毕业设计（论文）-铣削主轴的自动松拉刀机构设计.doc

毕业设计铣削主轴的自动松拉刀机构设计学生姓名： 晁忠 学号： 112011437 系 部： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 胡晋智 谷正钊 二零一五 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日 毕业设计任务书设计题目： 铣削主轴的自动松拉刀机构设计 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 112011437 学生： 晁忠 指导教师（含职称）： 胡晋智（副教授)、谷正钊（助教） 1课题意义及目的刀具的夹紧形式和自动夹紧松拉刀系统在电主轴中是非常重要的，它的设计是否合理将直接影响电主轴的使用可靠性、精度等，进而影响机床的加工效率和工件加工的质量。本次设计的目的是为了让自己通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解了铣削主轴的自动松拉刀机构设计、自动松拉刀夹具等方面的设计规范以达到更优越的夹具结构。 2 主要任务(1)查阅相关资料，了解铣削主轴的刀具夹紧形式和自动松拉刀系统的组成。(2)选择合适的结构形式，完成具有加紧和松刀功能的自动松拉刀系统设计。3主要参考资料1商顺德,黄昆.钻、铣削主轴刀具加紧方式以及自动松拉刀系统J.现代零部件,2005.2陈秀梅,杨庆东,于潇客.五轴数控机床铣头自动松拉刀方法分析研究J.机械设计与制造工程,2010.3李翠芝,刘通,张培良.数控机床主轴自动松拉刀结构分析J.机械工程师，2013.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1发放毕业设计题目及选题2014.10.312014.11.142毕业设计开题2014.11.152015.03.273毕业设计中期准备2015.03.282015.04.154确定各部分参数并完成绘图，撰写论文2015.04.162015.06.275设计答辩2015.06.282015.07.10审核人： 年 月 日铣削主轴的自动松拉刀机构设计摘 要：本文根据要求设计出铣削主轴的自动松拉刀机构，介绍了自动松拉刀系统的一些基本情况和国内外的发展趋势，简述了铣削主轴的自动松拉刀系统的工作原理,也概述了铣削主轴的自动松拉刀机构的设计方案。铣削主轴的自动松拉刀系统由液压系统、碟形弹簧、拉杆、四瓣拉爪、主轴以及安装在主轴上的零件组成。本文介绍了以立式铣床X5032为基础的铣削主轴的自动松拉刀机构的设计过程，该主轴是靠齿轮进行传动的。齿轮传动的效率高，结构紧凑，并且工作可靠，寿命长，传动比准确。本文中介绍了铣削主轴的自动松拉刀机构的设计方案的选择和确定，碟形弹簧、拉杆、主轴以及轴承的设计与计算，以及各个主要零件的校核。关键词：立式铣床；铣削主轴；自动松拉刀系统. The mechanism design of automatic releasing and tensioning tool for milling spindleAbstract：According to the demand, the text design the mechanism of automatic releasing and tensioning tool for milling spindle, it introduces some basic situations and developing trends at home and abroad of the system, describes the working principle of the system on milling spindle, and also outlines the design scheme of the mechanism on milling spindle. The system consisted of the hydraulic system, disc springs, rod, four-valve, the spindle and the part installed on the spindle. This paper introduces the process of the mechanism design with the vertical milling machine X5032-based, the spindle is moved by gear drive. The characteristics of gear drive are high