數(shù)控機(jī)床主軸總體設(shè)計

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1、- 目 錄 1. 緒論………………………………………………………………………………2 2. 數(shù)控機(jī)床主軸總體設(shè)計…………………………………………………………3 2.1數(shù)控機(jī)床的加工原理………………………………………………………3 2.2機(jī)床主傳動系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………………3 2.2.1機(jī)床主傳動功率………………………………………………………3 2.2.2 主傳動的調(diào)速圍……………………………………………………4 2.2.3主傳動系統(tǒng)設(shè)計要求…………………………………………………4 2.2.4 主傳動系統(tǒng)電機(jī)選擇……………………………………………

2、……6 2.2.5 主傳動分級變速設(shè)計…………………………………………………6 3. 主軸設(shè)計…………………………………………………………………………8 3.1 主軸材料的選擇及熱處理…………………………………………………8 3.2 主軸尺寸確定………………………………………………………………8 主軸前后頸及孔尺寸確定…………………………………………8 主軸部件支承構(gòu)造選擇………………………………………………8 3.3主軸組件設(shè)計………………………………………………………………9 主軸組件的性能要求……………………………………………………9 主軸軸承的選擇…………………

3、……………………………………10 主軸軸承的預(yù)緊及潤滑………………………………………………11 主軸上齒輪參數(shù)確定及鍵的選擇……………………………………12 主軸部件構(gòu)造圖………………………………………………………13 4. 主軸驗(yàn)算…………………………………………………………………………14 4.1 確定彎曲變形的驗(yàn)算條件…………………………………………………14 剛度標(biāo)準(zhǔn)……………………………………………………………… 14 主軸的載荷…………………………………………………………… 15 4.2三支承主軸剛度驗(yàn)算……………………………………………………… 17 5.

4、 設(shè)計總結(jié)…………………………………………………………………………19 6. 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………20 1 緒 論 在現(xiàn)代制造技術(shù)中，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)用它所顯示的效益和巨大潛力，引起世界各國科技界和工業(yè)界的普遍重視。開展現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造，技術(shù)更新的必由之路，是未來工廠自動化的根底。 數(shù)控機(jī)床主軸及其部件作為數(shù)控機(jī)床主要部件的一局部，在數(shù)控機(jī)床中占據(jù)著重要的地位，主軸系統(tǒng)的精度將直接影響到數(shù)控加工產(chǎn)品的精度，因此在數(shù)控機(jī)床設(shè)計中當(dāng)十分注意主軸及其部件的設(shè)計。 此次課程設(shè)計，主要針對數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)和

5、主軸組件設(shè)計，學(xué)習(xí)和了解數(shù)控機(jī)床主軸設(shè)計的根本思路，理解數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的傳動原理，以及主軸組件選用和數(shù)控主軸構(gòu)造的構(gòu)成。并熟悉數(shù)控機(jī)床主軸設(shè)計相關(guān)計算，了解數(shù)控機(jī)床設(shè)計中的一些驗(yàn)算公式，并對關(guān)鍵部件進(jìn)展強(qiáng)度或者剛度驗(yàn)算。 通過此次課程設(shè)計，應(yīng)當(dāng)?shù)竭_(dá)熟悉數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)設(shè)計的根本思路，熟練掌握主軸系統(tǒng)設(shè)計流程，繪制主軸系統(tǒng)構(gòu)造裝配圖和局部零件圖，了解設(shè)計過程中的必要計算及一些經(jīng)歷公式的運(yùn)用，初步具備數(shù)控機(jī)床主軸設(shè)計能力。 2 數(shù)控機(jī)床主軸總體設(shè)計 2.1數(shù)控機(jī)床的加工原理 金屬切削機(jī)床加工零件，是操作者依據(jù)工程圖樣的要求，不斷改變刀具與工件 之間相對運(yùn)動的參數(shù)〔位置、

