铣削组合机床及其主轴组件设计

盐城纺织职业技术学院毕业设计（ 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ） 铣削组合机床及其主轴组件设计 陈 杰 班 级 811 专 业 数控 所 在 系 机电系 指导老师 钱宗仁 完成时间2010 年12月20日至2011年1月8日 摘 要 组合机床，是由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率机床。其特点有：结构紧凑、工作质量可靠、设计和制造周期短、投资少、经济效果好、生产率高等。 本次设计的 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目是铣削组合机床及主轴组件。首先针对所要加工的零件入手，对机床进行总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计，进而确定机床的总体布局，随后，对主轴组件进行设计。在设计主轴组件时，以主轴为线索，在满足刚度、精度等要求下，完成其它（如轴承、轴向调节机构、锁紧机构等）所有零件的设计。 关键词：组合机床，主轴组件，刚度，主轴，轴承，轴向调节机构 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 目 录 I摘 要 IIAbstract 1前 言 2第一章 机床总体设计 21.1机床总体方案设计的依据 21.1.1 工件 21.1.2刀具 21.2 工艺分析 21.2.1 工艺 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的确定 31.2.2 机床总体布局 41.2.3 机床运动的确定 41.3机床主要技术参数的确定 41.3.1 确定工件余量 41.3.2 选择切削用量 51.3.3 运动参数 61.3.4动力参数—主运动驱动电动机功率的确定 71.4 进给驱动电动机功率的确定 8第二章 主轴组件设计 82.1 主轴的基本要求 82.1.1 旋转精度 82.1.2 刚度 92.1.3 抗振性 112.1.4 温升和热变形 112.1.5 耐磨性 112.1.6 其他 112.2 主轴组件的布局 122.2.1 适应刚度和承载能力的要求 132.2.2 适应转速要求 142.2.3 适应精度的要求 142.2.4 适应结构的要求 142.2.5 适应经济性要求 152.3 主轴结构的初步拟定 162.4 主轴的材料与热处理 162.5 主轴的技术要求 172.5.1 轴颈 172.5.2 内锥孔 172.6 主轴组件的计算 172.6.1 主轴直径的选择 182.6.2 主轴前后支承轴承的选择 192.6.3 主轴内孔直径 202.6.4 主轴前端悬伸量 212.6.5 主轴支承跨距 222.7 主轴结构图 222.8 主轴组件的验算 222.8.1 主轴端部挠度 252.9 主轴组件的润滑和密封 252.9.1 主轴轴承的润滑 252.9.2 主轴组件的密封 272.10 主轴组件中相关部件 272.10.1 轴肩挡圈 272.10.2 挡圈 272.10.3 圆螺母 282.10.4 套筒 292.10.5 前、后支承的轴承盖 302.10.6 主轴用套筒及其锁紧部分 312.10.7 主轴尾部的内花键 322.11 主轴组件轴向调节机构 322.11.1 丝杠螺纹 332.11.2 丝杠轴承的选择 332.11.3 丝杠螺母 332.11.4 丝杠中段螺纹 332.11.5 丝杠上的内隔套 352.12 箱体设计 37参 考 文 献 38致 谢 前 言 机械制造业在国民经济中占有重要的地位，是国民经济各部门赖以发展的基础，是国民经济的重要支柱，是生产力的重要组成部分。机械制造业不仅为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种生产设备、仪器仪表和工具，而且为制造业包括机械制造业本身提供机械制造装备。机械制造业的生产能力和制造水平标志着一个国家或地区的科学技术水平、经济实力。 机械制造业的生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。机械制造装备的核心是金属切削机床，精密零件的加工，主要依赖切削加工来达到所需要的精度。金属切削机床所担负的工作量约占机器制造总工作量的40%～60%，金属切削机床的技术水平直接影响到机械制造业的产品质量和劳动生产率。换言之，一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。显然，金属切削机床在国民经济现代化建设中起着不可替代的作用。 纵观几十年来的历史，机械制造业从早期降低成本的竞争，经过20世纪70年代、80年代发展到20世纪90年代乃至21世纪初的新的产品的竞争。目前，我国已加入世界贸易组织，经济全球化时代已经到来，我国机械制造业面临严峻的挑战，也面临着新的形势：知识——技术——产品的更新周期越来越短，产品的批量越来越小，产品的性能和质量的要求越来越高，环境保护意识和绿色制造的呼声越来越强，因而以敏捷制造为代表的先进制造技术将是制造业快速响应市场需要、不断推出新产品、赢得竞争、求得生存和发展的主要手段。 金属切削机床中的组合机床，是根据工件加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。它具有：生产率高；加工精度稳定；研制周期短，便于设计、制造和使用维护，成本低；配置灵活等。