數(shù)=0.66,軸向載荷系數(shù)Y=1，，將這些數(shù)據(jù)代入公式得出，并根據(jù)參考資料[5]表14-6得連續(xù)8h工作的機器，滾動軸承的預期壽命大于100000h,所以此軸承合格。
其它滾動軸承壽命計算如上并經(jīng)過計算也都合格。
4 設計小結
通過這次設計，使我意識到做為一個設計人員需要付出多大的努力才能設計出一臺合格實用的機床，必須嚴肅認真，一絲不茍，才能保證質量。也為我即將踏上工作崗位奠定了吃苦、耐勞面對困難能迎面而上的良好的基礎。
本設計的主要任務是對該組合機床鏜削頭方面的設計。在設計過程中我遇到了很多沒接觸過的東西，通過查閱大量的資料和在指導老師跟同組搭檔的配合下把這些難題都一一解決了。在完成組合機床的總體設計并繪制出“三圖一卡”的基礎上，參照一定的標準并結合本設計中的具體情況來確定主軸的結構。計算并校核主軸的強度，其中包括對主軸配套軸承的選用并校核，并根據(jù)主軸的尺寸選出合理的花鍵，根據(jù)以上的選用設計并畫出專用鏜削頭總體裝賠圖、各零件的零件圖 。根據(jù)工序集中的原則，采用并列兩排的雙面刀對加工零件同時加工。
通過這么長時間的設計，在邢老師、同組搭檔的同力協(xié)助下終于完成了本設計任務，總體來說本設計還算圓滿的完成了。
參 考 文 獻
[1] 謝家瀛主編. 組合機床設計簡明手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999
[2] 劉華明主編. 金屬切削刀具課程設計指導資料[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000
[3] 王旭，王積森主編. 機械設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.
[4] 談嘉禎主編. 新編機械設計師手冊[M].北京：中國標準出版社，2001
[5] 徐錦康主編. 機械設計[M].北京：高等教育出版社，2004.
[6] 王大康，盧頌峰主編. 機械設計課程設計[M].北京：北京工業(yè)大學出版社， 2000.
[7] 成大先主編. 機械設計手冊單行本機械傳動[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.
[8] 吉林工業(yè)大學，吉林工學院，東北工學院主編. 金屬切削機床設計[M]. 上海： 上海科學技術出版社， 1980.
附 錄
圖名 圖號 圖幅 張數(shù)
1 機床尺寸聯(lián)系圖 GJ486-0001 A0 1
2 加工零件工序圖 GJ486-0002 A3 1
3 加工零件示意圖 GJ486-0003 A3 1
4 生產(chǎn)率計算卡 GJ486-0004 A4 1
5 鏜削頭總裝配圖 1TAb25-01 A0 1
6 階梯雙頭鏜刀 1TAb25-03 A2 1
7 箱體 1TAb25-11 A0 1
8 法蘭盤1 1TAb25-12 A4 1
9 隔套1 1TAb25-40 A4 1
10主軸 1TAb25-41 A1 1
11 法蘭盤2 1TAb25-44 A4 1
12 法蘭盤3 1TAb25-45 A4 1
13 隔套2 1TAb25-49 A4 1
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