6、速度等〕，使刀具對工件進(jìn)展切削加工，最終得到所要求的合格零件。 數(shù)控機(jī)床的加工，是把刀具與工件的運(yùn)動坐標(biāo)分割成一些最小的單位量，即最 小位移量，由數(shù)控系統(tǒng)按照零件程序的要求，使坐標(biāo)移動假設(shè)干個最小位移量〔即控制刀具運(yùn)動軌跡〕，從而實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對運(yùn)動，完成對零件加工。 刀具沿各坐標(biāo)軸的相對運(yùn)動，是以脈沖當(dāng)量為單位的〔mm/脈沖〕。 當(dāng)走刀軌跡為直線或圓弧時，數(shù)控裝置則在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)展"數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化〞，求出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后按中間的坐標(biāo)值，向各坐標(biāo)輸出脈沖數(shù)，保證加工出需要的直線或圓弧輪廓。 數(shù)控裝置進(jìn)展的這種"數(shù)

7、據(jù)點(diǎn)的密化〞稱作插補(bǔ)，一般數(shù)控裝置都具有對根本 函數(shù)〔如直線函數(shù)和圓函數(shù)〕進(jìn)展插補(bǔ)的功能。 對任意曲面零件的加工，必須使刀具運(yùn)動的軌跡與該曲面完全吻合，才能加工出所需的零件。 此次設(shè)計機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)如下： 工件最大回轉(zhuǎn)直徑：床身上/床鞍上 500/280 mm 工件最大長度： 1000 mm 2.2機(jī)床主傳動系統(tǒng)設(shè)計 2.2.1 機(jī)床主傳動功率 機(jī)床主傳動功率P可根據(jù)切削功率與主運(yùn)動傳動鏈總效率，可由下式來確定： 〔1〕 由于數(shù)

8、控機(jī)床的加工圍一般都比較大，切削功率可以根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力按下式來確定： 〔2〕 式中： ——主切削力切向分力〔N〕 V ——切削速度〔m/min〕 M ——切削扭矩〔〕 n ——主軸轉(zhuǎn)速〔r/min〕 主傳動總效率一般可取為=0.70—0.85。 2.2.2 主傳動的調(diào)速圍 主傳動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速n由切削速度v〔m/min〕和工件或刀具直徑d〔mm〕來確定：

9、 〔3〕 對于數(shù)控機(jī)床，為了適應(yīng)切削速度和工件或刀具直徑變化，主軸最低和最高轉(zhuǎn)速可根據(jù)下式確定： 〔4〕 〔r/min〕 〔5〕 則調(diào)速圍： 〔6〕 由于數(shù)控機(jī)床的加工圍較大，因此，切削速度和刀具或工件直徑的變化也很大，可根據(jù)機(jī)床的幾種點(diǎn)型加工和經(jīng)常遇到的加工情況決定：，及，。 2.2.3主傳動系統(tǒng)設(shè)計要求 數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普遍機(jī)床傳動要求外，還提出如下要求： 1） 具有更大的調(diào)速圍，并實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮

10、刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率 加工精度和外表質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速圍。對于自動換 刀的數(shù)控機(jī)床，工序集中，工件一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適合各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運(yùn)動的調(diào)速圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。 2） 具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的制造精度與剛度，齒齒面進(jìn)展高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理的支承夸距等，以提高組件組成的剛度。 3） 良好的抗振性和熱穩(wěn)定性，數(shù)控機(jī)床上一般既要進(jìn)展初加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削

11、、加工余量不均勻、運(yùn)動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和外表粗糙度，嚴(yán)重時甚至破壞刀具或零件，使加工無法進(jìn)展。因此在主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力——抗振性?？拐裥杂脛觿偠然騽尤岫葋矶攘俊＠缰鬏S組件的動剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度、阻尼比及固有頻率等參數(shù)。如果把主軸組件視為一個等效的單自由度系統(tǒng)，則動剛度與動力參數(shù)的關(guān)系為： 〔7〕 式中 k——機(jī)床主軸構(gòu)造系統(tǒng)的靜剛度〔N/〕； ——外加激振力的激振〔Hz〕； ——主軸組件固有

