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一种铣削组合机床及主轴箱设计
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铣削组合机床及其主轴箱设计
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组合机床及其主轴箱设计
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铣削组合机床
组合机床主轴箱及其
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沈阳化工大学科亚学院本科毕业设计题 目： 一种铣削组合机床及主轴箱设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机制1201 学生姓名： 付金宝 指导教师： 侯志敏 论文提交日期： 2016 年 5 月 30 日论文答辩日期： 2016 年 6 月 6 日沈阳化工大学科亚学院2012届本科毕业生毕业论文（设计）开题任务书论文（设计）题目 一种铣削组合机床及主轴箱设计姓名付金宝专业班级机制1201学 号3122020107课题的目的与要求：毕业论文是学生在校期间十分重要的综合性实践教学环节，是学生全面运用所学基础理论、专业知识和技能，对实际问题进行研究或设计的综合性训练。旨在检验学生独立工作能力、分析和解决问题的能力、创新能力和科学精神，为学生毕业后走向工作岗位做好准备。 掌握典型机械系统一般步骤和方法，学会需求分析与方案调研、可行性分析、方案设计等工程设计的步骤。具有机械设计，图纸绘制。说明书字迹工整，语句通顺，表达准确，格式符合规定，字数约1多万，英文翻译要求内容准确，语句通顺。论文的主要内容（或设计的技术要求与数据）： 结合设计任务书了解设计基本结构，掌握机械传动基本原理，设计总体方案，并对总体方案进行分析比较和论证，最后确定总体设计方案。翻译外文，编写设计说明书。查阅参考文献、资料要求：机械设计手册机械设计及机械原理教材振动干燥机结构设计进度计划：（2016.2.293.6）第1周：下达毕业设计任务书，毕业设计（论文）开始运行（2016.3.74.3）第25周：文献检索、收集资料，完成开题报告；（2016.4.44.10）第6周： 中期检查。学院自查，对达不到设计要求的及时整改；毕业设计（论文）完成的进度与质量过程检查。 （2016.5.95.15）第11周： 毕业设计（论文）修改（2016.5.165.22）第12周：后期检查。论文修改定稿，毕业论文答辩资格审查。（2016.6.1之前）第1213周：论文评阅。（2016.6.66.8）第13周：毕业论文答辩。论文 (设计)工作起止日期： 2016.2.292016.5.30 任务下达人（签字）： 年 月 日 任务接受人（签字）： 年 月 日 年 月 日 摘 要组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。具有以下优点：结构紧凑，可以减小占地面积、有利于实现工序集中，工作的质量更为可靠，同时由于可以缩短设计和制造周期，故可以减少投资，因而可以获得更高的经济效益，大大提高生产率等。此次设计的题目是一种铣削组合机床及主轴箱设计。以实现工序集中，提高生产加工效率，提高加工精度。为完成该篇设计，查阅了大量的文献，主要参考设计手册以及他人设计流程，以进行本次设计。完成该论文过程中，从所需加工的目标零件入手，确定本次设计所需达到的精度尺寸要求，并针对待加工零件对机床展开总体的设计规划。该设计的大概设计思路流程为：首先，根据需求以及各种规范，确定机床的总体布局，力求布局的合理与紧凑；然后，进一步细化各个结构的设计，对主轴箱进行设计。在主轴箱的设计过程中，需要从主轴入手，在满足刚度、精度等要求下，实现其功能结构要求，完成其它相应零件的设计。本次设计初步完成了一种铣削组合机床及主轴箱设计。完成了总体方案的选择与确定；零构件的设计与选取；画出总体方案系统图及其布置图。并对主轴组件完成了：主轴组件的结构设计、方案设计、技术设计和结构设计；相关图纸的绘制。关键词： 铣削组合机床； 铣削机床； 主轴箱AbstractCombination machine tools based on general parts, according to the specific shape of the part and process design of special components and fixture, composed of dedicated semi-automatic and automatic machine tools. Has the following advantages: compact structure, can reduce cover an area of an area, is advantageous to the implementation process, the quality of the work is more reliable, at the same time because can shorten the design and manufacturing cycle, so can reduce the investment, and therefore can obtain a higher economic efficiency, improve the