正是由于这些特点的存在，决定了组合机床在当今新形势下仍能被广泛应用于汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪器仪表、军工及自行车等轻工行业和机床、机车、工程机械等制造业中。 此次设计的是铣削组合机床及主轴组件。首先，对机床进行总体设计，确定总体方案后得到机床总体布局图；再着重进行主轴组件的设计，其中包括主轴的设计、支承的选取、主轴轴向移动机构和主轴锁紧机构等的设计。 第一章 机床总体设计 设计机床的第一步，是确定总体方案。总体方案是机床部件和零件的设计依据，对整个设计的影响较大。因此，在拟定总体方案的过程中，必须全面地、周密地考虑，使所定方案技术先进、经济合理。 1.1机床总体方案设计的依据 1.1.1 工件 工件是机床总体方案设计的重要依据之一，设计者必须明确工件的特点和加工要求。本次毕业设计要求设计一台组合机床，用于加工VF-6/7型空压机减荷阀体的两侧面，工件材料为HT200，硬度为190～210HB,生产批量为大批量，铸造毛坯。加工部位的加工要求如下： (1)被加工表面的粗糙度均为R 10； (2)被加工表面的相互位置精度为： 平面1～2之间的距离为225mm； 平面1～2与φ95中心线的垂直度要求为0.03mm。 1.1.2刀具 图1-1 减荷阀体简图 硬质合金端铣刀，刀齿材料为YG6，铣刀盘直径为φ75～110，刀具齿数Z=4。 1.2 工艺分析 1.2.1 工艺方法的确定 机床的工艺方法是多种多样的，按工种可分为车、铣、刨、钻、镗、磨、研磨、电加工、振动加工、激光加工等；每一种还可再分，如车削加工有车外圆、车端面、车槽、车球面等之分；按加工精度各表面粗糙度可分为粗加工、半精加工、光整加工等；按工序集中程度可分为单刀、多刀、单工件、多工件、单工位、多工位等；按作业形式可分平行作业、顺序作业、平行-顺序作业等。 工艺方法对机床的结构和性能的影响很大，工艺方法的改变常导致机床的运动、传动、布局、结构、性能以及经济效果等方面的一系列变化。 加工平面的方法有很多，比如说车削，铣削，刨削。对于VF-6/7型空压机减荷阀体，用车床进行车削加工时，由于减荷阀体外形复杂，且为壳类零件，不宜装夹在车床主轴上进行加工，装夹稳定性也不高；用刨床进行刨削加工时，机床需要两个运动，机床和刀具结构简单，装夹在工件台上快速，稳固，但生产率低，加工精度也达不到工件要求；用端铣刀进行铣削加工时，生产率不仅提高了，也能满足工件所要求的加工精度，且装夹快速，方便。 与普通机床相比，组合机床具有生产率高，加工精度稳定，研制周期短，便于设计、制造和使用维护、成本低、自动化程度高、劳动强度低，配置灵活等特点，因此，当生产量很大时，用组合机床进行加工更合理。 1.2.2 机床总体布局 机床的总体布局指确定机床的组成部件之间的相对位置及相对运动关系。 合理的总体布局的基本要求有：(1)保证工艺方法所要求的工件与刀具的相对运动关系；(2)保证机床具有足够的加工精度和相适应的刚度和抗振性；(3)便于操纵、调整、维修，便于输送、装卸工件和排屑等；(4)节省材料，占地面积小，即经济效果好；(5)造型美观。 根据减荷阀体的加工要求，机床总体布局图如图1-1所示： 图1-2 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 减荷阀体安装在工作台上，铣削动力头带动铣刀作旋转主运动，工作台作纵向进给运动，完成对工件的切削加工。此方案的优点是各部件均是针对减荷阀体设计的，因此，结构紧凑，刚性好，生产率高，加工质量稳定。 1.2.3 机床运动的确定 确定机床运动，指确定机床运动的数目，运动类型以及运动的执行件。 本次毕业设计的组合机床的工艺方法是，用一把端铣刀直接进行加工。相应的表面成形运动为：单主轴的回转运动，工作台纵向进给运动；辅助运动为：主轴轴向调整运动。 1.3机床主要技术参数的确定 机床主要技术参数包括主参数和基本参数，基本参数又包括尺寸参数，运动参数，动力参数。 1.3.1 确定工件余量 VF-6/7型空压机减荷阀体，零件材料为HT200，硬度190—210HB，生产类型为大批量，铸造毛坯。 查《机械制造工艺设计简明手册》表2.2～2.5,取加工余量为2.5mm(此为双边加工)。 1.3.2 选择切削用量 由于被加工零件的铣削宽度为175mm,需进行二次走刀，故一次走刀为90mm(宽度)，二次走刀为175-90=85mm，即：a =90mm。 根据《组合机床设计简明手册》第132～133页，选择铣削切削用量。 铣削用量的选择与要求的加工表面粗糙度值及其生产率有关系。当铣削表面粗糙度数值要求较低时，铣削速度应选高一些，每齿走刀量应小些。若生产率要求不高，可以取很小的每齿走刀量，一次铣削4～5mm的余量达到R =1.6μm的表面粗糙度。这时每齿的进给量一般为0.02～0.03mm。 根据本次设计所加工的零件要求，其表面粗糙度数值较高，加工材料为铸铁，查表6-16得： a =0.2～0.4mm/z,V=50～80m/min,取a =0.2mm/z。 1.3.3 运动参数 机床的运动参数包括主运动转速和转速范围、进给量范围、进给量数列以及空行程速度等。此次设计主要确定主运动的运动参数。 (1)主轴最高，最低转速 按照典型工序的切削速度和刀具(或工件)直径、计算主轴最高转速n 、最低转速n 。