12、頻率〔，m為當(dāng)量質(zhì)量，k為當(dāng)量靜剛度〕； ——阻尼比〔，是阻尼系數(shù)，是臨界阻尼系數(shù)，〕。 由上式可見，為提高主軸組件的抗振性，須使值較大，為此應(yīng)盡量使阻尼比、當(dāng)量靜剛度或固有頻率的值較高。在設(shè)計數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)時，要注意選擇上述幾個參數(shù)的合理關(guān)系。 機(jī)床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運(yùn)動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件具有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持適宜的配合間隙，并行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實(shí)現(xiàn)。 2.2.4 主傳動系統(tǒng)電機(jī)選擇 由于數(shù)控機(jī)床

13、需要自動換刀，自動變速，且在切削階梯軸的不同直徑，切削曲線旋轉(zhuǎn)面和端面時，需要隨切削直徑的變化而自動變速，以維持切削速度根本恒定。這些自動變速又是無極變速，為了有利于在一定調(diào)速圍選擇到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無極調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣多種型式，數(shù)控機(jī)床一般都采用由直流或交流電機(jī)作為驅(qū)動源的電氣無極調(diào)速。 參照CK6150選取電機(jī)轉(zhuǎn)速為1450 r/min，功率為5.5 kw，型號為J03—112L4。 2.2.5 主傳動分級變速設(shè)計 1〕有機(jī)變速自動變速方法選擇 由于電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)

14、動的元件，便于實(shí)現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床主傳動時，能簡化變速機(jī)構(gòu)，操作方便，通過假設(shè)干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和別離的不同組合來改變齒輪傳動路線，實(shí)現(xiàn)主軸變速，因此參照CK6150選用電磁離合器。 2〕確定極限轉(zhuǎn)速和公比 參照CK6150數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)速圖，選取極限轉(zhuǎn)速如下： =1600 r/min =25 r/min 則轉(zhuǎn)速圍為： 又由于級數(shù)Z=12 ，則由下面公式： 有=1.58 3〕繪制轉(zhuǎn)速圖

15、機(jī)床轉(zhuǎn)速圖可以通過類比典型機(jī)床，參照典型機(jī)床進(jìn)展繪制，因此現(xiàn)參照CK6150數(shù)控車床圖冊，類比傳動轉(zhuǎn)速圖，繪制轉(zhuǎn)速圖。選定構(gòu)造共有5個傳動組，變速機(jī)構(gòu)共需6軸，轉(zhuǎn)速圖共需7條豎線，主軸12級轉(zhuǎn)速，需12條橫線。轉(zhuǎn)速圖繪制如下： 圖1 12級傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖 4〕繪制傳動系統(tǒng)圖 參照CK6150數(shù)控車床傳動系統(tǒng)圖，通過軸Ⅰ上的摩擦式電磁離合器和，軸Ⅲ上的摩擦式電磁離合器和可得四檔自動變〔公比為1.58〕搬動手柄通過齒輪齒條帶動撥叉，操縱雙聯(lián)齒輪快，實(shí)現(xiàn)三檔手動調(diào)速用以擴(kuò)大變速圍。繪制主傳動路線圖如下：

16、 圖2 主傳動系統(tǒng)圖 3主軸設(shè)計 3.1 主軸材料的選擇及熱處理 主軸材料的選擇應(yīng)根據(jù)所需要的剛度、強(qiáng)度、耐磨性和熱處理后的變形大小確定。由于幾何形狀一定時，主軸的剛度決定于材料的彈性模量，而各種鋼材的彈性模量幾乎沒有什么差異，故機(jī)床主軸如無特殊要求，均可采用45鋼。一般機(jī)床主軸，假設(shè)支承為滾動軸承，可用45鋼調(diào)質(zhì)到HB 220～250 左右。因此，選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理到HB 220～250 左右。 3.2 主軸尺寸確定 主軸前后頸及孔尺寸確定 機(jī)床主軸前頸直徑通常借助于統(tǒng)計現(xiàn)有機(jī)床的方法參考確定。資料推薦普通車床主軸前軸頸直徑，根據(jù)最大加工直徑由下式確定： =0.21