efficiency, compact structure, and reliable, long life, precise transmission ratio. This article introduces the selection and determination of the mechanism design scheme, the design and calculation of disc springs, rod, spindle and the bearing, and the check of all major parts.Keywords: Vertical milling machine; Milling spindle; The system of automatic releasing and tensioning toolII目 录1 前言11.1 电主轴的介绍11.2 数控机床的发展状况和趋势21.3 自动松拉刀系统的发展状况和发展趋向21.3.1 自动松拉刀系统的发展状况21.3.2 现代机床自动松拉刀系统的发展趋向31.4 本次毕业设计研究的内容31.5 本章小结42 铣削主轴的自动松拉刀机构的设计方案52.1 自动松拉刀系统总体运动方案的分析52.2 自动松拉刀系统的结构设计和工作原理52.2.1 自动松拉刀系统的结构设计方案52.2.2 自动松拉刀系统的工作原理82.3 本章小结93 主要零部件的设计计算与校核103.1 蝶形弹簧103.1.1 碟形弹簧的基本介绍103.1.2 碟形弹簧的材料及其许用应力113.1.3 碟形弹簧的设计计算133.1.4 碟形弹簧的校核143.2 拉杆163.2.1 拉杆的作用163.2.2 确定拉杆的各段的直径163.2.3 确定拉杆的各段的长度173.2.4 校核拉杆的强度183.3 主轴183.3.1 轴的基本介绍183.3.2 选择主轴的材料以及热处理的方法193.3.3 轴的结构设计193.3.4 主轴的设计计算213.4 轴承263.4.1 轴承的介绍263.4.2 轴承的设计计算与校核263.5 本章小结294 机构的装配图及其分析和说明304.1 机构的装配图304.2 装配图的分析和说明315 结论33参考文献34致谢35太原工业学院毕业设计1 前言 1.1 电主轴的介绍高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一。高速数控机床的工作性能，主要取决于高速主轴的性能。数控机床的高速电主轴主要影响加工系统的精度、稳定性和应用范围，它的动力性能和稳定性对高速加工起着非常关键的作用。高速电主轴是高速机床的核心部件，它将机床的主轴与电机轴合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，也被称之为内装式电主轴，其中间不再使用皮带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传动”，并且具有结构紧凑、重量轻、惯性小和动态性能好等优点，也改善了机床的动平衡，从而避免了机床的振动和噪音，在高速机床中得到了非常广泛的应用。按应用于不同机床中可以把它分为：加工中心电主轴、铣削电主轴和磨床用电主轴等。随着高速加工技术的迅速发展和广泛的应用，各个需要机械加工的行业对高速电主轴数控机床的需求与日俱增。这也迫切的需要更加优质的高速电主轴被研发出来。 图1.1 铣削电主轴1.2 数控机床的发展状况和趋势 自从数控技术出现以来，数控机床给机械加工以及机械制造业带来了翻天覆地的变化。数控加工有很多优点，比如加工柔性好，生产效率很高，加工精度也很高，并且大大的改善了操作者的劳动条件，也有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的机械产品，适用于加工多品种小批生产的零件，也适用于加工结构较为复杂并且加工精度要求很高的零件。数控机床的广泛应用使其成为了国民经济和国家建设的重要的机械设备。进入本世纪以来，我国的经济与国际已经全面的接轨，也进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业正在面临着因机械制造业的需求的大大提高而引起的机床设备更新换代的好时机，同时也面临着在国际市场中彼此竞争的压力。加速推进数控机床的研究和发展是解决当前机床制造工业是否能长久发展的关键所在。伴随着机械制造业对数控机床的大量需求，以及现代计算机技术和现代自动化技术的不断提高，数控机床的应用范围也在不断地扩大，并且在不断地发展以适应现代生产加工的需求。 数控机床以它的高效的柔性的自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起了世人的瞩目。