productivity, etc. The topic of this design is a combination of milling machine and spindle box design. In order to realize the process, improve the efficiency of production and processing, improve the machining accuracy. To complete the design, a large number of literatures, the main design process, refer to the manual design and others for this design. To complete the paper in the process, from the target parts of the processing required, determine the design needed to meet the requirements of the precision of the size, and an overall design plan of nc machine tools for machining parts. About design thinking process of the design as follows: first of all, according to the requirements as well as a variety of specifications, determine the general layout of machine tool, makes every effort to reasonable layout and compact; Then further refine the structure design of spindle box design. In the process of the design of spindle box, need, from the perspective of the main shaft, in satisfies the requirement of stiffness, precision, etc, to achieve its function structure, complete design of other relevant parts. The preliminary design to complete a combination of milling machine and spindle box design. Completed the overall scheme selection and determine; Zero component design and selection; Draw the overall scheme system diagram and the plan. And the spindle component completed: the structure of the spindle component design, program design, technical design and structure design; Draw the relevant drawings. Key words： Milling combination machine tools; Milling machine; Thes pindle box目 录第一章绪论 1第二章机床总体设计 62.1 设计依据 62.1.1 工件 62.1.2刀具 72.2 工艺分析 82.2.1 工艺方法 82.2.2 机床总体布局 82.2.3 机床运动的确定 92.3机床主要技术参数的确定 92.3.1 确定工件余量 102.3.2 选择切削用量 102.3.3 运动参数 102.3.4动力参数主运动驱动电动机功率的确定 122.4 进给驱动电动机功率的确定 13第三章 主轴组件设计153.1 主轴的基本要求 153.1.1 旋转精度 153.1.2 刚度 153.1.3 抗振性 163.1.4 温升和热变形 183.1.5 耐磨性 193.1.6 其他 193.2 主轴组件的布局 193.2.1 适应刚度和承载能力的要求 203.2.2 适应转速要求 203.2.3 适应精度的要求 213.2.4 适应结构的要求 213.2.5 适应经济性要求 213.3 主轴结构的初步拟定 223.4 主轴的材料与热处理 233.5 主轴的技术要求 233.5.1 轴颈 243.5.2 内锥孔 243.6 主轴组件的计算 243.6.1 主轴直径的选择 243.6.2 主轴前后支承轴承的选择 253.6.1 主轴直径的选择 263.6.4 主轴前端悬伸量 273.6.5 主轴支承跨距 273.7 主轴结构图 273.8. 主轴组件的验算 283.9 主轴组件的润滑和密封 303.9.1 主轴轴承的润滑 303.9.2 主轴组件的密封 303.10 主轴组件中相关部件 313.10.1 轴肩挡圈 313.10.2 挡圈 313.10.3 圆螺母 323.11 主轴组件轴向调节机构 373.11.1 丝杠螺纹 373.11.2 丝杠轴承的选择 383.11.3 丝杠螺母 383.11.4 丝杠中段螺纹 383.11.5 丝杠上的内隔套 383.11.6 丝杠上调节用锥齿轮 393.12 箱体设计 40 第四章结论 44 参考文献 45 致 谢 46沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章 绪论第一章 绪论制造业是国民经济赖以发展的坚实基础，而其中机械制造业更是国民经济有力发展的重要支撑。