计算公式如下： n = ， n = 式中：n 、n —主轴最高、最低转速(r/min) V 、V —最高、最低切削速度(m/min) d 、d —最大、最小计算直径(mm) 根据《机械制造工艺金属切削机床设计指导》第69～70页，可查出以下数据： 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 铣床的d 、d 可取使用的刀具最大、最小直径，即： d =110mm, d =75mm 则主轴最高转速为 n = = =1061.6r/min 取 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 数列值： 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 最高、最低转速确定后，还需确定中间转速，选择公比Φ，转速级数Z，则转速数列为： n = n =56r/min, n = n Φ, n = n Φ , n = n Φ 查标准数列，取公比Φ=1.78 (1＜Φ≤2) 转速范围： R = = =17.8 转速级数： Z= +1=5.99 取Z=6 由于本次设计的要求，主轴转速级数只需设计四级就能满足要求，故取Z=4。即： n =56， n =100, n =180, n =315 (r/min) 1.3.4动力参数—主运动驱动电动机功率的确定 (1) 切削力的计算 由前面已知，本次设计的组合机床的最高转速为n =315r/min，则此时的切削速度为： V= = =108.8m/min<200m/min 由此可见，切削速度满足要求。 计算铣削工件时的切削力 F =9.18×54.5a ×a ×a ×Z×d 式中：a —铣削宽度，a =90mm a —铣削深度，由于是一次铣削就能达到设计尺寸，则铣削深度为工件加工余量，即a =2.5mm。 a —每齿进给量，a =0.2mm/r Z—转数级数，取Z=4 则铣削力的大小为： F =9.18×54.5×90 ×0.2 ×2.5 ×4×110 =1213.1N (2)切削功率的计算 根据《机械制造工艺金属机床设计指导》第72页，可得切削功率公式为： P = = =2.2KW (3) 估算电动机功率 根据《机械制造工艺金属机床设计指导》第72页，有 P = = =3.14KW 式中：η—主传动系统的机械效率，回转运动的机床η=0.7～0.85。 (4) 选择主电机 查《机械设计课程设计手册》第155页表12-1，选Y112-4电机，主要参数有： 额定功率P =4KW，满载转速 n =1440r/min，同步转速n=1500r/min，级数P=4，质量m=43kg。 1.4 进给驱动电动机功率的确定 查《金属切削机床设计》第41页，可知：进给驱动电动机功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率，即： N = 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) η —进给传动系统的总机械效率(一般取0.15～0.2) 粗略计算时，可根据进给传动与主传动所需功率之比值来估算进给驱动电机功率。 对于铣床： N =0.2×N=0.2×4=0.8KW 查《机械设计课程设计手册》第155页表12-1，选Y90S-4电机，主要参数有： 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。 第二章 主轴组件设计 主轴组件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具旋转，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键组件。 主轴和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工件条件，但主轴直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动，因此对主轴有较高的要求。 2.1 主轴的基本要求 2.1.1 旋转精度 主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动△r、端面跳动△a和轴向窜动值△o。如图2-1所示：图中实线表示理想的旋转轴线，虚线表示实际的旋转轴线。当主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。 主轴组件的旋转精度取决于部件中各主要件（如主轴、轴承及支承座孔等）的制造精度和装配、调整精度；运动精度还取决于主轴的转速、轴承的性能和润滑以及主轴部件的动态特性。各类通用机床主轴部件的旋转精度已在机床精度标准中作了规定，专用机床主轴部件的旋转精度则根据工件精度要求确定。 2.1.2 刚度 主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图2-2所示，即K=F/y（单位为N/ m），刚度的倒数y/F称为柔度。主轴组件的刚度，是主轴、轴承和支承座的刚度的综合反映，它直接影响主轴组件的旋转精度。显然，主轴组件的刚度越高，主 图2-1 主轴的旋转误差 轴受力后的变形就越小，如若刚度不足，在加工精度方面，主轴前端弹性变形直接影响着工件的精度；在传动质量方面，主轴的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况，并使轴承产生侧边压力，从而使这些零件的磨损加剧，寿命缩短；在工件平稳性方面，将使主轴在变化的切削力和传动力等作用下，产生过大的受迫振动，并容易引起切削自激振动，降低了工件的平稳性。 图2-2 主轴组件静刚度 主轴组件的刚度是综合刚度，影响主轴组件刚度的因素很多，主要有：主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造与装配质量等。 2.1.3 抗振性 主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。