車床主軸組件設(shè)計(jì)（以MJ20為參考）

項(xiàng)目名稱車床主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)量及其主軸組件設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè)年級(jí)班別學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

目錄第一部分項(xiàng)目概述 第一部分項(xiàng)目概述一、項(xiàng)目的性質(zhì)和目標(biāo)本課程為基于問(wèn)題研究的項(xiàng)目課程。學(xué)生帶著解決特定工藝要求、功能和性能指標(biāo)要求的制造裝備設(shè)計(jì)問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室取得對(duì)工藝裝備感性認(rèn)識(shí)，應(yīng)用工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、互換性與公差測(cè)量技術(shù)等相關(guān)專業(yè)知識(shí)，對(duì)問(wèn)題展開(kāi)綜合分析和研究，運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和仿真分析工具軟件，以團(tuán)隊(duì)合作形式分組完成對(duì)工藝裝備設(shè)計(jì)的綜合性項(xiàng)目訓(xùn)練。全面了解開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)一種裝備產(chǎn)品的基本過(guò)程，初步掌握針對(duì)給定的制造工藝工程，設(shè)計(jì)滿足特定工藝條件下的工藝裝備或裝備的主要功能部件能力，并培養(yǎng)學(xué)生正確運(yùn)用工程技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)設(shè)計(jì)文件的能力。通過(guò)本項(xiàng)目，模擬實(shí)際情況得到解決機(jī)械制造工藝裝備設(shè)計(jì)技能方面的訓(xùn)練。具體要達(dá)到以下目標(biāo)：(1)掌握針對(duì)給定的生產(chǎn)條件，綜合考慮制造工藝要求、可制造性和經(jīng)濟(jì)新、安全性等問(wèn)題，設(shè)計(jì)滿足特定工藝條件下的工藝裝備或裝備的主要功能部件能力。(2)掌握運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和分析仿真工具軟件完成綜合性的設(shè)計(jì)、仿真分析，發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)裝備設(shè)計(jì)中可能的缺陷和局限性，提出改進(jìn)措施的能力。(3)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和責(zé)任心，能在分組討論、方案擬定、設(shè)計(jì)仿真中承擔(dān)正確的角色和應(yīng)有的責(zé)任。(4)掌握正確理解工藝需求，按工程技術(shù)規(guī)范表達(dá)設(shè)計(jì)思想、撰寫(xiě)項(xiàng)目報(bào)告和編制技術(shù)文件的能力，并能夠通過(guò)PPT和項(xiàng)目答辯對(duì)設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行有效陳述。二、項(xiàng)目的任務(wù)和要求本次設(shè)計(jì)任務(wù)針對(duì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有的裝備或模型，通過(guò)觀摩、外圍零部件的拆裝、查找圖書(shū)資料、網(wǎng)絡(luò)收集技術(shù)資料等方法，對(duì)裝備或關(guān)鍵零部件進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)。具體包括以下任務(wù)和要求：(1)實(shí)驗(yàn)操作學(xué)生通過(guò)操作、使用、觀摩及測(cè)繪等的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，了解裝備的工藝條件、生產(chǎn)環(huán)境和工作原理，拆分工藝裝備運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈；熟悉多種部件機(jī)械結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和功能，掌握機(jī)械部件的裝配結(jié)構(gòu)，公差選擇和標(biāo)注原則。(2)問(wèn)題分析及方案指標(biāo)制定在實(shí)驗(yàn)室工作的基礎(chǔ)上，分組研究制定工藝裝備的設(shè)計(jì)方案，研究運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、工藝性和成本等制約因素及沖突，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并研究就覺(jué)方案；分析機(jī)械裝置各零件運(yùn)動(dòng)聯(lián)系方式，確定機(jī)械的傳動(dòng)鏈以及工作原理，繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。確定小組分工與配合工作任務(wù)，明確個(gè)人在項(xiàng)目中的任務(wù)角色和職責(zé)范圍；確定裝備設(shè)計(jì)功能和性能指標(biāo)。(3)裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真運(yùn)用3D設(shè)計(jì)軟件，學(xué)生對(duì)機(jī)械裝備本體進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求能正確地反映設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。以小組為單位測(cè)繪一個(gè)裝備或關(guān)鍵部件，小組中每個(gè)同學(xué)必須完成三件以上零件的建模設(shè)計(jì)，確定公差配合，繪制工程圖。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真和有限單元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真分析，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)措施，優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)研究。