众所周知，一个国家或地区的机械制造业的发展水平可以在很大程度上反映该国家或者该地区的科技发展水平的优劣以及其相应的经济发展的强弱。纵观机械制造业的发展历史，机械制造业由早期依靠降低支出成本来进行低价格竞争的价格战，到20世纪70年代开始发展的起来的新产品的较量，发展至今，机械制造业呈现出百花争艳的繁荣景象。如今，产品的批量开始向着小型化专一化发展，知识技术产品这一模式的运行更新周期越来越短，与此同时，市场对于产品性能以及产品质量的要求则相应的越来越高，同时，对于环境问题的重要性也成为制造生产过程中的重要问题，正因如此，为了能够快速响应制造业市场的需要，能够不断且快速的推出新型的产品以在市场中获得优势地位，赢得竞争，并相应地求得更好的生存与发展的空间与机遇，以敏捷制造为代表的先进制造技术成为实现这些目标的全新路径。机械制造装备的核心是机床，尤其是进行金属切削的机床，而其中精密零件的加工，则也同样是依赖切削加工来保证所需要的加工精度，可以说，金属切削机床的发展水平直接影响到机械制造业的产品质量和劳动生产率。组合机床作为切削机床中的一个大类，是一种高效的专用机床，它是按照工件加工的需要，以通用部件为基础，少量专用部件为配件共同组成组成。它具有以下优点：(1) 生产率高(2) 加工精度高(3) 研制周期短(4) 便于设计者进行设计(5) 成本低(6) 配置灵活此次设计的任务是对铣削组合机床及主轴组件进行设计。计划如下：1.总体设计：确定总体方案并设计规划机床总体布局图；2.对重点结构如主轴部分进行相关设计，以实现所需功能，其中任务主要有包括主轴设计、支承选取、主轴轴向移动机构和锁紧机构等的设计。8沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章 机床总体设计第二章 机床总体设计总体方案作为整体规划是进行后续设计的依据，如机床零部件设计，在整个设计过程中具有重大影响。因此，必须全面综合考虑整体设计方案，在保证方案技术先进性，完成所需功能的基础上，确保其经济合理。2.1 设计依据2.1.1 工件工件是指在机械加工过程中的加工对象，因此作为确定机床总体方案的重要参考之一，设计者必须明确加工对象的特点以及所需要达到的加工要求以此确定整体设计方案。此次设计的加工对象为：VF-6/7型空压机减荷阀体(如：图1)的两侧面。由于空压机减荷阀主要由阀体、阀芯、气路集成块、电磁阀及比例阀（容调阀）等部件组成。因此在制造减荷阀时，阀体的加工是必不可少的一部分。阀体一般由铸造而成，但为了保证一定的粗糙度与精度等，需要对其进行进一步的加工。又由于减荷阀大多为为大批量生产，故选择采用铣削式组合机床。由于组合机床为按工件特定形状和加工工艺而设计的，与传统机床相比，更易实现批量化生产，实现工序集中，且具有更好的精度，可以提高生产质量以及生产效率。此次设计题目为组合机床，工件的具体要求如下表1：表1 工件加工具体要求项目要求加工表面VF-6/7型空压机减荷阀体(如：图2-1)的两侧面工件材料HT200硬度190210HB生产批量大批量成型方法铸造毛坯加工部位的加工要求(1)被加工表面的粗糙度均为R10；(2)被加工表面的位置精度如下：平面1与平面2之间的间隔为225mm；平面1与平面2与95中心线的垂直度需要达到0.03mm的要求3。 图1 减荷阀体简图2.1.2刀具刀具是指机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。此次设计刀具参数如下表2： 表 2 刀具参数刀具类型刀齿材料刀盘直径刀具齿数硬质合金端铣刀YG675110Z=42.2 工艺分析2.2.1 工艺方法工艺方法对机床影响很大，影响主要体现在机床的结构变化以及机床的功能的多样上，不同的工艺方法常导致机床的布局、传动方式、性能结构以及经济效益等方面的不同。平面加工的方法如车削，铣削，刨削。由于设计要求的阀体属于外形复杂的壳类零件，对于外形复杂的壳类零件，难以进行装夹，且装夹精度难以得到保证，因此难以利用车床进行加工；而刨床，虽然装夹较为稳固稳固但其加工精度却难以达到要求，且生产效率较低，不能达到生产要求；而如果采用铣削加工则可同时满足工件的加工精度问题，工件的装夹稳固性问题，并同时可以获得较大的生产效率以得到最大的经济效益。组合机床，相较于普通机床，具有很多的优势。例如，相比与普通机床，灵活化的配置以及自动化的流程可以大大提高生产的效率，节约人力，降低设计生产所需的人力物力，且与此同时可以保证较高的加工精度，具有较高的稳定性，由于大大节约了人力，所以也相应的缩短了设计周期。2.2.2 机床总体布局总体布局设计主要是针对机械零部件的组成的确定以及相互之间位置关系的安排，同时需综合考虑各部件间的运动关系来实现合理的总体布局。合理的总体布局的基本要求有：(1)确保满足工件和刀具作业时的相对运动要求；(2)确保满足任务要求的加工精度，并保证能够具有所要求的刚度、强度等要求；(3)确保设计方案便于人员的操作维修、定期维护与检测、方便清理等要求；(4)在满足功能的前提之下尽可能的节约占地面积、减少材料的损耗。根据以上设计要求，确定机床总体布局图如图3所示：图3 机床总体布局图1.机座 2.动力滑台 3.工件 4.端铣刀 5.电动机 6.变速箱 7.