它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，也成为了现代机械加工业中一个核心的技术。近年来，数控系统技术得到了非常迅速的发展，这也为数控机床技术的有效发展提供了有利的条件。1.3 自动松拉刀系统的发展状况和发展趋向1.3.1 自动松拉刀系统的发展状况国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于手动换刀的刀具夹紧形式，一般在具有中等生产能力的工厂里，才拥有自动松拉刀系统；另一方面，在多品种生产的企业中，机床的更新换代的速度很快。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统等新加工技术的应用，对机床刀具夹紧形式提出了如下新的要求： (1)能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本； (2)能适用于精密加工的高精度机床刀具夹紧形式；(3)能适用于各种现代化制造技术的新型机床刀具夹紧形式；(4)采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率； (5)提高机床刀具夹紧形式的标准化程度。1.3.2 现代机床自动松拉刀系统的发展趋向现代机床自动松拉刀系统的发展方向主要表现为标准化、精密化和高效化等三个方面。 (1)标准化机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有自动松拉刀机构零件及部件的国家标准，机床自动松拉刀机构零件及部件的标准化，有利于自动松拉刀机构零件及部件的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。 (2)精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对自动松拉刀机构的精度要求。精密化的自动松拉刀机构结构类型很多，例如四瓣拉爪型的，钢珠拉紧机构型的。(3)高效化自动松拉刀系统主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化自动松拉刀系统有自动化自动松拉刀机构、高速化自动松拉刀机构等。例如，在铣床主轴上使用自动松拉刀机构，还有加工中心主轴上的自动松拉刀机构。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化刀具夹紧机构外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹刀具的机构以及自动更换刀具的装置，充分发挥了数控机床的效率。1.4 本次毕业设计研究的内容 本次毕业设计主要是对铣削主轴的自动松拉刀系统和机构的设计研究。通过对铣削主轴的自动松拉刀机构的结构方案设计，然后进行铣削主轴的自动松拉刀系统中的液压系统与碟形弹簧、拉爪和轴承等零部件的类型的选择和确定，而后通过设计和计算选择出满足条件的主要零部件；最后，根据碟形弹簧、拉杆和轴承等主要零部件以及其他零件与主轴的配合关系画出完整的装配图。1.5 本章小结 本章主要是对数控铣床的国内外发展的状况以及发展趋势的介绍，也对自动松拉刀系统的国内外发展的状况以及发展趋势的介绍。通过本章让我对数控铣床以及自动松拉刀系统和机构有了更多的认识，并且认识到了自动松拉刀系统对机床加工性能的提高。总之，自动松拉刀机构将会在以后的机械工业发展中起到很大的作用。2 铣削主轴的自动松拉刀机构的设计方案2.1 自动松拉刀系统总体运动方案的分析 铣削主轴的自动松拉刀机构的设计主要是为了在更换铣床主轴刀具时实现刀具夹头的自动松开和夹紧，而实现这些动作过程就是靠自动松拉刀的系统完成的。图2.1 自动松拉刀系统的运动分析图 (1)自动松拉刀系统可以分为两个运动和两个状态。两个运动即为松开刀具的运动和拉紧刀具的运动；而两个状态即为松开刀具状态和拉紧刀具状态。如图1 所示 (2)自动松拉刀系统的两个运动要求能够实现轴向的往返运动，以实现刀具的松开和拉紧。 (3)自动松拉刀系统的两个状态要求系统机构能在两个位置固定不动，以实现刀具的松开和锁紧状态，并且能够在出现停电等的意外情况时，刀具的夹头不会自动松脱，从而保证了系统的安全性，以实现安全地进行切削工作。2.2 自动松拉刀系统的结构设计和工作原理2.2.1 自动松拉刀系统的结构设计方案 自动松拉刀系统主要包括两个部分运动，即为松开刀具的运动和拉紧刀具的运动。其中松开刀具运动部分主要是由液压系统部分完成的；而拉紧刀具运动部分是由碟形弹簧、拉杆和拉爪等组合完成的。