(4)撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯每位學(xué)生必須根據(jù)具體工作內(nèi)容，完成一篇不少于1000字的設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。每個(gè)小組制作PPT，在答辯中陳述發(fā)言，說(shuō)明每個(gè)人的設(shè)計(jì)思想，介紹作品和設(shè)計(jì)特色，回答老師提出的問(wèn)題。本項(xiàng)目以實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)為主，然后開(kāi)展設(shè)計(jì)活動(dòng)，要求學(xué)生能每個(gè)人親自動(dòng)手操作，體會(huì)到設(shè)計(jì)和制造、操縱控制機(jī)電實(shí)驗(yàn)設(shè)備的樂(lè)趣。

三、項(xiàng)目的進(jìn)程安排周次項(xiàng)目設(shè)計(jì)各階段內(nèi)容地點(diǎn)15布置任務(wù)、劃分小組多媒體教室151、收集有關(guān)機(jī)械裝備的基本資料，熟悉對(duì)應(yīng)指定的實(shí)驗(yàn)裝置，研討設(shè)計(jì)指標(biāo)2、網(wǎng)上收集資料、調(diào)研在實(shí)驗(yàn)室完成16各組預(yù)約實(shí)驗(yàn)室：1、安排在實(shí)驗(yàn)室做運(yùn)行觀摩、測(cè)繪、數(shù)據(jù)采集等實(shí)驗(yàn)2、制定工作范圍，開(kāi)展結(jié)構(gòu)方案、驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)計(jì)3、提出擬解決問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)室和宿舍完成171、討論找出解決問(wèn)題的途徑2、采用三維設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建模，直至工程圖上機(jī)完成181、自行開(kāi)展設(shè)計(jì)與分析2、輔導(dǎo)與答疑3、學(xué)生撰寫(xiě)分析報(bào)告上機(jī)及實(shí)驗(yàn)室完成19小組演講、批改報(bào)告、答辯、評(píng)定成績(jī)?cè)诙嗝襟w和實(shí)驗(yàn)室完成表1項(xiàng)目進(jìn)度安排四、項(xiàng)目目的及意義（1）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生會(huì)接觸到機(jī)械的控制、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)等技術(shù)，學(xué)習(xí)機(jī)械制造中的工藝、工裝、測(cè)量等知識(shí)；使學(xué)生初步掌握開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品的有關(guān)過(guò)程。（2）通過(guò)完成本實(shí)踐項(xiàng)目課程，較為熟練的掌握、操作使用SW、CAD設(shè)計(jì)軟件；（3）重點(diǎn)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)助設(shè)計(jì)能力，要求在自主收集、查閱相關(guān)資料的前提下進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)創(chuàng)新。五、項(xiàng)目分工表2組內(nèi)項(xiàng)目分工六、項(xiàng)目闡述車床主軸組件是機(jī)床的核心部件，它帶動(dòng)工件或刀具直接參與表面成形運(yùn)動(dòng)，其工作性能對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量及生產(chǎn)率有直接影響。機(jī)床主軸組件的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，即使同一類機(jī)床，由于工作性能要求不同，主軸組件的結(jié)構(gòu)也會(huì)存在較大差異。本項(xiàng)目首先對(duì)車床主軸進(jìn)行靜態(tài)回轉(zhuǎn)精度測(cè)量、靜態(tài)剛度測(cè)量，學(xué)習(xí)測(cè)量的方法和工具使用，然后測(cè)繪主軸組件，了解組成結(jié)構(gòu)，進(jìn)行使用結(jié)構(gòu)、加工結(jié)構(gòu)、裝配結(jié)構(gòu)的測(cè)繪設(shè)計(jì)。基本工作任務(wù)如下：1、分析確定車床主軸的主要技術(shù)性能指標(biāo)；2、根據(jù)技術(shù)性能指標(biāo)要求確定總體結(jié)構(gòu)方案；3、主軸的端部接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4、主軸組件傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；5、主軸組件裝配結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

成果體現(xiàn)形式：1、小組學(xué)習(xí)成果：包括一套完整的設(shè)計(jì)流程，小組工作總結(jié)；2、個(gè)人學(xué)習(xí)成果：包括個(gè)人構(gòu)思的方案及計(jì)算說(shuō)明，設(shè)計(jì)日志，小組分工中個(gè)人負(fù)責(zé)的圖紙等；3、演講與答辯環(huán)節(jié)的表現(xiàn)；4、綜合評(píng)分（單獨(dú)體現(xiàn)）。提供以下結(jié)課文件：1、設(shè)計(jì)報(bào)告1份(說(shuō)明書(shū)、日志)、裝配圖1張、零件圖3張2、建模文件/模擬文件(動(dòng)畫(huà)或有限元)+答辯PPT