在切削过程中，主轴组件不仅受静载荷的作用，同时也受冲击载荷和交变载荷的作用，使主轴产生振动。如果主轴组件的抗振性差，工作时容易产生振动，从而影响工件的表面质量，降低刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声影响工作环境。随着机床向高精度、高效率方向发展，对抗振性要求越来越高。 评价主轴组件的抗振性，主要考虑其抵抗受迫振动和自激振动能力的大小。 （1） 抵抗受迫振动的能力 主轴组件受迫振动的干扰力，主要包括由于主轴上旋转零件（主轴、传动件和所装的工件或刀具等）的偏心质量而产生的离心力，传动件运动速度不均匀而产生的惯性力，以及断续切削产生的周期性变化的切削力。由于这些干扰力，引起主轴并带着刀具或工件一起振动，而在加工表面上留下振纹，使工件表面粗糙度提高。 根据所设计的机床加工表面粗糙度的要求，确定主轴前端的允许振幅，然后计算或测定主轴组件在各种动态干扰力的作用下，其前端的振幅，并同允许值比较，评价是否满足要求。在单独分析主轴组件时，只能求得主轴前端在切削部位的绝对振幅，它只能部分地反映刀具和工件之间的相对振幅。两者关系与激振频率有关，目前主要由试验来确定。此外，主轴组件的低阶固有频率与振型也是其抗振性的评价指标。一般来说，低阶固有频率应高些，并远离激振频率；主轴振型的节点应靠近切削部位。 （2） 抵抗切削自激振动的能力 金属切削加工时，虽然没有外界动态干扰力的作用，但由于机床—工件—刀具弹性系统振动对切削过程的反馈作用，刀具与工件之间发生了周期性的强烈的相对振动，称为切削自激振动，简称为颤振。 颤振将使加工表面质量恶化，甚至使切削过程无法继续下去，从而不得不降低切削用量来避免之，所以机床的切削用量极限往往不是由机床的功率来决定，而是由加工时发生颤振的条件来决定。 机床切削时，从没有颤振到颤振的产生之间存在着明显的界限，这个界限即是稳定性的极限，或称为机床稳定性的条件。对现有机床的试验表明，切削自振频率往往接近于主轴组件弯曲振动的低阶固有频率。即主轴组件是颤振的主振部分，它的低阶弯曲振动模态是决定机床抵抗切削自振能力的主要模态。因此，在单独分析主轴组件时，可以认为主轴前端在切削部位激振点动柔度（在主振方向）的最大负实部，反映了主轴组件抵抗切削自振的能力。 对于粗加工机床，切削宽度大，切削自振的可能性大，但加工表面质量要求不高，可主要考虑不产生颤振的条件。对于精密机床，切削用量小，切削自振的可能性小，但允许的振幅小，可主要考虑抵抗受迫振动的能力。对于高速机床，因为激振力的频率和幅值均随着转速提高而剧增，受迫振动和自激振动都比较突出。因此，在设计和评价高速机床时，自激和受迫振动均应考虑。 2.1.4 温升和热变形 主轴组件工作时因各种相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生了温升，温升使主轴组件的形状和位置发生畸变，称为热变形。热变形应以主轴组件运转一定时间后各部分位置的变化来度量。 主轴组件温升和热变形，使机床各部件间相对位置精度遭到破坏，影响工件加工精度，高精度机床尤为严重；热变形造成主轴弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态变坏；热变形还使主轴和轴承，轴承与支承座之间已调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承正常工作，间隙过小将加速齿轮和轴承等零件的磨损，严重时甚至会发生轴承抱轴现象。 影响主轴组件温升、热变形的主要因素有：轴承的类型和布置方式，轴承间隙及预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。 目前，对各种类型机床连续运转下的允许温升都有一定的规定。 2.1.5 耐磨性 主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主轴组件各个滑动表面，包括主轴端部定位面、锥孔，与滑动轴承配合的轴颈表面，移动式主轴套筒外圆表面等，都必须具有很高的硬度，以保证其耐磨性。 为了提高主轴组件的耐磨性，应该正确地选用主轴和滑动轴承的材料及热处理方法、润滑方式，合理调整轴承间隙，良好的润滑和可靠的密封。 2.1.6 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。主轴在切削力和传动力的作用下，应有可靠的径向和轴向定位，使主轴在工作时受到的切削力和传动力通过轴承可靠地传至箱体等基础零件上。 （2）主轴前端结构应保证工件或刀具装卡可靠，并有足够的定位精度。 （3）结构工艺好。在保证好用的基础上，尽可能地做到好造、好装、好拆及好修，并尽可能降低主轴组件的成本。 2.2 主轴组件的布局 主轴组件的设计，必须保证满足上述的基本要求，从而从全局出发，考虑主轴组件的布局。 机床主轴有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种，以前者较多见。两支承主轴轴承的配置型式，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，并考虑轴承的供应、经济性等具体情 况，加以确定。在选择时，具体有以下要求： 2.2.1 适应刚度和承载能力的要求 主轴轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。径向载荷较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力，比单列的大。同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力，比采用单个轴承的大。