结构设计方案简图如图2.2： 图2.2 自动松拉刀的结构设计简图 对图2.2的介绍与分析：对于松开刀具运动部分可以有两种系统来完成，分别是液压传动系统和气压传动系统。液压传动系统的工作原理：通过继电器控制液压泵给液压缸输送液压油，然后通过液压油的压力来推动液压缸内的活塞杆进行往返运动。气压传动系统的工作原理：通过继电器控制电动机来带动空气压缩机，然后通过空气压缩机传出的气体来推动气缸内的活塞杆进行往返运动。液压传动系统中液压缸的活塞杆移动缓慢，并且噪音小；而气压传动系统中气缸内的活塞杆移动迅速，并且噪音大；由于此次设计的是普通铣床主轴的自动松拉刀机构，在换刀具时是用人工换的，活塞杆的速度慢一些比较安全，故选择了液压传动系统。对于拉紧刀具运动过程中的零部件，弹簧的选择有多种，比如有圆柱螺旋弹簧、环形弹簧和碟形弹簧等。但是由于碟形弹簧的刚度很大，缓冲吸振的能力也很强，并且当其承受很大的载荷时，弹簧的形变量也很小，并且它适用于轴向运动距离较小的场合，并且碟形弹簧采用的组合方式不同，可以得到很大范围的弹簧特性，并且碟形弹簧经常用于一些重型机械，并在一些场合逐步取代圆柱螺旋弹簧，并且碟形弹簧的维修和拆装比较方便，使用寿命也很长，故该弹簧选择碟形弹簧比较合适。 而对于拉爪的选择，有两种不同的选择，分别是钢球拉紧机构和四瓣拉爪。钢球拉紧机构是与拉杆和刀柄附件连接，通过拉杆拉动它，然后利用主轴内孔的直径的变化来拉紧并锁紧刀具；但是该机构不是标准件，用起来不是很方便，所以机床中应用的比较少。 图2.3 钢球拉紧机构 而四瓣拉爪也是与拉杆和刀柄附件连接，通过拉杆拉动它，然后利用主轴内孔的直径的变化来拉紧并锁紧刀具；但是四瓣拉爪是通过螺纹与拉杆连接，并且四瓣拉爪已经标准化，其型号有BT30、BT40和BT50等，每种型号都有45、60和90之分别；可以根据刀柄附件的不同选择合适的四瓣拉爪的型号。四瓣拉爪在机床中应用也非常广泛，故选用四瓣拉爪。图2.4 四瓣拉爪 而对于轴承的选择，轴承分好多种，最常见的有圆锥滚子轴承、深沟球轴承和角接触球轴承。圆锥滚子轴承和角接触球轴承都是不仅可以承受轴向载荷，而且也可以承受径向载荷；但是深沟球轴承主要是承受径向载荷。而对于圆锥滚子轴承和角接触球轴承两种轴承，对角接触球轴承了解的比较多，做课程设计用的也比较多，故选择了角接触球轴承。2.2.2 自动松拉刀系统的工作原理 自动松拉刀系统中有两个运动，即为松开刀具运动和拉紧刀具运动。 对于松开刀具运动：液压缸的活塞杆向下推动拉杆，拉杆向下运动，压缩碟形弹簧的同时并推动四瓣拉爪向下运动，当四瓣拉爪的夹头张开时，即可松开刀具，则松开刀具运动完成。 对于拉紧刀具运动：液压缸的活塞杆向上运动，碟形弹簧通过恢复自己的形变而给拉杆施加一个向上的推力，拉杆向上运动并且拉动四瓣拉爪也向上运动，当四瓣拉爪的夹头夹紧时，即可拉紧刀具，则拉紧刀具运动完成。2.3 本章小结 本章主要是对铣削主轴的自动松拉刀机构的结构装配方案进行初步的设计和确定，以及对铣削主轴的自动松拉刀系统中的液压系统与碟形弹簧、拉爪和轴承等零部件的类型的选择和确定；另外，也对铣削主轴的自动松拉刀系统的工作原理进行了简单的说明。 3 主要零部件的设计计算与校核3.1 蝶形弹簧3.1.1 碟形弹簧的基本介绍 普通的碟型弹簧是机械产品中应用最广泛的一种弹簧,并且已经标准化,其中标准代号为GB/T 1972-2005。碟型弹簧的结构形式、产品的分类以及产品的尺寸系列如下： 1、碟形弹簧的结构型式碟形弹簧根据厚度可分为无支承面的碟形弹簧和有支承面的碟形弹簧两种结构型式，如图3.1所示：图3.1 单个碟形弹簧及计算应力的截面位置 其中：为碟形弹簧外径；为碟形弹簧内径；为碟形弹簧中性径，是碟形弹簧中性点所在的圆的直径，其大小按计算。为无支承面的碟形弹簧的厚度；为有支承面的碟形弹簧的厚度；为碟形弹簧的自由高度；为无支承面的碟形弹簧被压平时的变形量，；为有支承面的碟形弹簧被压平时的变形量，；其中;为碟形弹簧所承受的载荷；为碟形弹簧的变形量。 2、碟形弹簧的产品分类 按碟形弹簧的厚度可以分为三类，如表3.1类别型式碟形弹簧的厚度t/mm1无支承面2无支承面3有支承面表3.1 根据碟形弹簧的外径、压平时的变形量和厚度的比值和的不同可依次分为三种系列，如表3.2系列比值备注 A180.40材料的弹性模量泊松比 B280.75 C401.3表3.23.1.2 碟形弹簧的材料及其许用应力 1、碟形弹簧的材料 碟形弹簧的材料具有很高的弹性极限、屈服极限、耐冲击性能和足够大的塑性变形能力。目前我国常用的材料是60Si2MnA和50CrVA或者其力学性能符合要求的弹簧钢热轧钢板和锻造坯料制造。 2、碟形弹簧的许用应力以及疲劳极限 (1)载荷的类型碟形弹簧的许用应力与载荷性质有关。按载荷性质不同可以分为变载荷与静载荷两类。 变载荷：作用在碟形弹簧上的载荷在预加载荷和工作载荷之间循环变化在规定寿命内变化次数为次。 