第二部分車床測(cè)定指標(biāo)與確定方案一、分析確定車床主要技術(shù)性能指標(biāo)1.1車床主要技術(shù)參數(shù)床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑：400mm刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑：210mm最大工件長(zhǎng)度：750mm、1000mm、1500mm、2000mm主軸通孔直徑：50mm1.2主傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)1、目前數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)已不再采用普通的交流異步電動(dòng)機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)和直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)所代替。2、轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率的切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。3、變速圍大。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。4、主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。由于直流和交流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬圍的無(wú)級(jí)變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。1.3主傳動(dòng)系統(tǒng)要求1.具有較大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。數(shù)控機(jī)床為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對(duì)于自動(dòng)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，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。2.具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。3.良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻運(yùn)動(dòng)部件不平穩(wěn)以及切削過(guò)程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，使加工無(wú)法進(jìn)行。因此主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力—抗振性。抗振性用動(dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量。例如主軸組件的動(dòng)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)。機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)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(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過(guò)保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.4主軸組件的技術(shù)要求主軸組件由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、定位元件等組成。主軸組件是主運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行件，是機(jī)床重要的組成部分。它的功用是縮小主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)誤差，并將運(yùn)動(dòng)傳遞給工件或刀具進(jìn)行切削,形成表面成形運(yùn)動(dòng);承受切削力和傳動(dòng)力等載荷。主軸組件直接參與切削,其性能影響加工精度和生產(chǎn)效率，因而是決定機(jī)床性能和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的重要因素。主軸組件應(yīng)滿足的基本要求如下。1.4.1主軸部件的性能要求1.旋轉(zhuǎn)精度主軸的旋轉(zhuǎn)精度是機(jī)床幾何精度的組成部分，它是指主軸組件裝配后，靜止或低速空載狀態(tài)下，刀具或工件安裝基面上的全跳動(dòng)值。它取決于主軸、主軸的支承軸承、箱體孔等的制造精度、裝配和調(diào)整精度。2.靜剛度靜剛度簡(jiǎn)稱剛度,是主軸組件在靜載荷作用下抵抗變形的能力,通常以主軸端部產(chǎn)生單位位移彈性變形時(shí)，位移方向上所施加的力表示。典型主軸的力學(xué)模型為外伸梁（簡(jiǎn)支梁和懸臂梁的組合）當(dāng)外伸端受徑向作用力F（單位：N）時(shí)，受力方向的彈性位移為y（單位：μm）時(shí)，如圖2.1所示，主軸的剛度K為K=圖1主軸組件剛度簡(jiǎn)圖3.動(dòng)剛度機(jī)床在額定載荷下切削時(shí).主軸組件抵抗變形的能力稱為動(dòng)剛度。由于工件毛坯硬度不勻尺寸誤差、斷續(xù)切削、多刃切削等因素，使切削力成為變量，主軸組件的彈性位移隨之成為變化的值，形成振動(dòng)。動(dòng)態(tài)剛度實(shí)際上是指機(jī)床抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。習(xí)慣上上述兩個(gè)能力稱為切削的穩(wěn)定性。主軸組件的動(dòng)剛度直接影響加工精度和刀具的使用壽命，是機(jī)床重要的性能指標(biāo)。但目前對(duì)抗振性的指標(biāo)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)可在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定。動(dòng)剛度與靜剛度成正比，在共振區(qū)，與阻尼(振動(dòng)的阻力)近似成正比。可通過(guò)增加靜剛度，增加阻尼比來(lái)提高動(dòng)剛度。4.溫升和熱變形當(dāng)主軸組件工作時(shí),軸承的摩擦形成熱源，切削熱和齒輪嚙合熱的傳遞，導(dǎo)致主軸部件溫度升高,產(chǎn)生熱變形。主軸熱變形可引起軸承間隙變化，軸心位置偏移,定位基面的形狀尺寸和位置產(chǎn)生變化;潤(rùn)滑油溫度升高后，黏度下降,阻尼降低。因此主軸組件的熱變形，將嚴(yán)重影響加工精度。各類機(jī)床對(duì)溫升都有一定限制，室溫為20℃時(shí)，普通機(jī)床溫升為30-40℃，室溫不為20度時(shí)，溫升Tt的許可值可表示為:T式中Kt—潤(rùn)滑劑修正系數(shù)，當(dāng)潤(rùn)滑油牌號(hào)為N32\N46時(shí)，Kt分別為0.6/0.5；脂潤(rùn)滑時(shí)Kt=0.9。5.精度保持性主軸組件的精度保持性是指長(zhǎng)期保持其原始制造精度的能力。