主轴箱如图所示，在工作台上安装减荷阀体，并作纵向进给运动，铣刀进行旋转的主运动，通过主运动与进给运动的配合实现切削加工。此方案的提出是基于;1.部件具有专一性，为实现功能所进行的专门设计，因此，具有结构紧凑、精度稳定且生产效率高等优点，能较好的实现要求作业。2.2.3 机床运动的确定机床运动主要包括运动的数目类型及其运动过程中所涉及的的执行元件等几部分内容。本次设计机床运动分为成型运动和辅助运动等两大部分，其中的表面成形运动主要为回转运动与进给运动，而辅助运动主要为调整运动。2.3机床主要技术参数的确定 机床的主要技术参数可分为主参数和基本参数两大部分，其中基本参数又包括确定构件尺寸以及保证运动和配合的尺寸参数，保证功能实现及运动关系的运动参数，保证动力提供及传递的动力参数。2.3.1 确定工件余量根据加工要求，根据机械制造工艺设计简明手册一书中的表25,综合各方面考虑后，在双边加工的情况下取加工余量为2.5mm。2.3.2 选择切削用量根据要求可知，被加工件的铣削总体宽度为175mm,由于为实现要求需进行二次走刀，故取一次走刀的宽度为90mm，则二次走刀为：175-90=85mm即：a=90mm。根据组合机床设计简明手册一书中第132133页的内容，综合各方面考虑后选择合适的铣削切削用量。根据设计手册可知，选择铣削用量需要综合考虑设计所要求的表面粗糙度以及所需达到的生产率。当对表面粗糙度要求无需太高时，可以相应的提高铣削速度，而相应的每齿的走刀量必须相应减小。同样的，如果对于生产率并无极高要求，则也可以相应的减小每齿走刀量，在达到R=1.6m的表面粗糙度的要求下，可以取一次铣削余量为45mm，此时基本可达到0.020.03mm的每齿的进给量。综合考虑本次设计要求的被加工件的要求，由于其需保证较高的其表面粗糙度，且材料为铸铁，查相关设计手册表6-16得：a=0.20.4mm/z,V=5080m/min,取a=0.2mm/z。2.3.3 运动参数主运动的运动参数确定主要包括主轴最低最高转速及其转速排列等等。计算如下：(1)主轴转速范围按照切削速度和刀具的直径根据相应的公式分别计算主轴最高转速n、最低转速n。计算公式如下： n= (2-1) n= (2-2)式中：n、n主轴转速最高、最低值(r/min) V、V切削速度最高、最低值(m/min)d、d计算直径最大、最小值(mm)由机械制造工艺金属切削机床设计指导一书第6970页可得以下数据： 由表2.2-3 综合考虑后取最大，最小切削速度如下：V=200300m/min， 取V=250m/minV=1520m/min, 取V=20m/min铣床的d、d可取使用的刀具最大、最小直径，即：d=110mm, d=75mm故主轴最高转速为 n= =1061.6r/min 由于数值需标准化，故取： n=1000r/min 最低转速为： n= =57.9r/min取标准数列值： n=56r/min(2) 主轴转速的合理排列转速范围确定后则需确定中间转速，合理分配各级转速比例，综合个情况合理选择公比，以及转速级数Z，则由相应公式可得：转速数列为： n= n=56r/min, n= n, n= n, n= n (2-3)查表可知，取公比=1.78 (12)则转速的范围可确定为： R=17.8转速的级数可确定为： Z=+1=5.99 取Z=6根据本次设计的要求取Z=4，即主轴转速级数取为四级，四级转速分配如下，即： n=56， n=100, n=180, n=315 (r/min)2.3.4动力参数主运动驱动电动机功率的确定(1) 切削力的计算由于组合机床的最高转速从上节计算可得为n=315r/min，则可计算此时的切削速度： V=108.8m/min200m/min故，切削速度符合设计要求。铣削的切削力 F=9.1854.5aaaZd (2-4)式中：a铣削宽度 a铣削深度 a每齿进给量 Z转数级数其中：a=90mm a=2.5mm a=0.2mm/r Z=4则根据以上可以求得铣削工件的铣削力： F=9.1854.5900.22.54110=1213.1N(2)切削功率的计算由机械制造工艺金属机床设计指导一书P72页，可得到切削功率公式为： P=2.2KW(3) 估算电动机功率有机械制造工艺金属机床设计指导一书P72页，有电动机功率估算公式： P=3.14KW 式中：主传动系统的机械效率，（此处=0.70.85）。(4) 选择主电机根据机械设计课程设计手册P155页表12-1，综合各因素后选Y112-4电机，查得其参数如下：额定功率P=4KW同步转速n=1500r/min级数P=4质量m=43kg满载转速 n=1440r/min2.4 进给驱动电动机功率的确定根据金属切削机床设计一书P41页，可知：进给运动的有效功率以及各个传动件的总的机械效率共同决定了进给驱动电动 机功率，计算公式如下： N= (2-5)式中：N进给驱动电动机功率(KW) Q 进给抗力(N) V进给速度(m/min) 进给传动系统的总机械效率(一般取0.150.2)估算时，可根据进给运动以及主运动的传动功率的比值来初步估算进给驱动电 机功率。对于铣床： N=0.2N=0.24=0.8KW综合考虑之后，选Y90S-4电机，该电机的主要参数如下所示：额定功率：P=1.1KW满载转速：n=1440r/min同步转速：n=1500r/min级数：P=4质量：m=22kg。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 主轴组件设计第3章 主轴组件设计机床的执行件主要是主轴组件，其主要作用是起支承作用以及带动工件或刀具实现旋转运动，以实现工件的表面成形作业，与此同时主轴组件还起到传递运动、扭矩、力的作用。