17、5 mm 〔8〕 由于 為500 mm，故可取為 100 mm。 主軸后軸頸由下式確定： 〔9〕 根據(jù)上面去取定的值，可選取后軸頸為 80 mm。 主軸孔直徑確定如下： 很多機(jī)床的主軸是空心的，主要用以通過棒料、拉桿和取出頂尖等。為了能通過較粗的棒料和減輕主軸的重量，中間孔常希望取大一些。但孔過大，將會降低主軸剛度。由于空心軸的慣性矩取決于〔d和D分別為孔和主軸的平均直徑〕，為了不致使主軸剛度受過大的影響，d / D 的數(shù)值一般不宜大于 0.7。對于普通車床，建議采用下式確定： mm

18、 〔10〕 根據(jù)最大加工直徑為500mm，選取孔直徑d為52 mm。 3.2.2 主軸部件支承構(gòu)造選擇 目前，大多數(shù)機(jī)床的主軸部件采用有前后二支承。如果前后軸承間距太大，可以加第三支承以提高剛度而成為三支承主軸部件。三支承有兩種情況：以前、后支承為主，中間支承為輔和以前、中支承為主，后支承為輔。 以前、后支承為主，以中間為輔的三支承主軸部件可參見CA6140型車床。 前、后均為雙列短圓柱滾子軸承，中間支承則為E級精度的單列向心圓柱滾子軸承。這種軸承的徑向游隙較大〔0.03～0.07mm〕。在箱體和主軸的技術(shù)要求中，規(guī)定箱體的三個主軸軸

19、承孔間的同軸度，以及主軸裝中間軸承的軸頸對前后軸頸的徑向跳動之和，小于軸承的最小徑向游隙。這樣，當(dāng)主軸不受力或受力較小時，中間軸承不起作用。當(dāng)主軸受力較大，中間支承處的撓度較大時，中間支承就參加工作。這種方法適用于主軸本身剛度較高的場合。它的優(yōu)點(diǎn)是對箱體三孔和主軸三個軸頸的同軸度度比前中、支承為主、后支承為輔的要求稍寬，工藝上較易于做到。 以前、中支承為主、后支承為輔的三支承主軸部件可以參見CA6150車床主軸部件。前、中支承為圓錐滾子軸承，后支承為向心球軸承，這種主軸部件的優(yōu)點(diǎn)是前、中軸承的跨距較短，比較接近于合理跨距。但前、中軸承受力后徑向位移對加工精度影響較大，故對軸承的精度

20、和剛度以及精度的保證性要求較高；對工藝要求也較高。 參照CK6150數(shù)控機(jī)床，選用前、中支承為主，后支承為輔構(gòu)造。 3.3主軸組件設(shè)計 主軸組件的性能要求 主軸組件是機(jī)床主要部件之一。它的性能，對整機(jī)性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速圍又很大，所以對主軸組件的主要性能特別提出如下要求： 1〕旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精率是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心外表〔如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的 7：24錐孔〕的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于各主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于

21、主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的 性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。 2〕 剛度 剛度主要反映機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支承的跨距和主軸前懸伸，傳動件的布置方式等。數(shù)控機(jī)床既要完成初加工，又要完成精加工，因此對其主軸組件的剛度應(yīng)提出更高要求。 3) 溫升 溫升將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，對高精度機(jī)床應(yīng)研究如何 減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等。 4〕可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動化機(jī)床，所以必須保證工作可靠性。