主軸組件的主要失效形式是磨損，所以精度保持性又稱為耐磨性。主軸組件的主要磨損有:主軸軸承的疲勞磨損，主軸軸頸表面、裝卡刀具的定位基面的磨損等。磨損的速度與摩擦性質(zhì)、摩擦副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、摩擦副材料的硬度、摩擦面積、摩擦面表面精度以及潤(rùn)滑方式等有關(guān)。如普通機(jī)床主軸，一般采用45或60優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，主軸支承軸頸及裝卡刀具的定位基面,高頻淬火，硬度為50~55HRC。6.主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)量主軸在作轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在同一瞬間，主軸上線速度為零的點(diǎn)的連線，稱為主軸在該瞬間的回轉(zhuǎn)中心線，在理想狀況下，主軸在每一瞬間的回轉(zhuǎn)中心線的空間位置，相對(duì)于某一固定的參考系統(tǒng)（例如：刀架、主軸箱體或工具機(jī)的工作臺(tái)面）來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是固定不變的。但實(shí)際上，由于主軸的軸頸支承在軸承上，軸承又安裝在主軸箱體孔內(nèi)，主軸上還有齒輪或其它傳動(dòng)件，由于軸頸的不圓、軸承的缺陷、支承端面對(duì)軸頸中心線的不垂直，主軸的撓曲和工具機(jī)結(jié)構(gòu)的共振等原因，主軸回轉(zhuǎn)中心線的空間位置，在每一瞬時(shí)都是變動(dòng)的。把回轉(zhuǎn)主軸的這些瞬間回轉(zhuǎn)中心線的平均空間位置定義為主軸的理想回轉(zhuǎn)中心線，而且與固定的參考坐標(biāo)系統(tǒng)聯(lián)系在一起。這樣，主軸瞬間回轉(zhuǎn)中心線的空間位置相對(duì)于理想中心線的空間位置的偏離就是回轉(zhuǎn)主軸在該瞬間的誤差運(yùn)動(dòng)。這些瞬間誤差運(yùn)動(dòng)的軌跡，就是回轉(zhuǎn)主軸誤差運(yùn)動(dòng)的軌跡。由此可見(jiàn)，主軸的回轉(zhuǎn)精度，說(shuō)明回轉(zhuǎn)主軸中心線空間位置的穩(wěn)定性特點(diǎn)。 主軸回轉(zhuǎn)誤差是一個(gè)綜合性的誤差，它可以分為三種基本形式：純徑向跳動(dòng)、純軸向竄動(dòng)、純角度擺動(dòng)。如圖3.2所示。通常純徑向跳動(dòng)、純角度擺動(dòng)被稱為主軸的回轉(zhuǎn)精度誤差。圖2主軸的回轉(zhuǎn)精度誤差目前，主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)量的方法有單點(diǎn)法、雙點(diǎn)法、三點(diǎn)法、虛擬儀器法、CCD法等，具體原理和操作見(jiàn)參看文獻(xiàn)。1.4.2主軸組件的動(dòng)態(tài)特性1.平移 主軸作為一個(gè)剛體〔實(shí)際上略有彎曲〕，在彈性支承上作平移振動(dòng)，主軸各點(diǎn)的振動(dòng)方向一致。2.搖擺 主軸在彈性支座上搖擺，左右振動(dòng)方向相反。3.彎曲 主軸本身作彎曲振動(dòng)，主軸中間與兩端的振動(dòng)方向相反，有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。這兩節(jié)點(diǎn)位于支承點(diǎn)附近。每個(gè)振型都有其固有頻率。每個(gè)振型按固有頻率排列的次序，稱為階。上述三個(gè)振型的固有頻率，以平移振型為最低，彎曲振型為最高，三個(gè)振型分別為第一二三振型，振型和固有頻率合稱為模態(tài)。可以看出，第一二階模態(tài)的彈性環(huán)節(jié)主要是軸承；第三階則主要是軸承。當(dāng)軸的剛度提高時(shí)，第一二階模態(tài)的固有頻率也隨之提高，但第三階模態(tài)提高不多主軸是一個(gè)連續(xù)體，又無(wú)窮個(gè)模態(tài)。例如還有主軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng)等。但是，這些模態(tài)的固有頻率較高，工作時(shí)不可能發(fā)生共振，所以，只需研究最低幾階模態(tài)。主軸的模態(tài)，可用有限元法或傳遞矩陣法，借助計(jì)算機(jī)計(jì)算。通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸特別是帶裝式電動(dòng)機(jī)高速主軸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動(dòng)態(tài)特性，可采取下列措施：〔1〕是主軸組件的固有頻率避開(kāi)激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上〔軸承〕的剛體振動(dòng)的第一階〔平移〕和第二階〔搖擺〕模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動(dòng)，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。激振力可能來(lái)自主軸組件的不平衡，這時(shí)激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以π/30。也可能來(lái)自斷續(xù)切削，這時(shí)激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù)Z。〔2〕增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動(dòng)。這時(shí)主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對(duì)主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過(guò)大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時(shí)還因考慮阻尼因素。〔3〕采用消振裝置。二、根據(jù)技術(shù)性能指標(biāo)要求確定總體結(jié)構(gòu)方案2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1.1主傳動(dòng)系統(tǒng)概述1.主傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)1、目前數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)已不再采用普通的交流異步電動(dòng)機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)和直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)所代替。2、轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率的切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。3、變速圍大。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。4、主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。由于直流和交流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬圍的無(wú)級(jí)變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。2.對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動(dòng)要求外，還提出如下要求：1.具有較大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。數(shù)控機(jī)床為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對(duì)于自動(dòng)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，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。2.具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。3.良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻運(yùn)動(dòng)部件不平穩(wěn)以及切削過(guò)程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，使加工無(wú)法進(jìn)行。因此主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力—抗振性。抗振性用動(dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量。例如主軸組件的動(dòng)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)。機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)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(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過(guò)保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.1.2傳動(dòng)布局本設(shè)計(jì)由于是精密車床，故采用分離式傳動(dòng)布局。把主軸組件和主傳動(dòng)的大部分變速機(jī)構(gòu)分離裝在兩個(gè)箱體內(nèi)，將該兩個(gè)部件分別稱為主軸箱和變速箱，中間一般采用帶傳動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是變速箱中產(chǎn)生的振動(dòng)和熱量不易傳給主軸，從而減少了主軸的振動(dòng)和熱變形；當(dāng)主軸采用背輪傳動(dòng)時(shí)，主軸通過(guò)帶傳動(dòng)直接得到高轉(zhuǎn)速，故運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，加工表面質(zhì)量提高。缺點(diǎn)是箱體數(shù)多，加工、裝配工作量較大，成本較高；位于傳動(dòng)鏈后面的帶傳動(dòng)，低轉(zhuǎn)速時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩較大，容易打滑（沒(méi)勁）；更換傳動(dòng)帶不方便等。2.1.3變速方式本設(shè)計(jì)采用無(wú)級(jí)變速，指一定速度（轉(zhuǎn)速）范圍內(nèi)，能連續(xù)、任意地變速。可選用最合理的切削速度，沒(méi)有速度損失，生產(chǎn)率得到提高；可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，減少輔助時(shí)間；操縱方便；傳動(dòng)平穩(wěn)等，因此機(jī)床上應(yīng)用有所增加。本設(shè)計(jì)采用交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，這種裝置多用于精密、大型機(jī)床或數(shù)控機(jī)床。2.1.4主軸的極限轉(zhuǎn)速nn極限切削速度vvd式中：D——機(jī)床加工最大直徑K——系數(shù)臥式車床K=0.5dddn取標(biāo)準(zhǔn)系列nn取標(biāo)準(zhǔn)系列n無(wú)極轉(zhuǎn)速范圍31.5r/min~1440r/min2.1.5電機(jī)選擇1.交流伺服電機(jī)用于閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置常有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等,這與主軸驅(qū)動(dòng)裝置類似。交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最新發(fā)展起來(lái)的新型伺服系統(tǒng),也是當(dāng)前機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的一個(gè)新動(dòng)向。該系統(tǒng)克服了直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)電刷和整流子要經(jīng)常維修、電機(jī)尺寸較大和使用環(huán)境受限制等缺點(diǎn)。它能在較寬的調(diào)速圍產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,用于數(shù)控機(jī)床等進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為精密位置控制的情況。交流伺服電機(jī)的功工作原理和兩相異步電動(dòng)機(jī)相似。