一般来说，前支承的刚度，应比后支承的大。因为前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后支承的大。表2-1所示为滚动轴承和滑动轴承的比较： 表2-1 滚动轴承和滑动轴承的比较 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=0.002～0.008 较小 f=0.001～0.008 本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.0005～0.001 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 2.2.2 适应转速要求 由于结构和制造方面的原因，不同型号和规格的轴承所允许的最高转速是不同的。轴承的规格越大，精度等级越低，允许的最高转速越低。在承受径向载荷的轴承当中，圆柱滚子轴承的极限转速，比圆锥滚子轴承的高。在承受轴向载荷的轴承当中，向心推力轴承的极限转速最高；推力球轴承的次之；圆锥滚子轴承的最低，但承载能力与上述次序相反。因此，应综合考虑转速和承载能力两方面要求来选择轴承型式。 例如，当轴向载荷较大，而转速不高时，可采用推力球轴承；反之，当转速较高，而轴向载荷不大时，可采用角接触球轴承；如果转速较高，轴向载荷又较大，则可采用双列推力向心球轴承；如果径向和轴向载荷都较小，而转速较高，则可采用向心推力球轴承。 2.2.3 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—止推轴承集中布置在前支承；后端定位—集中布置在后支承；两端定位—分别布置在前、后支承。 采用前端定位时，主轴受热变形向后延伸，不影响轴向定位精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙较不便，前支承处发热量较大；后端定位的特点与前述的相反；两端定位时，主轴受热伸长后，轴承轴向间隙的改变较大，若止推轴承布置在径向轴承内侧，主轴可能因热膨胀而弯曲。 2.2.4 适应结构的要求 当要求主轴组件在性能上有较高的刚度和一定的承载能力，而在结构上径向尺寸要紧凑时，则可在一个支承（尤其是前支承）中配置两个或两个以上的轴承。 对于轴间距很小的多主轴机床，由于结构限制，宜采用滚针轴承来承受径向载荷，用推力球轴承来承受轴向载荷，并使两轴承错开排列。 2.2.5 适应经济性要求 确定主轴轴承配置型式，除应考虑满足性能和结构方面要求外，还应作经济性分析，使经济效果好。例如，在能够满足要求的情况下，一般采用已经标准化、系列化，且大批量生产的滚动轴承较为经济，但对于一些大型、重型机床的主轴组件，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。 在中速和大载荷情况下，采用圆锥滚子轴承要比采用向心轴承和推力轴承组合的配 置型式成本低，因为前者节省了两个轴承，而且箱体工艺性较好。 综合考虑以上因素，本设计的主轴采用前、后支承的两支承主轴，前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合，D级精度；后支承采用圆柱滚子轴承，E级精度。其中前支承的双列圆柱滚子轴承，滚子直径小，数量多（50—60个），具有较高的刚度；两列滚子交错布置，减少了刚度的变化量；外圈无挡边，加工方便；轴承内孔为锥孔，锥度为1：12，轴向移动内圈使之径向变形，调整径向间隙和预紧；黄铜实体保持架，利于轴承散热。前支承的总体特点是：主轴静刚度好，回转精度高，温升小，径向间隙可以调整，易保持主轴精度，但由于前支承结构比较复杂，前、后支承的温升不同，热变形较大，此外，装配、调整比较麻烦。 2.3 主轴结构的初步拟定 主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位的方法，同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性，一般在机床主轴上装有较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴颈起向后依次递减。主轴是空心的或者是实心的，主要取决于机床的类型。此次设计的主轴，也设计成阶梯形，同时，在满足刚度要求的前提下，设计成空心轴，以便通过刀具拉杆。 主轴端部系指主轴前端。它的形状决定于机床的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。 查《金属切削机床设计》第135页中通用机床主轴端部的形状图，选短圆锥法兰盘式主轴端部结构形式。其特点是：主轴端面上有四个螺孔，用来固定和传递扭矩给刀具。主轴是空心的，前端有锥度为7:24的锥孔，结构如下所示： 图2-3 短圆锥法兰盘式主轴端部结构 2.4 主轴的材料与热处理 主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。 主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大（2.1×10 N/cm 左右），所以，主轴材料首先考虑用钢料。钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减少热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。 当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（HRC48～54）.