22、 5〕精度保持性 對數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須保證有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。 主軸軸承的選擇 軸承是主軸部件的重要組成局部，對主軸部件的工作性能有很大影響。各類機(jī)床的工作條件〔轉(zhuǎn)速、功率等〕相差很大，對主軸部件的性能要求差異也很大。所以在選用和配置主軸軸承時，必須首先滿足主軸部件的最主要要求，同時兼顧其他方面要求。 機(jī)床主軸的軸承有滾動軸承和滑動軸承兩大類。選擇何種類型的軸承，應(yīng)根據(jù)工作要求、制造條件和經(jīng)濟(jì)效果等綜合考慮。常用的滾動軸承有如下類型： 1〕圓錐孔雙列向心短圓柱滾子軸承 這種軸承滾子多，兩列滾子穿插排列，載荷均勻，圈有錐度為1：12的錐孔，壁

23、比較薄，當(dāng)圈沿錐形軸頸軸向移動時，便可使圈脹大而調(diào)整軸承的間隙或預(yù)緊，所以承載能力和剛度較高。這種軸承只能承受徑向載荷。 2〕雙列向心推力軸承 這種軸承接觸角較大〔〕，鋼球直徑小而數(shù)目多，可以與雙列向心短圓柱滾子軸承配套使用，以承受雙向軸向力，剛度和極限轉(zhuǎn)速都較高。修磨隔套就可以消除間隙和預(yù)緊。 3〕雙列圓錐滾子軸承 這種軸承有一個公用的外圈和兩個圈，滾子數(shù)目多，所以承載能力大，剛性好。外環(huán)有凸緣，因此箱體〔或主軸套筒〕只需鏜通孔。凸肩上有缺口，可插入螺釘防止外圈轉(zhuǎn)動。修磨隔套的厚度可消除間隙并預(yù)緊。這種軸承既能承受徑向載荷，又能承受雙向軸向載荷，構(gòu)造簡單。 此外，對于精度無特殊要求

24、的機(jī)床，也可選用普通圓錐滾子軸承 這種軸承既能承受徑向載荷，又能承受一定的軸向載荷，并且價格廉價。 參照CK6150數(shù)控機(jī)床，選用圓錐滾子軸承。主軸上從右往左軸承型號依次為：30200、30218、30216。 查"機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計"表4.6-3得主軸上軸承具體參數(shù)如下： 30200 d=100 mm D= mm T=37 mm B=34 mm mm mm 30218 d=90 mm D=160 mm T=32.5 mm B=30 mm mm mm 30200 d=80 mm D=140 mm T=28.25 m

25、m B=26mm mm mm 主軸軸承的預(yù)緊及潤滑 預(yù)緊或預(yù)載荷是指使軸承滾道與滾動體之間有一定的過盈量。當(dāng)滾動軸承在有間隙的條件下工作，會造成載荷集中作用在處于受力方向的少數(shù)幾個滾動體上，使這幾個滾動體與滾道之間產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力和接觸變形。如略有過盈時，可使承載的滾動體增多，滾動體受力均勻。還可均化誤差。所以，適當(dāng)預(yù)緊可提高軸承的剛度與壽命。但是，過度預(yù)緊，會使?jié)L動體和滾道變形太大，將導(dǎo)致提高其溫升，并降低軸承壽命。此次課設(shè)主軸系統(tǒng)中圓錐滾子軸承采用夾緊滾動軸承外圈預(yù)緊。 主軸軸承潤滑方式選擇如下： 加工中心的主軸軸承的潤滑方式有：油脂潤滑、油液循環(huán)潤滑