静载荷：作用在碟形弹簧上的载荷不变，或者在长时间内只有偶然变化，并且在规定寿命内的变化次数为次。(2)静载荷作用下的碟形弹簧的许用应力静载荷作用下的碟形弹簧应通过检验点的应力来保证自由高度的稳定；碟形弹簧被压平时，应接近（小于）碟形弹簧材料的屈服极限。对于常用的碟形弹簧的材料60Si2MnA或 50CrVA，。(3)变载荷作用下的碟形弹簧的疲劳极限 变载荷作用下的碟形弹簧的使用寿命可以分为以下两种： 无限寿命：可以承受或更多次的加载而不破坏。 有限寿命：可以在持久极限范围内承受次有限的加载变化直至破坏。 对于变载荷作用在碟形弹簧上时，疲劳破坏最常发生在最大拉应力处，即为处或处。而对于无支承面的碟形弹簧：和的值将决定这个位置；对于有支承面的碟形弹簧：的值将决定这个位置。下面的图3.2就是用于判断出疲劳破坏关键位置的曲线。图3.2 碟形弹簧疲劳破坏关键部位3.1.3 碟形弹簧的设计计算 碟形弹簧的组合方式有对合组合、叠合组合、复合组合等，而一般最常用的是对合组合的方式。该组合方式有结构简单、对合片数少等优点，所以本次设计选用此种组合方式。 由于与主轴配合的刀柄选用的是BT40的刀柄，而查刀柄的应用手册得:一般拉紧BT40的刀柄需要用的力，在装配主轴时，需要用锁紧螺母固定碟形弹簧，其预紧力为。在铣削过程以及更换刀具的过程中，碟形弹簧的最大变形量为，所承受的最大的力为，碟形弹簧在与之间循环受力。根据这些要求，设计出合适的碟形弹簧组合。 1、根据上述要求并查机械设计手册，从A、B、C三个系列中各选出一个规格，尺寸和参数如表3.3 系列 A 80 41 5 1.7 6.7 33700 1.28B 80 41 3 2.3 5.3 10500 1.73C 80 41 2.25 2.95 5.2 6610 2.21 表3.3 根据表3.3可得：先试选用A系列碟形弹簧对合组合，并查机械设计手册可得此种碟形弹簧无须减薄，故与相同。 2、根据，则查机械设计手册可得： , , ,而碟形弹簧有支承面时取。则当压平碟形弹簧时的载荷 (3.1)而其中：弹性模量，取 ：泊松比，取则把数据代入公式（3.1）得： 3、因为该碟形弹簧的组合方式是对合组合，并且单个碟形弹簧所承受的载荷为，则则由机械设计手册查得：当合时，由此碟形弹簧的变形量 要想满足碟形弹簧的总变形量则需要的碟形弹簧的片数，取片则为承受载荷时碟形弹簧的自由高度为碟形弹簧承受的载荷时的高度为： 3.1.4 碟形弹簧的校核 1、由载荷和，计算出碟形弹簧的形变量和。由上面的计算可得：，则，按照查机械设计手册可得：，则 2、确定碟形弹簧的疲劳破坏的关键部位由，查上面的图3.2可得:碟形弹簧的疲劳破坏的关键部位为处。 3、计算碟形弹簧的疲劳破坏的关键部位的应力和应力幅碟形弹簧的疲劳破坏的关键部位的应力的计算公式为： （3.2）把数值代入公式（3.2）可得：当时， 当时，则应力幅为 4、检验碟形弹簧的寿命 根据碟形弹簧的疲劳破坏的关键部位的最小应力，查图3.3：图3.3 碟形弹簧的极限应力曲线 由图3.3可得：当时，碟形弹簧的疲劳破坏的关键部位的最大应力为，则疲劳应力幅，故。所以此碟形弹簧可以持久工作，故选用A型，有支承面，共20片对合组合的碟形弹簧。3.2 拉杆3.2.1 拉杆的作用 拉杆是铣削主轴的自动松拉刀系统主要部件，该系统就是通过拉杆与拉爪连接，而后靠碟形弹簧的弹力和液压缸的推力实现自动松开刀具和自动拉紧刀具的动作。由主轴的前端到主轴的末端是拉杆先与拉爪连接，然后是与碟形弹簧配合连接，而后再与锁紧螺母通过螺纹连接，最后是与液压缸接触的部分。 松开刀具时，液压缸工作，推动拉杆向主轴的前端运动，拉杆推动拉爪，拉爪向主轴的前端运动并松开，由此实现松开刀具的动作；在拉紧刀具时，液压缸反方向运动，碟形弹簧的弹力推动拉杆反方向运动，拉杆反方向拉动拉爪，拉爪反方向运动并夹紧，由此实现拉紧刀具的动作。3.2.2 确定拉杆的各段的直径 由于拉杆的最前端是通过螺纹与拉爪连接在一起的，而选取的拉爪型号为BT40-45，则查看该拉爪的应用手册可得该拉爪的前端是M161.5的外螺纹，因此拉杆的前端必需有M161.5的内螺纹与拉爪配合连接，如图3.4拉杆的简图所示，则取段处的直径为 图3.4 拉杆 对于段处，该段是拉杆与碟形弹簧配合连接，则该轴段的直径可以根据碟形弹簧的型号确定。由于碟形弹簧承受的最大的载荷较大，故为了满足拉杆的刚性要求，选取该轴段的直径为。 对于段处，该段主要是安装锁紧螺母和碟形弹簧的压板，通过锁紧螺母来预紧碟形弹簧，为了安装和拆卸方便，段处的直径应该比段处的直径小一些，并且根据碟形弹簧的内径的大小，应该选取该轴段的外螺纹为M361.5。 对于段处，该段是当液压缸的活塞杆向前推动拉杆时与拉杆的接触段，该轴段没有什么特别的要求，只需要该段的直径比段处的直径小一些即可，故选取此段处的直径为。