主轴组件作为机床中的一个关键组件，其性能可以直接影响到机床的性能，如加工精度、生产效率等。主轴起到传递运动、传递扭矩以及传递动力的作用，在工作过程中，需要确保传动件以及支承处于正常作用状态，在机床工作过程中，主轴不但需要直接承受切削力，同时还要带动工件或刀具运动，以实现工件的表面成形运动，因此对主轴的设计具有较高的要求。3.1 主轴的基本要求3.1.1 旋转精度主轴的旋转精度指的是主轴处于手动档位或者是处于低速空载状态时时，主轴的各种跳动值，主要可以分为主轴直径方向的径向跳动r以及主轴的端面的端面跳动a以及主轴的轴向的窜动值o。如下图4所示：图中实线所画的直线表示理想轴线，虚线所画的直线表示实际轴线。当主轴处于工作状态时，处于此时的旋转的速度之下，主轴在以该速度运动时的回转轴线在空间中造成的漂移量称之为运动精度。旋转精度在很大程度上与机床的主轴的各部件的制造精度以及装配精度等有关；而运动精度除此之外还与主轴正常工作状态下的转速、机床所选取的轴承的静态、动态性能和构件间及零件自身润滑效果以及主轴的各部件的静态、动态特性等因素有关。3.1.2 刚度刚度（K)是指主轴在承受外部载荷的情况下，主轴自身能够抵抗在和所造成的变形的能力，如图5所示，其表达式为K=F/y（单位为N/m），而其倒数y/F定义为柔度。主轴的组件的刚度主要取决于主轴各部分的刚度、所选取的轴承的类型、性能的刚度以及所设计的支承座的整体刚度等，它的刚度很大程度上直接影响着组件的旋转精度。很明显可知，刚度越高，则相应的主轴受外载荷作用后所产生的变形越小，相反如果主轴部件的刚度不满足要求，则会直接影响机床的加工精度，例如：主轴的前端所产生的弹性变形就可以直接影响被加工零件的制造精度；同时，刚度不足也会影响机床的传动质量，主轴由于刚度不足造成的的弯曲变形将会影响齿轮的啮合，传动状况将会进一步恶化，额外的力的产生将会加速零件的磨损，并会因此缩短机床整体的使用寿命；而额外产生的载荷将会很大程度上影响工件加工过程的平稳性，这一状况的发生将会导致使主轴在不断发生变化的切削力以及传动力等的综合作用下，产生振动。图4 主轴的旋转误差图5 主轴组件静刚度3.1.3 抗振性抗振性是指主轴组件能够抵抗受迫振动以及抵抗自激振动等形式的振动并能够保持继续平稳作业的能力。主轴振动的产生主要是由于，切削过程中，主轴组件不仅受到静载荷的作用，同时也会受动载荷的作用，例如：冲击载荷、交变载荷等。抗振性差的组件，则抵抗振动的能力弱，因此运行时较为容易产生较大的振动，而振动对于被加工件的表面质量会造成非常恶劣的影响，此外，振动还会降低刀具的寿命，加速刀具磨损以及主轴轴承的使用年限。3.1.3.1 抵抗受迫振动的能力 主轴上的旋转零件由于加工等原因会产生质量的不均匀，因此而产生质量偏心，最终造成离心力的产生，同时，由于传动件不能保持以均匀的速度运动，因此会造成惯性力的产生。此外，由于不连续的切削运动而产生切削力且会以一定的周期循环。这些力称之为干扰力，将会造成主轴组件产生受迫振动，最终将导致刀具、工件的振动，振动将会导致加工精度的降低，在加工表面上产生的振文会使加工质量的下降，被加工零件的表面粗糙度因此而大大的增加。 根据要求可知，设计需要首先确定主轴的前端所能允许最大的振幅，然后根据振幅值计算或通过实验测定主轴组件在各种动载荷作用下前端的振动的幅值大小，得出结果数值后同所允许的最大幅度值进行比较，以此来判断该设计是否满足要求。需要注意的是，由于当我们单独的对主轴组件进行相关分析时，无法求得全部的振幅信息，而只能得到切削部位附近的主轴振幅，由于所得信息有限，故只能通过该值部分地反映在刀具和被加工零件之间的相对振幅。而且，激振频率对刀具与被加工零件的相对振幅关系有一定的影响，而其间的关系主要依靠试验来确定。3.1.3.2 抵抗切削自激振动的能力对金属进行切削加工时，虽然金属并未受到外界干扰动载荷作用，但是由于机床工件刀具三部分构成了一个弹性系统，该系统所产的振动作用反馈到切削过程中，因此，将会引起刀具与工件之间的强烈振动，称为切削自激振动，又可以简称为颤振，此外，颤振具有一定的周期性。颤振的产生不可避免带来一系列的危害，例如导致加工表面质量下降，严重的情况下，甚至可能导致切削难以进行，为解决此种现象，只能被迫降低切削用量。正是因此，所以我们通常根据加工过程中所发生颤振的条件来确定而非机床的功率来确定其切削用量的极限值。机床切削过程时，颤振的从无到有有明显的界限，我们将这个这个界限称之为稳定性的极限，也可以称之为使机床获得稳定性的条件。对现有的各类机床进行大量的试验后可以得出，切削自振频率通常与主轴组件弯曲振动的低阶固有频率较为接近。因此可以得出结论，即颤振的产生主要是由于主轴组件的振动导致的。因此，将主轴组件单独拿出来进行分析时，主轴组件抵抗切削自振的能力的判定可以通过主轴前端在切削部位形成的激振点的动柔度的最大负实部来进行判定。对于非精加工机床，由于其切削宽度相对较大，因此产生切削自振的可能性也相对较高，但是由于对加工表面质量要求较低，所以可优先考虑未颤振时的其他条件。但是对于精密机床，其切削用量相对较小，因此产生切削自振的可能性也相对比较低，但是因为精度要求较高所以导致允许的振幅较小，因此，设计过程中可主要考虑抵抗受迫振动的能力。对于高速机床，因为转速提高会导致激振力幅频的急速增加，因此受迫振动和自激振动都较为明显。因此二者均应考虑。3.1.4 温升和热变形相对运动会导致接触面上的摩擦，因此会产生一定热量，主轴组件在摩擦和搅油工作时将会产生温升，温升将会导致主轴组件材料参数发生变化进而导致主轴形状和位置畸变，这种现象称之为热变形。热变形的度量应以一定时间段之后，主轴组件的各部分所产生的位置的变化为准。