有关45钢主轴热处理情况如下表2-2所列： 表2-2 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 45 50 调质 HB220～250 轻中负载局部要求高硬度 磨床的砂轮轴 45 50 高频淬火 HRC52～58 轻中负载PV≤400（N·m/cm ·s） 车、钻、铣、磨床的主轴 45 50 淬火回火高频淬火 HRC42～50 HRC52～58 此次设计的机床主轴，考虑到主轴材料的选择原则，选用价格便宜的中碳钢（45钢）。查表2-2中，因工作中承受轻、中负荷，且要求局部高硬度，故热处理采用高频淬火，HRC52～58。 2.5 主轴的技术要求 主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度，零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求。 2.5.1 轴颈 此次设计的主轴，应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时，以轴颈作为工作基面进行旋转运动；加工主轴时，为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴，一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔；在检查主轴精度时，以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度。采用滚动轴承时，轴颈的精度必须与轴承的精度相适应。轴颈的表面粗糙度和硬度，将影响其与滚动轴承的配合质量。 对于普通精度级机床的主轴，其支承轴颈的尺寸精度为IT5，轴颈的几何形状允差（圆度、圆柱度等）通常应小于直径公差的1/4～1/2。 2.5.2 内锥孔 内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面。在检验机床精度时，它是代表主轴中心线的基准，用来检查主轴与其他部件的相互位置精度，如主轴与导轨的平行度等。由于刀具和顶尖要经常装拆，故内锥孔必须耐磨。 锥孔与轴承轴颈的同轴度，一般以锥孔端部及其相距100～300毫米处对轴颈的径向跳动表示；其形状误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验，此乃综合指标；还要求一定的表面粗糙度和硬度等。 2.6 主轴组件的计算 主轴组件的结构参数主要包括：主轴的平均直径D（初选时常用主轴前轴颈的直径D 来表示）；主轴内孔直径d；主轴前端部的悬伸量a；以及主轴支承跨距L等。一般步骤是：首先根据机床主电机功率或机床的主参数来选取D ，在满足主轴本身刚度的前提下，按照工艺要求来确定d，根据主轴前端部结构形状和前支承的结构型式来确定a,最后根据D、a和主轴前支承的支承刚度来确定L。 主轴轴承的配置型式，对主要结构参数的确定很有关系，故在设计过程中常需交叉进行，最终以主轴组件刚度等性能来衡量其设计的合理性。 2.6.1 主轴直径的选择 主轴直径对主轴组件刚度的影响很大，直径越大，主轴本身的变形和轴承变形引起的主轴前端位移越小，即主轴组件的刚度越高。 但主轴前端轴颈直径D 越大，与之相配的轴承等零件的尺寸越大，要达到相同的公差则制造越困难，重量也增加。同时，加大直径还受到轴承所允许的极限转速的限制，甚至为机床结构所不允许。 通常，主轴前轴颈直径D 可根据传递功率，并参考现有同类机床的主轴轴颈尺寸确定。查《金属切削机床设计》第157页表5-12中，几种常见的通用机床钢质主轴前轴颈的直径D ，可供参考，如下表2-3所示： 已知主电机功率P =4KW，机床类型是铣床，查上表中对应项，初取D =80。 主轴后轴颈直径D 和前轴颈直径D 的关系，可根据下列经验公式来定： 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 主轴前轴颈直径D 的选择 机床 机 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 车床 60～80 70～90 70～105 95～130 110～145 140～165 铣床 50～90 60～90 60～95 75～100 90～105 100～115 外圆磨床 — 50～90 55～70 70～80 75～90 75～100 2.6.2 主轴前后支承轴承的选择 （1） 主轴前支承轴承的选择 根据前述关于轴承的选择原则，查《金属切削机床设计简明手册》第375页，选取主轴前支承的双列向心短圆柱滚子轴承型号为3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D =91，D =117，D =117，r=1。具体结构参数如图2-4所示： 图2-4 双列向心短圆柱滚子轴承（GB285-87）结构参数及安装尺寸 再查《金属切削机床设计简明手册》第365页，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。具体结构参数如图2-5所示： （2） 主轴后支承轴承的选择 查《金属切削机床设计简明手册》第368页，选取主轴后支承的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。具体结构参数如图2-6所示： 2.6.3 主轴内孔直径 该组合机床用于铣削加工，其主轴需有一通过铣刀拉杆的孔，该主轴内孔直径应取在一定范围内，才不致影响主轴刚度。一般，主轴内孔直径受到主轴后轴颈的直径所限制。 