26、、油霧潤滑、油氣潤滑等方式。 油脂潤滑方式是當(dāng)前加工中心主軸軸承上最常用的潤滑方式，特別在前支承軸承上更是常用。如主軸箱中無冷卻潤滑油系，則后支承和其它軸承，亦應(yīng)采用油脂潤滑方式，所用油脂種類：高級鋰基油脂或德國產(chǎn)NUB—15型油脂。 主軸軸承油脂填充量，通常為軸承空間容積的10%，切忌隨意填滿。油脂過多，會加劇主軸發(fā)熱。油脂封入量的概略計算式如下： 〔11〕 式中 V ——油脂填充量〔〕； D ——軸承外徑〔cm〕； d ——軸承徑〔cm〕；

27、 B ——軸承寬度〔mm〕； f 的取值。當(dāng)用NN3000K系列軸承、234400系列軸承，f取1.5； 當(dāng)用7000C、7000AC系列軸承，f取2。 采用油脂潤滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或潤滑油液進(jìn)入軸承中去。主軸前端密封方式，除采用迷宮式密封方式外，對臥式主軸還在前端法蘭下端加一個瀉油孔；后端密封，則既可以是前端類似方式，也可以是特殊密封圈密封。參照CK6150數(shù)控車床，選取油脂潤滑方式，可使得箱體構(gòu)造簡單，不用開油路。 主軸上

28、齒輪參數(shù)確定及鍵的選擇 參照CK6150數(shù)控車床主軸裝配圖，可取定主軸上齒輪參數(shù)，從右往左數(shù)，主軸上齒輪標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)依次為，， 主軸上各齒輪具體參數(shù)如下： 右齒輪： d = mZ = 231 mm 中間齒輪： d = mZ = 151.25 mm圓整為151mm 左齒輪： d = mZ = 132 mm 主軸上齒輪與主軸聯(lián)接鍵的選擇，根據(jù)被聯(lián)接局部齒輪輪轂長，查"機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計"表4.5-1選取鍵如下： 右側(cè)聯(lián)接鍵： 左側(cè)聯(lián)接鍵： 主軸部件構(gòu)造圖 圖3 車床主軸部件構(gòu)造圖 主軸有三個支承，前中后為圓錐滾子軸承，可承受徑向力和軸向力

29、，并使主軸軸向固定。用螺母，經(jīng)碟形彈簧、導(dǎo)向套調(diào)節(jié)前中兩圓錐滾子軸承的預(yù)緊力，并補(bǔ)償熱膨脹。后支承主要承受徑向力，作為輔助支承。后支承在孔向軸向不需定位。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是前、中軸承的跨距較短，比較接近于合理的跨距。但前、中軸承承受力后和熱膨脹后的徑向位移對加工精度影響較大，故對軸承的精度和剛度以及精度保持性要求均較高，對工藝性要求也較高。 4主軸驗(yàn)算 機(jī)床主軸通常只進(jìn)展剛度驗(yàn)算。主軸剛度分為彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩種，彎曲剛度以主軸在受載時其前端部產(chǎn)生的撓度、傳動齒輪嚙合處和主軸前軸承處產(chǎn)生的傾角來度量，扭轉(zhuǎn)剛度則以主軸受載時每米長度上〔或在一定圍〕產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角來度量。對于普通車床、六角車床和

30、銑床等主軸，一般只作彎曲剛度驗(yàn)算；對于鉆床主軸則進(jìn)展扭轉(zhuǎn)剛度驗(yàn)算。下面采用分析計算法驗(yàn)算機(jī)床主軸： 4.1 確定彎曲變形的驗(yàn)算條件 剛度標(biāo)準(zhǔn) 主軸端部彎曲變形的允許值，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。假設(shè)從機(jī)床能到達(dá)的加工精度出發(fā)，應(yīng)使機(jī)床在精加工或半精加工的切削條件下，主軸前端撓度的最大值必須小于端部徑向跳動允許值[] 的1/3，[]值可按標(biāo)準(zhǔn)GC2—60的規(guī)定查取。由于目前還缺少精加工或半精加工驗(yàn)算用的切削規(guī)，因此這種剛度標(biāo)準(zhǔn)很難在實(shí)用中推廣運(yùn)用。對主軸作彎曲剛度驗(yàn)算時，有一個驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)，即主軸在最大的負(fù)荷下，主軸產(chǎn)生的變形仍能保證其上齒輪和軸承正常工作這個原則，這種剛度標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)床行業(yè)中廣泛地被采