3.2.3 确定拉杆的各段的长度 对于段处，该段是与碟形弹簧配合连接，由碟形弹簧的设计计算可得，碟形弹簧的总自由高度为，而碟形弹簧先要用锁紧螺母锁紧，因此选取该轴段处的长度为即可。 对于段处，该段是与锁紧螺母和碟形弹簧的压板配合连接，故该段的长度要大于锁紧螺母的宽度与碟形弹簧的压板的厚度之和。查机械设计手册可得：锁紧螺母的宽度为，碟形弹簧的压板的厚度为，则选取该轴段的长度为。 对于段处，该轴段的长度没有什么特别的要求，故选取该轴段的长度为。 对于段处，该轴段是与主轴配合，故要与主轴联合起来配合设计。由主轴的设计计算可得：主轴与拉杆配合的部分长度为，而由于碟形弹簧的最大变形量为，锁紧螺母锁紧时碟形弹簧的形变量为，则碟形弹簧还剩余的形变量，则选取主轴与拉杆的段处之间的距离为，则选取该轴段的长度为。3.2.4 校核拉杆的强度 拉杆的材料为45钢，在工作过程中，拉杆主要承受的载荷为拉力，故只需要校核拉杆的拉应力即可。而拉杆的拉应力最集中的并且最危险的地方是段与段的连接处。 则对此处的拉应力： （3.3） 故满足拉杆的强度要求。3.3 主轴3.3.1 轴的基本介绍 轴是机械中传动动力的一个主要的零件，它支撑着其它作圆周转动的零件，并传递转矩，同时它也通过轴承和固定架连接。轴上的所有零件都要围绕着轴心线实现回转运动，然后它们形成一个以轴为基准的组合体，所以在设计轴的时候不能只单一的考虑周本身，须与其它的轴上的零件密切的联系在一起。 1、轴的分类 按轴所承受的载荷的不同可以将周分为传动轴、心轴和转轴。 传动轴是只需传递转矩，而不承受弯矩的轴；心轴是只承受弯矩，而不传递转矩的轴；而转轴是既承受弯矩又传递转矩的轴；而此次设计的轴既承受弯矩又传递转矩，即为转轴。2、按结构形状的不同分类可以分成实心轴、空心轴、光轴和阶梯轴；而此次设计的轴为空心轴。3.3.2 选择主轴的材料以及热处理的方法 轴的材料主要是合金钢和碳钢，由于铣床主轴主要传递扭矩，且在高速转动中能产生出大量的热，能产生一定的轴的伸长，并且影响其他零件的变形，从而影响工件的加工表面质量和加工精度。因此考虑多方面因素最终选择45钢为此次设计轴的材料，并采用调制处理。查机械设计手册得知，45钢的抗拉强度极限为，屈服强度极限为，剪切疲劳极限为，以及许用弯曲应力为。3.3.3 轴的结构设计 1、轴的结构设计主要取决于以下几个因素： (1)轴机械设备中的安装位置及安装形式 (2)安装在轴上的零件的数量、尺寸、类型以及和轴的连接方法 (3)轴上载荷的分布情况，以及载荷的大小、方向和性质 2、.加工轴的工艺不论什么样的条件，轴的结构都应该满足下面的条件： (1)装在轴上的零件在轴上要有准确的固定工作的位置，并且轴向和周向都要有准确的定位 (2)装在轴上的零件要便于拆装和调整 (3)轴应该具有良好的制造工艺性和结构工艺性 3、拟定轴上零件的装配方案 根据上面碟形弹簧和拉杆的设计与计算，如果按照最初铣削主轴的自动松拉刀结构设计的方案进行装配，主轴各段的结构以及直径不太合适，故对主轴和拉杆以及轴上零件的装配方案进行新的调整，新拟定的装配图如图3.5：图3.5 装配简图 其中阻挡螺母是非标准件，根据主轴以及碟形弹簧的需要制造出合适的阻挡螺母；而拉杆与碟形弹簧配合的轴段与主轴的最前端应该有一段的距离，以便留出拉杆向下运动时所需要的空间距离。3.3.4 主轴的设计计算 1、计算主轴上的转速、转矩和功率 设计该铣削主轴时，需要确定该主轴传递的功率、转速以及传递的转矩，而这几个参数的确定需要根据铣床的型号以及选择的电动机等有关，故选择一种最常见的立式铣床作为该主轴设计计算的基础，为此选择常见的X5032立式铣床。 由于X5032立式铣床有较大的加工范围，传递的功率也有多种，但是可以根据一种典型的切削工艺情况来设计计算。根据该机床的主要加工范围，查看该机床的相关资料可以确定以下典型的加工工艺：用高速钢的圆柱平刀去铣削材料为灰铸铁的工件平面。 当X5032立式铣床加工此种工艺时，查机床应用手册可得:主轴传递的功率为。而由于X5032立式铣床的传动系统有18级的传动，故查机床应用手册可得：X5032立式铣床主轴的转速为。 由此计算该机床的主轴上的转矩：当转速为时： 转矩当转速为时： 转矩 而在设计校核该主轴时应选择较大的转矩，而此时主轴的转速为。 2、作用在齿轮上的力由于X5032立式铣床传动系统中的齿轮选用的全部都是标准直齿圆柱齿轮，而在上面主轴所在的转速、功率以及传递的转矩下，查看机床应用手册得：该主轴上的大小标准直齿圆柱齿轮的分度圆直径分别为和。则对于大的标准直齿圆柱齿轮： 圆周力：径向力：对于小的标准直齿圆柱齿轮：圆周力：径向力：在设计校核该主轴时按小的标准直齿圆柱齿轮上承受的圆周力和径向力去校核计算。 