温升与热变形的存在，会大大降低各部件间相对位置精度，因此会导致被加工零件的加工精度降低，且精度越高的机床所受的影响越大；热造成的变形会导致主轴弯曲，因此，轴承与齿轮等零件的受力状态将会改变，因而其工作状态将会变坏；同时，变形还使轴承与轴，轴承与支承座之间的配合、间隙改变，使轴承不能工作在正常状态，不但不利于传动的进行，降低传动精度，而且将会大大缩短轴承使用寿命，此外当间隙过小时，各接触零件的磨损将会大大加剧，甚至导致轴承抱轴现象的发生，使传动无法继续。轴承间隙及预紧力的大小、轴承的类型的选取以及轴承的布置方式、选取的润滑方式和机床的散热条件等都将会影响主轴组件的温升以及热变形的程度。3.1.5 耐磨性耐磨性又称之为精度的保持性，指的是零件可以长期保持其原始精度的能力。通常情况下，硬度越高，零件的耐磨性就越好。因此，主轴组件各个存在相互运动的表面，例如主轴端部定位面、锥孔，轴承与轴的配合表面，各个传动接触啮合表面，都需要具有一定的硬度要求以满足其耐磨性，使机床的精度得以长期保持。提高耐磨性的方式有很多，例如合理的选取机床各个构件的材料及热处理方法从材料上进行改变或是改变外部的影响，例如合理选择润滑方式，合理调整轴承间隙等。3.1.6 其他主轴组件除应保证上述基本要求外，还应满足下列要求：(1) 主轴的定位可靠。要保证主轴在轴向以及径向受到载荷作用时具有可靠的径向和轴向定位，保持其位置及其工作状态，这样才能保证切削力和传动力过轴承可靠地传至基础零件上。(2) 主轴结构设计应保证工件或刀具在保证一定的精度之下具有合理可靠的定位及夹紧。(3) 结构工艺好。在实现其基础功能的同时，也应该同时兼顾其生产加工、维护维修、零件替换等的方便程度及成本。3.2 主轴组件的布局主轴组件的设计，必需要在满足各种基本要求的情况下，综合考虑实际情况以及各构件间的传动与配合，从而对主轴组件进行合理的的布局。机床主轴的支撑方式通常有前、后两个支承以及前、中、后三个支承两种，而又以以前者较为多见。两点支承式的选取，需要进行轴承类型及型号的选取、轴承间的组合以及布置方式的合理设计。设计以及选取主要依靠该设计要求中主轴组件所需达到的转速、精度、承载能力、抗干扰能力、刚度等要求，并同时需要兼顾经济性原则。选择具体要求如下：3.2.1 适应刚度和承载能力的要求主轴轴承选型主要根据刚度要求和承载能力要求以及所受载荷类型。径向载荷较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。所需要的刚度及其承载能力较大时可以选用双列轴承的布置方式。此外，多个轴承的应用加大了受力点的支撑，可以很大提高支承刚度和承载能力。一般来说，在支撑方式的选择上，由于前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后支承的大，因此前支承的刚度应该大于后支撑的刚度更有利于组件刚度的提高。表3所示为滚动轴承和滑动轴承的比较： 表3 滚动轴承和滑动轴承的比较15基本要求滚动轴承滑 动 轴 承动压轴承静压轴承旋转精度精度一般或较差。可在无隙或预加载荷下工作。精度也可以很高，但制造困难单油楔轴承一般，多油楔轴承较高可以很高刚 度仅与轴承型号有关，与转速、载荷无关，预紧后可提高一些随转速和载荷升高而增大与节流形式有关，与载荷转速无关承载能力一般为恒定值，高速时受材料疲劳强度限制随转速增加而增加，高速时受温升限制与油腔相对压差有关，不计动压效应时与速度无关抗振性能不好，阻尼系数D=0.029较好，阻尼系数D=0.055很好，阻尼系数D=0.4速度性能高速受疲劳强度和离心力限制，低中速性能较好中高速性能较好。低速时形不成油漠，无承载能力适应于各种转速摩擦功耗一般较小，润滑调整不当时则较大f=0.0020.008较小f=0.0010.008本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.00050.001噪 声较大无噪声本身无噪声，泵有噪声寿 命受疲劳强度限制在不频繁启动时，寿命较长本身寿命无限，但供油系统的寿命有限3.2.2 适应转速要求不同型号和规格的轴承对应着的最高转速同，轴承的规格与精度等级越低和最高转速成反比。对于承受径向载荷的轴承，圆柱滚子轴承比圆锥滚子轴承极限转速高。对于承受轴向载荷的轴承中，可承受极限转速大小顺序依次为向心推力轴承、推力球轴承的次之、圆锥滚子轴承，承载能力反之。因此，由于承载能力和极限转速之间的矛盾，所以需综和考虑要求以选择轴承型式。3.2.3 适应精度的要求起止推作用的轴承的布置有三种方式：前端定位、后端定位、两端定位。其特区别为止推轴承所在位置。若集中布置在前支承，则称之为前端定位；此时的特点是：由于前端定位，所以主轴受热膨胀将会向后延伸，这样虽然并不影响轴向的定位精度，但是会造成轴承间隙的调整变困难，且前端支撑处发热量变大。若集中布置在后支承，则称之为后端定位；此时的特点与前端定位恰好相反。若集中分别布置在前、后支承，则称之为两端定位，此时的特点是：由于主轴受热膨胀，发生变形，轴承的轴向间隙变化比较大，甚至可能发生弯曲。3.2.4 适应结构的要求如果主轴组件有较高的刚度、承载能力要求时，为同时满足其在结构上尺寸紧凑的要求，可在一个支承中配置多个轴承。由于轴间距很小的多主轴机床存在尺寸与功能的约束，因此受到了很大的结构限制，故可以采用滚针轴承和推力轴承的搭配来满足要求。3.2.5 适应经济性要求设计在满足性能和结构等的要求外，还应考虑经济性。尽可能采用标准化、系列化，且大批量生产的滚动轴承，当没有标准的大型号滚动轴承时，可采用动压轴承或静压轴承。但在中速重载时，宜采用圆锥滚子轴承。