图2-5 推力球轴承（GB301-84）结构参数及安装尺寸 图2-6 圆柱滚子轴承（GB283-87）结构参数及安装尺寸 由材料力学可知，刚度K正比于截面惯性矩I，它与直径之间有下列关系： = = =1-（ ） =1- EMBED Equation.3 根据此式可得：当 <0.3时，空心与实心截面主轴的刚度很接近；当 =0.5时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%，对刚度影响不大； ≥0.7时，则主轴刚度急剧下降，故一般应使 <0.7，即d<0.7D。 由以上分析可得： d<0.7 D =0.7×65=45.5 考虑到此组合机床主轴为铣削主轴，铣刀拉杆的直径比较小，故可将 取小些，即取 =0.5，即： d<0.5 D =0.5×65=32.5 将其圆整，d最后取为 30。 2.6.4 主轴前端悬伸量 主轴前端悬伸量a指的是主轴前支承支反力的作用点到主轴前端受力作用点之间的距离，它对主轴组件刚度的影响较大。悬伸量越小，主轴组件刚度越好。 主轴前端悬伸量a取决于主轴端部的结构形状及尺寸，一般应按标准选取，有时为了提高主轴刚度或定心精度，也可不按标准取。 另外，主轴前端悬伸量a还与前支承中轴承的类型及组合型式、工件或夹具的夹紧方式以及前支承的润滑与密封装置的结构尺寸等有关。 因此，在满足结构要求的前提下，应尽可能减小悬伸量a，以利于提高主轴组件的刚度。 初算时，可查《金属切削机床设计》第158页表5-14，如下表2-4所示： 表2-4 主轴的悬伸量与直径之比 类 型 机 床 和 主 轴 的 类 型 a/ D Ⅰ 通用和精密车床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承支承，适用于高精度和普通精度要求 0.6～1.5 Ⅱ 中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸量不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨，用滚动和滑动轴承支承，适用于绝大部分普通生产的要求 1.25～2.5 Ⅲ 孔加工机床，专用加工细长深孔的机床，由加工技术决定需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，由于切削较重而不适用于有高精度要求的机床 >2.5 根据上表所列，所设计的组合机床属于Ⅱ型，所以取a/ D 为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 主轴支承跨距 主轴支承跨距L是指主轴前、后支承支承反力作用点之间的距离。 合理确定主轴支承跨距，可提高主轴部件的静刚度。可以证明，支承跨距越小，主轴自身的刚度越大，弯曲变形越小，但支承的变形引起的主轴前端的位移量将增大；支承跨距大，支承的变形引起的主轴前端的位移量较小，但主轴本身的弯曲变形将增大。可见，支承跨距过大或过小都会降低主轴部件的刚度。 有关资料对合理跨距选择的推荐值可作参考： （1） L =（4～5）D ； （2） L =（3～5）a，用于悬伸长度较小时； （3） L =（1～2）a，用于悬伸长度较大时。 根据此次设计的组合机床刚性主轴的悬伸量较大，取L ≤2.5a为宜。即此次设计的主轴两支承的合理跨距 L ≤2.5a=2.5×120=300 初取L=280。 2.7 主轴结构图 根据以上的分析计算，可初步得出主轴的结构如图2-7所示： 2.8 主轴组件的验算 主轴在工作中的受力情况严重，而允许的变形则很微小，决定主轴尺寸的基本因素是所允许的变形的大小，因此主轴的计算主要是刚度的验算，与一般轴着重于强度的情况不一样。通常能满足刚度要求的主轴也能满足强度的要求。 刚度乃是载荷与弹性变形的比值。当载荷一定时，刚度与弹性变形成反比。因此，算出弹性变形量后，很容易得到静刚度。主轴组件的弹性变形计算包括：主轴端部挠度和主轴倾角的计算。 2.8.1 主轴端部挠度 主轴端部挠度直接影响加工精度和表面粗糙度，因此必须加以限制，一般计算主轴端部最大挠度 。 (1) 支承的简化 对于两支承主轴，若每个支承中仅有一个单列或双列滚动轴承，或者有两个单列球轴承，则可将主轴组件简化为简支梁，如下图2-8所示；若前支承有两个以上滚动轴承， 图2-8 主轴组件简化为简支梁 可认为主轴在前支承处无弯曲变形，可简化为固定端梁，如下图2-9所示： 图2-9 主轴组件简化为固定端梁 此次设计的主轴，前支承选用了一个双列向心短圆柱滚子轴承和两个推力球轴承作为支承，即可认为主轴在前支承处无弯曲变形，可简化为上图2-9所示。 (2) 主轴的挠度 查《材料力学I》第188页的表6.1，对图2-9作更进一步的分析，如下图2-10所示： 根据图2-10，可得此时的最大挠度 =- 其中， F—主轴前端受力。此处，F=F =1213.1N l—A、B之间的距离。此处，l=a=12cm 图2-10 固定端梁在载荷作用下的变形 E—主轴材料的弹性模量。45钢的E=2.1×10 N/cm 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= 。此处，D= =133 故可计算出，主轴端部的最大挠度： =-1.87×10 mm (3) 主轴倾角 主轴上安装主轴和安装传动齿轮处的倾角，称为主轴的倾角。此次设计的主轴主要考虑主轴前支承处的倾角。若安装轴承处的倾角太大，会破坏轴承的正常工作，缩短轴承的使用寿命。 根据图2-10，可得此时的最大倾角 =- 其中， F—主轴前端受力。此处，F=F =1213.1N l—A、B之间的距离。此处，l=a=12cm E—主轴材料的弹性模量。