由于它在數(shù)控機(jī)床中作為執(zhí)行元件,將交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度,所以要求轉(zhuǎn)子速度的快慢能夠反映控制信號(hào)的相位,無(wú)法控制信號(hào)時(shí)它不轉(zhuǎn)動(dòng),特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),如果控制信號(hào)消失,它立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后,若控制信號(hào)消失,往往不能立即停止而要繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一會(huì)。交流伺服電機(jī)也是有轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成的。定子上有勵(lì)磁繞組和控制繞組,這兩個(gè)繞組在空間上相差90°電角度。若有兩相繞組上加以幅值相等、相位差90°電角度的對(duì)稱電壓,則在電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。若兩個(gè)電壓的幅值不等或相位不為90°電角度,則產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一個(gè)橢圓型旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。加在控制繞組上的信號(hào)不同,產(chǎn)生的磁場(chǎng)橢圓度也不同。例如,負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定,改變控制信號(hào),就可以改變磁場(chǎng)的橢圓度,從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速與交流主軸電機(jī)的調(diào)速相似,即采用變頻調(diào)速。下面介紹變頻調(diào)速產(chǎn)生的磁場(chǎng)定向調(diào)速系統(tǒng),即矢量變換控制。磁場(chǎng)定向調(diào)速的基本原理是通過(guò)矢量變換,把交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī),因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩難以直接控制,也就不易獲得良好的控制性能,而直流電動(dòng)機(jī)能對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行良好的控制,使直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。其思路是按照產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)這一等效原則建立的。它先將三相對(duì)稱繞組等效成兩相對(duì)稱繞組,再將其等效成旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)直流正交繞組,這兩個(gè)正交繞組組成正交坐標(biāo)軸,一個(gè)相當(dāng)于直流電機(jī)的等效磁通,另一個(gè)相當(dāng)于直流電機(jī)的等效電樞電流。在旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系,交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電動(dòng)機(jī)的一樣。這種等效要經(jīng)過(guò)三相-二相交換、矢量旋轉(zhuǎn)變換、直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換等,才能得到所需的控制變量,使交流電動(dòng)機(jī)能像直流電動(dòng)一樣,對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的控制,故稱其為矢量變換控制。又因?yàn)樾D(zhuǎn)的兩個(gè)正交坐標(biāo)軸是由磁通矢量方向決定的,所以又稱磁場(chǎng)定位控制。交流伺服電動(dòng)機(jī)由幅值控制、相位控制以及幅值-相位混合控制三種控制方法。保持控制電壓和勵(lì)磁電壓之間的相位差角為90°,僅僅改變控制電壓的幅值,這種控制方式叫幅值控制；保持控制電壓和勵(lì)磁電壓之間的不變,僅僅改變控制電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位差角,這種控制方式叫相位控制；在勵(lì)磁電路串聯(lián)移相電容,改變控制電壓的幅值及其對(duì)于控制電壓的相位差發(fā)生變化,這種控制方式,叫幅值-相位混合控制。3.電機(jī)選擇普通臥式CA6140車床典型切削條件如下：刀具材料：YT15工件材料：45號(hào)鋼切削方式：車削外圓查《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》可知：若以切深ap=3.5mm，進(jìn)給量f(s)=0.35mm/r切削速度車床的主切削力F車床切削功率p主電機(jī)功率p=圖3主軸電機(jī)參數(shù)圖（節(jié)選）綜上所述查上表選擇電機(jī)α6額定功率為5.5kw，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min2.1.7確定皮帶輪直徑1.確定計(jì)算功率Pca由表8-8查得工作情況系數(shù)KA=1.2，故P2.選擇V帶的帶型根據(jù)Pca、n=1440r/min由圖8-11選用A型。3.確定主軸帶輪的基準(zhǔn)直徑dd并驗(yàn)算帶速1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1。由表8-7、圖8-11和表8-9，取小帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1=150mm。2）驗(yàn)算帶速v。按式（8-13）驗(yàn)算帶的速度v=帶速在5～30m/s范圍內(nèi)，合適。3）計(jì)算電機(jī)帶輪的基準(zhǔn)直徑。根據(jù)式（8-15a），計(jì)算電機(jī)帶輪的基準(zhǔn)直徑d根據(jù)表8-9，取標(biāo)準(zhǔn)值為dd2=150mm。4.確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長(zhǎng)Ld度根據(jù)式（8-20）0.7初定中心距a0=420mm。由式（8-22）計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度L2由表選帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld=1430mm。