3、初步确定该主轴上的最小直径由于选择的该主轴的材料为45钢，并且采用调制处理，根据机械设计可得：取。由于该主轴为空心轴，则由最小直径计算公式得： （3.4）为空心轴的内径与外径之比，通常取。则把数值代入公式（3.4）得：由上式结果可得取该主轴的最小外径，而最小外径是段处，此处是外螺纹，并且与阻挡螺母连接，该阻挡螺母为非标准件，故该段处为的外螺纹。 4、确定该主轴各段的外径和长度对于段处，由上面可知，段处为最小径，其外径为，与非标准件阻挡螺母螺纹连接，故此段的长度可根据结构的合适比例而选择适当的尺寸，因此此段的长度可选取。 对于段处，由于该段是与轴承和轴承端盖配合，所以先选择轴承的型号，才能确定该段的外径。由于该轴承既要承受径向载荷又要承受轴向载荷，所以初步选择该轴承为角接触球轴承。另外，为了装配时方便，则角接触球轴承的内径应大于段处的外径，故选择该角接触球轴承的型号为。查机械设计手册得：该角接触球轴承的内径为70mm，故该轴段的外径。而对于该轴段的长度，查机械设计手册得：该角接触球轴承的宽度为，并查得与该角接触球轴承相配合的轴承端盖的厚度为。另外，为了方便加注润滑油润滑，轴承端盖与阻挡螺母之间应该留出一段空隙，该空隙的长度可留取，而为了对两个标准直齿圆柱齿轮进行轴向定位，该轴段的长度应该多取，所以该轴段的长度为。 对于段处，该轴段与两个标准直齿圆柱齿轮用圆头平键配合连接。而对于上面所选择的轴承应采用轴肩进行轴向定位，查机械设计手册得：7314AC角接触球轴承的定位轴肩高度为，因此取该段处的外径为。另外，为了对两个标准直齿圆柱齿轮进行轴向定位，小的标准直齿圆柱齿轮与角接触球轴承之间应用套筒进行固定，套筒的宽度可选取。而为了在两个标准直齿圆柱齿轮之间留有间隙，中间应该用套筒固定，该套筒的宽度可选取；两个标准直齿圆柱齿轮的轮毂的宽度分别为和，而为了对两个标准直齿圆柱齿轮进行轴向定位，该轴段的长度应该少取，所以该轴段的最终长度为。 对于段处，该轴段对两个标准直齿圆柱齿轮和轴承起到轴向定位作用。而对于大的标准直齿圆柱齿轮轴肩定位的轴肩高度，则该轴段的外径；对于该轴段的长度，没有什么特别的要求，因此取该轴段的长度为。 对于段处，该轴段与轴承和轴承端盖配合连接，所以先选择轴承的型号才能确定该轴段的外径。由于该轴承既要承受径向载荷也要承受轴向载荷，所以初步选择该轴承为角接触球轴承。为了装配和拆卸方便，以及为了让段作为该角接触球轴承轴向轴肩定位的轴肩，则选择该角接触球轴承的型号为7316AC；查机械设计手册可得：该角接触球轴承的内径为，故该轴段的外径为；对于该轴段的长度，查机械设计手册可得：该角接触球轴承的宽度为，并且查得与该角接触球轴承相配合的轴承端盖的宽度为，而轴承端盖与刀柄之间应该留出一定的间隙，可取该间隙的长度为，则该轴段的长度为。 则该主轴的总长度为： = 5.确定主轴各轴段的内径和长度对于段处，该段是与BT40的刀柄进行配合，查BT40刀柄的应用手册可知该刀柄的各个参数，根据刀柄的参数可得出该段为锥度为的圆台，其中底面的直径为，而刀柄与该主轴配合的长度为,则通过锥度的计算公式可得：圆台的上面的直径为： 而为了便于对BT40-45拉爪的安装与拆卸，查BT40-45拉爪的应用手册得出该拉爪的各项参数，则根据拉爪的参数得：拉爪柄部的直径为，则选取圆台上面的直径为，则通过锥度的计算公式可得： 圆台的最终长度即段处的长度为：对于段处，该段是与BT40-45的拉爪进行配合，查BT40-45拉爪的应用手册得出该拉爪的各项参数，则根据拉爪的参数得：拉爪柄部的直径为，则选取该段的内径。另外，拉爪与拉杆是螺纹连接，除去螺纹连接的部分，拉爪其余部分的总长为，而在拉紧刀具时，拉爪的柄部与主轴之间要有的间隙，则该段处的长度为。对于段与段处，由于拉爪与刀柄之间是由刀柄附件连接起来的，查阅BT40刀柄附件的应用手册可得出该附件的各项参数，则由该附件的各项参数，并结合碟形弹簧的最大变形量以及刀柄附件与拉爪的配合连接可得：段的内径为，长度为；而段的长度为，此段为斜面。 对于段处，该段处是与拉杆相配合。而与该段处相配合的拉杆的直径为，则选取该轴段的内径为，则该轴段的长度为： 。至此，已初步确定了主轴的各轴段的外径和内径的直径，以及各轴段的长度。 6、轴上零件的周向定位两个标准直齿圆柱齿轮的周向定位均采用平键连接，按段轴的直径查机械设计手册可得：与小的标准直齿圆柱齿轮相连接的平键截面为，平键长度为，与大的标准直齿圆柱齿轮相连接的平键截面为，平键长度为。为了保证两个标准直齿圆柱齿轮与轴的配合有良好的对中性，故选择两个标准直齿圆柱齿轮的轮毂与轴的配合为，而角接触球轴承的周向定位是通过过渡配合来保证的，选轴的直径尺寸公差为。另外，对于轴上的倒角尺寸，选取轴端上的倒角为。 7、计算轴上的载荷 查X5032立式铣床的应用手册可得：在进行典型的工艺加工时，切削工件的切削力为,在进给过程中，工件对刀具的径向力为.