综上，本设计如下表4： 表4 轴承选择项目内容支承方式两支承主轴轴承选取前支承：双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合后支承：圆柱滚子轴承轴承精度前支撑 D级精度后支撑 E级精度轴承内孔锥孔，锥度为1：123.3 主轴结构的初步拟定主轴的结构的确定是由主轴上所安装的零构件所决定。例如，主轴上所需安装的零构件种类、数量、尺寸、密封情况、位置要求、定位方式、加工及装配要求等等。此次设计的主轴，为了满足刚度要求及止推定位要求以及刀具拉杆的方便，设计成阶梯空心轴。主轴前端的形状应保证其上所安装的夹具或刀具的可靠性与定位的准确性，同时应满足扭矩的传递要求以及装卸的方便性。主轴端部根据金属切削机床设计第135页，选短圆锥法兰盘式结构。其结构如下所示：图6 短圆锥法兰盘式主轴端部结构3.4 主轴的材料与热处理主轴材料主要根据设计要求的刚度、强度、耐磨性、载荷形式和热敏感性等因素选取。刚度与材料的弹性模量E值有关，为获得较大的刚度，且综合经济性原则，优先选用钢材（钢的E值2.110N/cm左右）。由于钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，考虑到经济性的问题选用价格较为便宜的中碳钢，对性能要求较高时，如承载能力、耐热耐磨程度及变形要求等，可选用合金钢。为了提高接触刚度，配合表面强度，减少内应力，改善综合性能，需对轴进行热处理45钢主轴热处理情况见下表5：表5 使用滚动轴承的45钢主轴热处理等参数工 作 条 件使 用 机 床材 料 牌 号热 处 理硬 度常 用代 用轻中负载车、钻、铣、磨床主轴4550调质HB220250轻中负载局部要求高硬度磨床的砂轮轴4550高频淬火HRC5258轻中负载PV400（Nm/cms）车、钻、铣、磨床的主轴4550淬火回火高频淬火HRC4250HRC5258此次设计，机床主轴选用45钢。根据表5中，因工况为轻、中负荷，局部要求高硬度，故热处理采用高频淬火，HRC5258。3.5 主轴的技术要求主轴的精度是整体精度的关键因素，因为会直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件接触表面的粗糙度会直接影响接触刚度，接触表面粗糙度愈低，加工的表面形状越是准确，变形越小，即接触刚度越高。3.5.1 轴颈首先考虑轴颈。支承轴颈在主轴工作、加工及检查主轴精度时，作为基准，发挥了重要作用。普通精度级机床的主轴，取尺寸精度为IT5，几何形状允差小于直径公差的1/41/2。3.5.2 内锥孔内锥孔是主轴中心线的基准，为了便于刀具和顶尖装拆，必须耐磨。要求一定的形状误差、表面粗糙度和硬度、同轴度等，一般以距锥孔端部100300毫米处的径向跳动表示。3.6 主轴组件的计算主轴组件的结构参数如下：主轴的平均直径D、内孔直径d；主轴悬伸量a；支承跨距L等。具体选择方式如下：3.6.1 主轴直径的选择根据金属切削机床设计第157页表5-12，由功率选择主轴前轴颈直径D，如下表6所示：已知主电机功率P=4KW，铣床，由表，初取D=80。根据下列经验公式： D=（0.70.85）D (3-1)式中： D-前轴颈直径 D-后轴颈直径因此，有 D=（0.70.85）D=（0.70.85）80=5668，取D=65。 表6 主轴前轴颈直径D的选择机 床 功 率 （千瓦）机床1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.7车床608070907010595130110145140165铣床5090609060957510090105100115外圆磨床5090557070807590751003.6.2 主轴前后支承轴承的选择 1. 主轴前支承轴承的选择根据金属切削机床设计简明手册P375页，选取轴承型号为3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D=91，D=117，D=117，r=1。参数如图7所示：图7 双列向心短圆柱滚子轴承（GB285-87）结构参数及安装尺寸选取主轴前支承的推力球轴轴承型号为8215。其中，d=75，d=75.2，D=110，H=27, D=86, D=99，r=1。参数如图8所示： 2. 主轴后支承轴承的选择选取圆柱滚子轴承型号为2213。其中：d=65，D=120，B=23，D=77，D=110，r=1.5。参数如图9所示： 图8 推力球轴承（GB301-84）结构参数及安装尺寸图9 圆柱滚子轴承（GB283-87）结构参数及安装尺寸3.6.1 主轴直径的选择直径须同时满足刚度及功能结构要求，计算如下：由材料力学知： =1-（）=1- (3-2)根据此式知：0.7时，刚度急剧下降，故使0.7，即d0.7D。故：d0.7 D=0.765=45.5取=0.5，则：d0.5 D=0.565=32.5圆整后取为30。3.6.4 主轴前端悬伸量主轴前端悬伸量a也在很大程度上影响主轴组件刚度。其值越小，刚度越好。因此，在满足其他要求前提下，a越小越好。初算时，由金属切削机床设计可得： a=（1.252.5）D=（1.252.5）80=100200 初取a=120。3.6.5 主轴支承跨距 主轴支承跨距L直接影响主轴刚度。 有相关资料可知，悬伸量较大时，取L2.5a为宜。故： L2.5a=2.5120=300 取L=280。3.7 主轴结构图 由以上可知，主轴的结构如图10所示：图10主轴结构图3.8 主轴组件的验算由于载荷一定时，刚度与弹性变形成反比。因此，可以根据弹性变形量，例如：主轴端部挠度和主轴倾角的计算得到静刚度。