按式（8-23）計(jì)算實(shí)際中心距a。a按式（8-24）,中心距的變化范圍為442～506.5mm。5.驗(yàn)算主軸帶輪的包角αaα6.計(jì)算帶的根數(shù)z1）計(jì)算單根V帶的額定功率Pr。由dd1=150mm和n=1440r/min,查表8-4得P0=2.73kW。根據(jù)n=1440r/min，i=1和A型帶，查表8-5得△P0=0.00kW。查表8-6得Kα=1，表8-2得KL=0.95，于是P2）計(jì)算帶的根數(shù)zz=取3根。7.計(jì)算單根V帶的初拉力F0由表8-3得A型帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量q=0.105kg/m，所以F8.計(jì)算主軸壓軸力FpF1)主軸帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶輪的軸孔直徑d=70mm因?yàn)閹л哾d1=150mm主軸帶輪結(jié)構(gòu)選擇為實(shí)心式。因此主軸帶輪尺寸如下：代號(hào)名稱計(jì)算公式代入數(shù)據(jù)尺寸取值內(nèi)孔直徑d主軸D=70mm70mm分度圓直徑dd1150mmdadd1+2ha150+2×3.5157mm輪轂直徑d1(1.8～2)d(1.8～2)×70126mmB(z-1)×e+2×f(3-1)×15+2×12.555mmLB<1.5dB=L55mm表3主軸帶輪尺寸圖4主軸帶輪結(jié)構(gòu)示意圖2.2主軸結(jié)構(gòu)方案2.2.1主軸構(gòu)造初步擬定主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝定位方法等。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮主軸加工工藝性和裝配工藝性。主軸一般為空心階梯軸，前端徑向尺寸大，中間徑向尺寸逐漸減小，尾部徑向尺寸最小。主軸空心，減輕重量，提高抗扭剛度，空心主軸才能裝夾具和刀具，內(nèi)徑越大可加工的工件尺寸越大。主軸的前端結(jié)構(gòu)形式取決于機(jī)床類型和安裝夾具或刀具的結(jié)構(gòu)形式。主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具，在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)遵照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。下圖所示為幾種機(jī)床上通用的主軸部件的結(jié)構(gòu)形式。圖5主軸剖圖下圖所示為本設(shè)計(jì)采用的車床主軸端部結(jié)構(gòu)，卡盤(pán)靠前端的短圓錐面和凸緣端面定位，用撥銷傳遞轉(zhuǎn)矩，卡盤(pán)裝有固定螺栓，卡盤(pán)裝于主軸端部時(shí)，螺栓從凸緣上的孔中穿過(guò)，轉(zhuǎn)動(dòng)快卸卡板將數(shù)個(gè)螺栓同時(shí)卡住，再擰緊螺母將卡盤(pán)固牢在主軸端部。主軸前端莫氏錐孔采用莫氏六號(hào)錐度，用以安裝頂尖或心軸。圖6莫氏孔2.2.2主軸材料與熱處理主軸的材料應(yīng)根據(jù)載荷特點(diǎn)、耐磨性要求、熱處理方法和熱處理后變形情況選擇。主軸的剛度與材料的彈性模量E值有關(guān)，鋼的E值較大(2.1X1011N/m2左右)，所以主軸材料首先考慮用鋼料。值得注意的是，鋼的彈性模量E的數(shù)值和鋼的種類及熱處理方式無(wú)關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量E基本相同。因此在選擇鋼料時(shí)應(yīng)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼(如45鋼)，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，在主軸端部、錐孔、定心軸頸或定心錐面等部位進(jìn)行局部高頻淬硬，以提高其耐磨性。只有載荷大和有沖擊時(shí)，或精密機(jī)床需要減小熱處理后的變形時(shí)，或有其他特殊要求時(shí)，才考慮選用合金鋼。當(dāng)支承為滑動(dòng)軸承，則軸頸也需淬硬，以提高其耐磨性。

第三部分主軸組件的選擇和計(jì)算一、主軸重要組件1.1主軸直徑已知主軸功率11kW，查下表圖7主軸直徑選取初選主軸前軸頸直徑為90mm，一般后軸頸為D2=（0.7車床要求內(nèi)徑50mm，內(nèi)徑與外徑比值等于0.56小于0.71.2主軸前后支承軸承選擇主軸考慮前端定位的方式，推力軸承在主軸上的位置會(huì)影響主軸的軸向精度和主軸熱變形的方向和大小。為使主軸具有足夠的軸向剛度和軸向定位精度，必須恰當(dāng)配置推力軸承的位置。采用前端定位，推力軸承安裝在前軸承內(nèi)側(cè)，前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力大，溫升高，主軸受熱膨脹向后伸長(zhǎng)，對(duì)主軸前端位置影響較小，故適用于軸向精度高和剛度要求高的高精度車床中。圖8推力軸承配置形式1.2.1前支承軸承選用雙列圓柱滾子軸承NN3018K/W33承受徑向力，選用角接觸球軸承7018AC/DB承受軸向力和徑向力。圖9雙列圓柱滾子軸承d圖10角接觸球軸承da1.2.2后支承軸承選用雙列圓柱滾子軸承NN3015/W33承受徑向力。圖11雙列圓柱滾子軸承d1.3主軸內(nèi)徑直徑本設(shè)計(jì)組合機(jī)床用于車床加工，空心主軸需要通過(guò)車刀拉桿的孔，為了不削弱主軸剛度，該主軸內(nèi)孔直徑應(yīng)在一定范圍內(nèi)取到。一般主軸內(nèi)孔直徑受到主軸后軸頸的直徑限制。由材料力學(xué)可知，剛度K正比于截面慣性矩I，與直徑之間有下列關(guān)系：