则根据轴的结构图作出轴的计算简图，然后作出轴的弯矩图和扭矩图，如图3.6：图3.6 主轴的载荷分析图 从图3.6中轴的结构图以及弯矩图和扭矩图可以看出截面C是该主轴的危险截面，现在将计算出截面C处的、以及的值，如表3.4载荷水平面垂直面 支反力弯矩总弯矩 扭矩表3.4 8、按弯扭合成应力校核主轴的强度 进行校核时，通常只需校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度，故只需校核截面C的强度。根据上表的数据以及该主轴是单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取,则该主轴的计算应力为 （3.5） 查机械设计手册得：45钢的许用弯曲应力，因此可得，故该主轴安全。3.4 轴承3.4.1 轴承的介绍 滚动轴承在现代的机械设备中应用非常广泛，它主要是依靠是依靠零件与零件之间的滚动接触来完成支承运动的。 根据轴承承受的载荷不同，有的轴承只承受径向力，有的轴承只承受轴向力，而有的轴承既承受径向力也承受轴向力；而此次设计的轴承既承受径向力也承受轴向力。在前面的主轴的设计与计算中已经初步选择了角接触球轴承7314AC和7316AC，并且两个角接触球轴承采用正装的组合方式。 查机械设计手册可得： 7314AC型角接触球轴承的基本额定动载荷为 7316AC型角接触球轴承的基本额定动载荷为3.4.2 轴承的设计计算与校核 1、计算两个角接触球轴承承受的径向载荷和 由于轴上安装有标准直齿圆柱齿轮，并且承受有径向力和圆周力，故可以将该空间力系分解为水平面的和竖直面的两个平面的力系。其中圆周力为通过另外加载转矩而平移到指向轴线上，通过上面的主轴的设计计算过程可得： 则7314AC型角接触球轴承承受的径向载荷: 7316AC型角接触球轴承承受的径向载荷: 而在铣削主轴自动松开刀具和自动拉紧刀具的过程中，主轴所承受的最大的轴向力为，其方向是由7314AC型角接触球轴承指向7316AC型角接触球轴承，则受力分析图如图3.7：图3.7 轴承的受力分析图 2、计算两个角接触球轴承的派生轴向力和 由角接触球轴承的派生轴向力的计算公式可得： 7314AC型角接触球轴承的派生轴向力为： 7316AC型角接触球轴承的派生轴向力为： 由于外加轴向力的方向是由7314AC型角接触球轴承指向7316AC型角接触球轴承，并且有 另外，由于两个角接触球轴承采用正装的组合方式，则由此可得7314AC型角接触球轴承被“放松”，7316AC型角接触球轴承被“压紧”，则 7314AC型角接触球轴承所承受的轴向力为： 7316AC型角接触球轴承所承受的轴向力为： 3、计算两个角接触球轴承的当量动载荷和 查机械设计手册可得：机床的载荷系数对于7314AC型角接触球轴承： 由于，则取, 故当量动载荷：对于7316AC型角接触球轴承： 由于，则取, 故当量动载荷： = 4、计算并验算两个角接触球轴承的寿命 由于该机床是在常温条件下工作的，故两个角接触球轴承也是在常温条件下工作，即，则查机械设计手册可得：角接触球轴承的温度系数由轴承的寿命计算公式可得： （3.6） ：主轴的转速 ：温度系数 ：基本额定动载荷 :当量动载荷 把各个数值代入公式（3.6）可得： 7314AC型角接触球轴承的寿命： 7316AC型角接触球轴承的寿命： 综上所述，两个角接触球轴承的寿命可适用，故不必重新选择。3.5 本章小结 本章主要是对铣削主轴的自动松拉刀机构中的碟形弹簧、拉杆、主轴以及轴承的设计与计算的过程，以及对拉爪和其他零部件的选择；最终确定了各个主要零部件的尺寸和型号。4 机构的装配图及其分析和说明4.1 机构的装配图 铣削主轴的自动松拉刀机构的装配图，如图4.1图4.1 铣削主轴的自动松拉刀机构的装配图4.2 装配图的分析和说明 对于松开刀具运动：通过继电器控制液压泵给液压缸输送液压油，然后通过液压油的压力来推动液压缸内的活塞杆向下推动拉杆，拉杆向下运动，压缩碟形弹簧的同时并推动四瓣拉爪向下运动，当四瓣拉爪的夹头张开时，即可松开刀具，则松开刀具运动完成。 对于拉紧刀具运动：通过继电器控制液压泵给液压缸输送液压油，然后通过液压油的压力来推动液压缸内的活塞杆向上运动，碟形弹簧通过恢复自己的形变而给拉杆施加一个向上的推力，拉杆向上运动并且拉动四瓣拉爪也向上运动，当四瓣拉爪的夹头夹紧时，即可拉紧刀具，则拉紧刀具运动完成。 从装配图的最上面开始，先是液压缸，然后是液压缸的活塞杆与拉杆的接触部分，下面是拉杆与锁紧螺母和碟形弹簧的压板的螺纹连接，根据碟形弹簧的设计与计算，为了碟形弹簧的安装与拆卸方便，该段拉杆的为M361.5的外螺纹，则锁紧螺母为M361.5，锁紧螺母和碟形弹簧的压板是为了对碟形弹簧进行