31、用。剛度驗(yàn)算的容及其標(biāo)準(zhǔn)常用如下三個方面： a〕主軸前端部撓度允許值[y] 對于一般機(jī)床〔如普通車床和升降臺銑床等〕廣泛采用的經(jīng)歷數(shù)據(jù)為： [y]0.0002L mm 式中L為主軸前后支承跨距 mm。 b〕主軸在前軸承處的傾角 可查"金屬切削機(jī)床設(shè)計指導(dǎo)"表39得到，一般常取。 c〕主軸在安裝齒輪處的傾角 一般可取。 主軸在安裝齒輪處的傾角，其變形量可按"材料力學(xué)〞公式計算但應(yīng)指出：傾角并非指通過兩軸變形線的切線平面所在空間形成的夾角，因?yàn)辇X輪是在齒面受法向力作用下而傳遞運(yùn)動的，軸的變形引輪齒在法向平面中嚙合接觸狀態(tài)的變化，這樣形成了

32、法向力沿齒寬方向的不均勻分布狀況，所以應(yīng)按法向平面齒向交角作為齒輪處的傾角。但是這樣的計算方法極為復(fù)雜，為簡化起見可認(rèn)為：一對相嚙合的齒輪分別裝在軸Ⅰ和軸Ⅱ上，首先可按"金屬切削機(jī)床設(shè)計指導(dǎo)"表46公式求出兩相互垂直平面〔如垂直平面V和水平平面H〕軸Ⅰ和軸Ⅱ在齒輪處的傾角、、和、，然后分別計算V平面和H平面兩軸的相對傾角和,則兩軸間總的相對傾角為： rad 〔12〕 由于軸變形產(chǎn)生傾角，會使齒輪外表壓力分布不均勻，可按照如下的關(guān)系式求出齒輪掄齒齒寬方向的壓強(qiáng)分布系數(shù)c值。 〔13〕 式中：——齒輪的圓周力 N；

33、 b ——齒輪寬度 mm。 計算所得c值，按"金屬切削機(jī)床設(shè)計指導(dǎo)"表41規(guī)定不應(yīng)超過13～16，否則就表示軸的剛度缺乏。 主軸的載荷 對車削工作，切削力可分解為三個互相垂直的分力：主切削力、徑向切削力和走刀力。其中是消耗主要功率的主切削力；和的合力是引起主軸彎曲變形的力；而將產(chǎn)生彎矩〔為切削試件的直徑〕。 普通車床以粗加工車削作為主軸剛度驗(yàn)算條件，其加工條件是以卡盤裝夾形式，對45鋼材料在最大的負(fù)荷下進(jìn)展縱車外圓工作。對于主參數(shù)不同的機(jī)床，切削試件及卡盤的尺寸可按"金屬切削機(jī)床設(shè)計指導(dǎo)"表42中數(shù)值選取。 主切削力、傳動力、軸的前端部

34、彎矩Mz和前支承處的擠壓力矩；在水平平面計有徑向切削力、傳動力、軸的前端部彎矩My、M*和前支承處的擠壓力矩的計算公式如下： a〕主切削力的計算 直接將機(jī)床剛度標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工件和刀具間允許的作用力作為主切削力。這是一種簡易的計算方法。 =7490N〔14〕 式中為最大加工直徑〔主參數(shù)〕。 b〕徑向切削力和走刀力 徑向切削力和走刀力與主主切削力之間有一定關(guān)系，它們隨刀具幾何角度、加工條件等因素而變化，"金屬切削機(jī)床設(shè)計指導(dǎo)"表43〔a〕列出一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供計算時參考。 有時為了簡化計算，可?。? =1872.74N 〔15〕 =2996N