3.8.1 主轴端部挠度 1. 支承的简化对于两支承主轴，可化简为简支梁或固定端梁，具体如图11，12所示：图11 主轴组件简化为简支梁图12 主轴组件简化为固定端梁 此次设计可简化为图12所示。2. 主轴的挠度查材料力学I，分析受力如下图13所示：图13 固定端梁在载荷作用下的变形根据图13，可得此时的最大挠度 =- (3-3)其中， F主轴前端受力。 lA、B之间的距离。E主轴材料的弹性模量。 I主轴截面的平均惯性矩。当主轴平均直径为D，内孔直径为d时， I=。由于：F=F=1213.1Nl=a=12cmE=2.110N/cmD=133故主轴端部的最大挠度： =-1.8710 mm 3. 主轴倾角 主轴的倾角是指主轴与传动齿轮处的倾角。主轴前支承处的倾角根据图13，可得此时的最大倾角 =- (3-4)其中， F主轴前端受力。lA、B之间的距离。E主轴材料的弹性模量。I主轴截面的平均惯性矩。当主轴平均直径为D，内孔直径为d时， I=。 (3-5)故可计算出，主轴倾角为： =-2.310 rad查组合机床设计第一册中机械部分的第670页，可知：当x0.0002L mm0.001rad时，刚性主轴的刚度满足要求。 经验证初步设计的主轴满足刚度要求。3.9 主轴组件的润滑和密封3.9.1 主轴轴承的润滑滚动轴承的润滑通常分为润滑油和润滑脂两种。所以，此次设计运动速度较低，采用润滑脂可得到较低的温升及减少泄漏。3.9.2 主轴组件的密封密封影响润滑效果及工作性能，因此需要重视。因此，为了防止外界杂物进入，影响润滑，磨损轴表面，降低加工精度及主轴寿命，采用迷宫式密封，中填润滑脂，径向尺寸小于等于0.3mm，轴向尺寸小于等于1.5mm。结构参数如下图14所示：图14 迷宫式密封装置的结构参数其中，d=80，D=130，e=13.10 主轴组件中相关部件3.10.1 轴肩挡圈轴承之间所用的挡圈选取结构参数如下图15所示：图15 轴肩挡圈的结构参数其中，D=95，d=80，H=63.10.2 挡圈两推力球轴承之间用的挡圈轴向尺寸取为6mm，径向尺寸依主轴套筒尺寸而定。3.10.3 圆螺母设计中采用两个圆螺母，以及止动螺钉来锁紧轴承及套筒的定位。圆螺母具体的参数结构如下图16所示：图16 圆螺母（GB812-88）其中，锁紧推力球轴承的圆螺母，Dp=M802，d=115，d=103，m=15，h=10.36，h=10，t=4.75，t=4，C=1.5，C=1锁紧套筒用的圆螺母，Dp=M722，d=105，d=93，m=15，h=10.36，h=10，t=4.75，t=4，C=1.5，C=13.10.4 套筒两推力球轴承之间用套筒进行定位，取轴向尺寸92，径向厚度2.5mm，采用一端加工外螺纹一端固定的方式，其中外螺纹长26，M801.5，紧定螺钉固定，套筒结构如图17所示；紧定螺钉的结构参数如图18所示；主轴上的小孔的结构参数如图19所示：紧定螺钉参数：M81.25，l=10，d=5.5，n=1.2 , t=2图17 两推力球轴承内用套筒结构参数孔的参数：d=6，c=5，h5图18 开槽平端紧定螺钉图19 轴上固定螺钉用的孔3.10.5 前、后支承的轴承盖为了减少杂志进入，保证工作的可靠性及主轴零构件寿命，轴承应安装上轴承盖，设计如下图20、21所示：图20 前支承用轴承盖其中，d=124，D=153图21 后支承用轴承盖其中，d=64，D=153，a=5，b=553.10.6 主轴用套筒及其锁紧部分主轴用套筒的结构及参数如图21所示：套筒的锁紧部分采用弹性套，弹性套的结构及其参数如下图22所示：锁紧螺栓取M24螺栓，图图21 主轴用套筒的结构及参数结构如下图22所示，参数有：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图22 弹性套结构及参数3.10.7 主轴尾部的内花键组合铣床采用花键连接，结构如图23所示，查金属切削机床设计简明手册有：d=42，N=8，D=46，B=8图23 锁紧螺栓的结构及参数0图24 主轴尾部的内花键结构及参数3.11 主轴组件轴向调节机构主轴组件的轴向调节采用丝杠螺母调节。丝杠主要承受轴向力，故需要径向的支撑，此处采用推力球轴承。螺母实现主轴的轴向调节，调节示意图如图24所示：3.11.1 丝杠螺纹 丝杠采用梯形螺纹，取螺纹直径为36，其余参数有：图25 丝杠螺母支承简图P=6，d=36，d=33，d=29，l=703.11.2 丝杠轴承的选择支承精度直接影响着丝杠的精度，此处精度选用常用的D级精度轴承，选用推力球轴承8209，参数为：d=45，d=45.2，D=73，H=20，D=55，D=63其结构如下图26所示。 图26 推力球轴承（GB301-84）结构参数及安装尺寸3.11.3 丝杠螺母 取丝杠的螺母内螺纹为M366的梯形螺纹，轴径20，到轴端距离75，过盈配合。3.11.4 丝杠中段螺纹取丝杠中段为三角螺纹，直径为M42，螺距P=1.5，轴承挡圈为M421.5，d=40.917，d=41.35，l=10，D=55。3.11.5 丝杠上的内隔套内隔套的内径为45，d=45，D=55，l=20结构如下图27所示：图27 内隔套的结构及其参数3.11.6 丝杠上调节用锥齿轮采用正交的直齿圆锥齿轮。取传动比为 i=1以减少传动误差，保证调节可靠性。综合考虑后，取8级精度。初取齿数Z=18，分度圆直径d=60，计算可得模数为： m=3.33取标准值m=3.25，有： d=mz=3.2518=58.5计算锥齿轮参数如下：分度圆直径d
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