45钢的E=2.1×10 N/cm 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= 。此处，D= =133 故可计算出，主轴倾角为： =-2.3×10 rad 查《组合机床设计》第一册中机械部分的第670页，可知： 当 x ≤0.0002L mm ≤0.001 rad 时，刚性主轴的刚度满足要求。 此处的x ， 即为最大挠度和最大倾角，L为主轴支承跨距。 将已知数据 和 代入，即可得： 初步设计的主轴满足刚度要求。 2.9 主轴组件的润滑和密封 2.9.1 主轴轴承的润滑 润滑的作用是降低摩擦，减小温升，并与密封装置在一起，保护轴承不受外物的磨损和防止腐蚀。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择得合适，可以降低轴承的工作温度和延长使用期限。 滚动轴承可以用润滑油或润滑脂来润滑。试验证明，在速度较低时，用润滑脂比用润滑油温升低。所以，此次设计的主轴支承均采用润滑脂。同时，主轴是装在主轴套筒内的，为防止使用润滑油时泄漏，也应采用润滑脂润滑。 加润滑脂时，应该注意润滑脂的充填量不能过多，不能把轴承的空间填满，否则会引起过高的发热，并使润滑脂熔化流出而恶化润滑效果。 2.9.2 主轴组件的密封 密封对主轴组件的工作性能与润滑影响也较大。机床主轴密封不好，将使润滑剂外流，造成浪费，加速零件的磨损，还会严重地影响到工作环境及机床的外观。 (1) 主轴组件密封装置的功用 密封装置的功用是：防止润滑剂从主轴组件及传动部件中泄漏，从而避免浪费，保护工作环境，防止冷却液及杂物（如灰尘、脏物、水气和切屑等）从外面进入部件内，以减少机床零件的腐蚀及磨损，延长其使用寿命。 (2) 对主轴组件密封装置的要求 对主轴组件密封装置的要求是：在一定的压力、温度范围内具有良好的密封性能；由密封装置所形成的摩擦力应尽量小，摩擦系数应尽量稳定；耐腐蚀、磨损小、工作寿命长，磨损后，在一定程度上能自动补偿；结构简单、装卸方便。对具体的主轴组件及传动部件，应根据实际情况选择有效而又经济密封装置。 (3)主轴组件密封装置的类型 主轴组件密封装置的类型，主要有以下几种：具有弹性元件的接触式密封装置；皮碗（油封）式密封装置；具有金属和石墨元件的接触式密封装置；挡油圈式和螺旋沟式密封装置；圈形间隙式、油沟式和迷宫式密封装置；立式主轴的密封装置等。 (4) 主轴组件密封装置的选择 选用密封装置时，应考虑到主轴组件的下列具体工作条件：密封处主轴颈的线速度；所用润滑剂的种类及其物理化学性质；主轴组件的工作温度；周围介质的情况；主轴组件的结构特点；密封装置的主要用途等。 综合考虑上述因素，主轴前支承处，为了更好地防止外界的灰尘屑末等杂物进入，故考虑选用迷宫式密封，形成一条长而曲曲折折的通道，径向尺寸不超过0.3mm，中填润滑脂，轴向尺寸不超过1.5mm。 查《机械设计课程设计手册》第87页表7-17，可得此次选用的迷宫式密封装置的结构参数如下图2-11所示： 图2-11 迷宫式密封装置的结构参数 其中， d=80，D=130，e=1 2.10 主轴组件中相关部件 2.10.1 轴肩挡圈 前支承双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承之间所用的挡圈，可查《机械设计课程设计手册》第56页表5-1，可得此次选用的挡圈的结构参数如下图2-12所示： 图2-12 轴肩挡圈的结构参数 其中， D=95，d=80，H=6 2.10.2 挡圈 两推力球之间用的挡圈为非标准件，径向尺寸依主轴套筒尺寸而定，轴向尺寸可初取为6mm。 2.10.3 圆螺母 锁紧靠主轴后支承一边的推力球轴承以及锁紧两推力球轴承内的套筒，分别采用两个圆螺母，为了增加可靠性，再加一止动螺钉。圆螺母具体的参数可查《机械设计课程设计手册》第60页表5-6，结构如下图2-13所示： 图2-13 圆螺母（GB812-88） 其中，锁紧靠主轴后支承一边的推力球轴承用的圆螺母，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 锁紧两推力球轴承内的套筒用的圆螺母， 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 两推力球轴承之间用的套筒，根据以上计算，可知，轴向尺寸取为92，径向厚度取为2.5mm，一端加工出长为26的外螺纹M80×1.5，一端用一紧定螺钉锁紧在主轴上，套筒结构如图2-14所示；紧定螺钉的结构参数可查《机械设计课程设计手册》第43页表3-17，如图2-15所示；主轴上的小孔的结构参数可查《机械设计课程设计手册》第61页表5-8，如图2-16所示： 其中，紧定螺钉的参数有： M8×1.25，l=10，d =5.5，n=1.2 , t=2 图2-14 两推力球轴承内用套筒结构参数 轴上固定螺钉用的孔的参数有：d =6，c =5，h ≥5 图2-15 开槽平端紧定螺钉 图2-16 轴上固定螺钉用的孔 2.10.5 前、后支承的轴承盖 为了保证轴承的正常运转，防止外界杂物进入影响轴承的使用寿命，前、后轴承应安装上轴承盖，并将其固定在套筒上，与主轴配合处采用间隙配合，初步设计如下图2-17、2-18所示： 图2-17 前支承用轴承盖 其中，d=124，D=153 图2-18 后支承用轴承盖 其中， d=64，D=153，a=5，b=55 2.10.6 主轴用套筒及其锁紧部分 根据前面的计算和设计，可以直接得到主轴用套筒的结构及参数如图2-19所示： 套筒的锁紧部分采用弹性套，当调节螺栓时，弹性套就会随之变形，从而锁紧或松开套筒。主轴需要轴向移动（调节）时，便松开螺栓，弹性套也随之松开套筒，调节完主轴轴向位置后，应拧紧螺栓以锁紧主轴。 同