35、 〔16〕 c〕齒輪傳動力 〔17〕 式中：為主軸上齒輪模數(shù)和齒數(shù)。 為了計算方便，應(yīng)將分解成垂直方向和水平方向的分力和。 d〕作用在主軸前端部的彎矩Mz、My和M* 切削力平移到主軸端部，隨之在垂直平面和水平平面產(chǎn)生一個附加彎矩Mz和My，其數(shù)值大小與切削力作用點(diǎn)的位置有關(guān)，目前該位置并無統(tǒng)一規(guī)定，但它對主軸變形量影響很大，在普通車床常把切削力作用點(diǎn)取在離主軸夾頭端面的1/2～2/3處，為切削試件的長度，其數(shù)值可參照"金屬切削機(jī)床設(shè)計指導(dǎo)"表42中數(shù)值選取。 因此有： ，， e〕主軸前軸承處的擠壓力矩Mc

36、 主軸受力后產(chǎn)生傾角變形，在前軸承有相當(dāng)寬度的情況下，軸承兩端的邊緣壓力對主軸產(chǎn)生一個能對抗其彎曲變形的擠壓力矩Mc，其計算按經(jīng)歷可取為： 在垂直平面： =231.4N.m 〔18〕 在水平平面： =92.57N.m 〔19〕 式中：a為主軸前端部的懸伸量 mm。 4.2 三支承主軸剛度驗(yàn)算 求解三支承主軸構(gòu)造的支反力是一個靜不定問題，借助"材料力學(xué)"中梁的變形條件，得到一個補(bǔ)充方程才可解出支反力，具體方法如下： 將主軸的三支承中去掉任一支承，以該支承的支反力作為軸的外載荷，再按兩支承軸

37、的計算公式進(jìn)展計算。將主軸構(gòu)造簡化成如以下圖所示計算模型： 圖示中各參數(shù)如下： c=103mm L=586mm=286mm b=134mm 圖4 主軸計算簡圖 如上圖所示，支承剛度分別為Ca、Cb、Cc，設(shè)支承的彈性變形分別對應(yīng)為、、；支承反力分別為Ra、Rb、Rc。去掉中間支承，以其支反力Rc代之，則三支承構(gòu)造轉(zhuǎn)化為兩支承構(gòu)造。在軸端載荷F與支反力Rc作用下主軸前端部的撓度為： 〔20〕 式中Rc可由下

38、面聯(lián)立式求解： 〔21〕 〔22〕 解得： 經(jīng)計算則得： 根據(jù)位移互等原理，即，三支承的影響系數(shù)為： 由上式可知時，主軸組件剛度得到提高。當(dāng)=0時，它表示在F作用下中間支承C處的主軸撓度為零〔即中間支承C處為節(jié)點(diǎn)〕，故在節(jié)點(diǎn)處裝軸承是沒有意義的。 由于機(jī)床主軸無特殊情況強(qiáng)度一般均能滿足要求，因此通常不對機(jī)床主軸強(qiáng)度進(jìn)展驗(yàn)算，又三支承主軸剛度能得到很大提升，因此能滿足設(shè)計要求。 5 設(shè)計總結(jié) 。 6參考文獻(xiàn) [1] 翁世修王良申等編著 金屬切削機(jī)床設(shè)計指導(dǎo) 交通大學(xué)，1987 [2] 王愛玲 主編 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床構(gòu)造與設(shè)計 兵器工業(yè)，1999 [3] 黃鶴汀 俞光 主編 金屬切削機(jī)床設(shè)計 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)，1986 [4] 鞏云鵬 田萬祿等編著 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計 東北大學(xué)，2000 [5] 機(jī)床課程設(shè)計圖冊 華東紡織工學(xué)院 機(jī)制教研室編，1982 . z.