由力學(xué)可知，外徑為D、內(nèi)徑為d的空心軸的慣性矩為I其與實(shí)心慣性矩的比值為I式中：ω——?jiǎng)偠人p系數(shù)。表X-X：ω0.50.60.70.750.8剛度損失/(%)6.2512.9624.0131.6440.96表4剛度損傷表查找資料可知：當(dāng)剛度衰減系數(shù)小于0.3時(shí)，內(nèi)孔對(duì)主軸的剛度幾乎沒(méi)有影響；當(dāng)比值為0.5時(shí)，空心主軸的剛度大約為相同直徑實(shí)心主軸剛度的90%當(dāng)比值為0.7時(shí)，剛度削弱量約為25%，當(dāng)比值大于0.7時(shí)，空心主軸的剛度會(huì)急劇下降。由于車床加工主要前軸頸受切削力，故d<0.7故選用內(nèi)徑50mm1.4主軸前端懸伸量主軸前端懸伸量a指的是主軸定位基面至前支承徑向?反力的作?點(diǎn)之間距離，它對(duì)主軸組件剛度的影響較大。懸伸量越小，主軸組件剛度越好。主軸前端懸伸量a取決于主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，一般應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取，有時(shí)為了提高主軸剛度或定心精度，也可不按標(biāo)準(zhǔn)取。此外，主軸前端懸伸量a還與前?承中軸承的類型及組合型式、?件或夾具的夾緊方式以及前支承的潤(rùn)滑與密封裝置的結(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān)。因此，在滿?結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡可能減小懸伸量a，以利于提高主軸組件的剛度。類型機(jī)床和主軸的類型a/D1Ⅰ通用和精密車床，自動(dòng)車床和短主軸短銑床，用滾動(dòng)軸承支承，適用于高精度和普通精度要求0.6-1.5Ⅱ中等長(zhǎng)度和較長(zhǎng)主軸端的車床和銑床，懸伸量不太長(zhǎng)的精密鏜床和內(nèi)磨圓，用滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承支承，適用于絕大部分普通精度生產(chǎn)的要求1.25-2.5Ⅲ孔加工機(jī)床，專用加工細(xì)長(zhǎng)深孔的機(jī)床，有加工技術(shù)決定需要有長(zhǎng)的懸伸刀桿或主軸可移動(dòng)，由于切削較重而不適于有高精度要求的機(jī)床＞2.5表5懸伸量a與機(jī)床關(guān)系初算時(shí)，可根據(jù)表5。本設(shè)計(jì)的組合機(jī)床屬于Ⅱ型，則：定懸長(zhǎng)量a初取a=120mm1.4主軸支承跨距主軸支承跨距L指主軸前后支承支承反力作用點(diǎn)之間的距離。合理確定主軸支承跨距，可以提高主軸的靜剛度。支承跨距越小，其自身的剛度就越大，彎曲變形就越小，但引起主軸前端的位移量增大，剛度降低。支承跨距大，支承變形引起主軸前端位移量小，但主軸本身的彎曲變形將增大。可見(jiàn)選擇合理的支承跨距的重要性。參考有關(guān)合理跨距的選擇推薦值：L0=（3-5）a，用于懸伸長(zhǎng)度較小時(shí)。L0=（1-2）a，用于懸伸長(zhǎng)度較大時(shí)。根據(jù)此次設(shè)計(jì)的組合機(jī)床的主軸的懸伸量比較大，取L0≤2.5a為宜，即本設(shè)計(jì)的主軸兩支承的合理跨距：L0≤2.5a=2.5×150=375初取L=330mm。二、端部零件2.1前端內(nèi)孔主軸前端形狀取決于機(jī)床的類型、安裝夾具和刀具的形式，并且能保證夾具安裝可靠、定位準(zhǔn)確以及能傳遞一定的扭矩。本設(shè)計(jì)采用短圓錐法蘭盤(pán)式的主軸前端部結(jié)構(gòu)，端面上有四個(gè)螺紋孔，用來(lái)固定和傳遞扭矩給刀具。采用莫氏6號(hào)孔，孔錐度為1:12，如下圖所示。圖12莫氏6號(hào)孔簡(jiǎn)圖三、同步帶輪設(shè)計(jì)主軸的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)同步帶輪以及同步帶帶動(dòng)脈沖編碼器,使其與主軸同速運(yùn)轉(zhuǎn)。AC伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步帶輪以及同步帶傳到滾珠絲杠上,有螺母帶動(dòng)滑板連同刀架沿床身的矩形導(dǎo)軌移動(dòng),實(shí)現(xiàn)Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)軸與同步帶輪之間用錐環(huán)無(wú)鍵連接,錐面相互配合的外錐環(huán),當(dāng)擰緊螺釘時(shí),法蘭的端面壓迫外錐環(huán),使其向外膨脹,錐環(huán)受力后向電動(dòng)機(jī)軸收縮,從而使電動(dòng)機(jī)軸與同步帶輪連接在一起。這種連接方式無(wú)需在被連接件上開(kāi)鍵槽,而且兩錐環(huán)的外圓錐面壓緊后,使連接配合面無(wú)間隙,對(duì)中性較好。選用錐環(huán)對(duì)數(shù)的多少,取決于所傳遞扭矩的大小。圖13帶輪示意圖選用48-T10同步帶輪，規(guī)格如下：齒數(shù)：48，節(jié)徑d：76.39，外徑do：75.54，擋邊直徑df：82，擋邊內(nèi)徑db：64，擋邊厚度h：1.5四、支撐零件設(shè)計(jì)4.1支承件選擇機(jī)床主軸選用滾動(dòng)軸承支承，因?yàn)椋孩僭谵D(zhuǎn)速和載荷變化范圍很大的情況下滾動(dòng)軸承仍能穩(wěn)定工作，而動(dòng)壓滑動(dòng)軸承在低速時(shí)難以形成具有足夠壓力的油膜；②滾動(dòng)軸承能在零間隙、甚至負(fù)間隙(預(yù)緊到有一定過(guò)盈量)的條件下工作，對(duì)提高旋轉(zhuǎn)精度和剛度有利，滾動(dòng)軸承有足夠的剛度，有較高的旋轉(zhuǎn)精度，能滿足機(jī)床主軸的性能要求，而滑動(dòng)軸承則必須有一定間隙才能正常工作；③滾動(dòng)摩擦系數(shù)小，發(fā)熱少；④滾動(dòng)軸承容易潤(rùn)滑，可以用脂潤(rùn)滑，裝填一次用到修理時(shí)才更換，若用油時(shí)所需油量也遠(yuǎn)比滑動(dòng)軸承小；⑤滾動(dòng)軸承為標(biāo)準(zhǔn)件，可以外購(gòu)，質(zhì)量穩(wěn)定，成本低，經(jīng)濟(jì)性好。4.2主軸滾動(dòng)軸承的類型選擇機(jī)床主軸較粗，主軸軸承的直徑較大，軸承所承受的載荷遠(yuǎn)小于其額定動(dòng)載荷，約為后者的1/10。因此，一般情況下，承載能力和疲勞壽命不是選擇主軸軸承的主要依據(jù)。主軸軸承類型選擇應(yīng)根據(jù)剛度、旋轉(zhuǎn)精度和極限轉(zhuǎn)速、抗振性和主軸結(jié)構(gòu)來(lái)選擇。軸承的剛度與軸承的類型有關(guān)，線接觸的滾子軸承比點(diǎn)接觸的球軸承剛度高，雙列軸承比單列的剛度高，且剛度是載荷的函數(shù)，適當(dāng)預(yù)緊不僅能提高旋轉(zhuǎn)精度，也能提高剛度。軸承的極限轉(zhuǎn)速與軸承滾動(dòng)體的形狀有關(guān)，同等尺寸的軸承，球軸承的極限轉(zhuǎn)速高于滾子軸承，圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速高于圓錐滾子軸承；同一類型的軸承，滾動(dòng)體的分布圓越小，滾動(dòng)體越小，極限轉(zhuǎn)速越高。軸承的軸向承載能力和剛度，由強(qiáng)到弱依次為：推力球軸承、推力角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、角接觸球軸承。承受軸向載荷軸承的極限轉(zhuǎn)速由高到低為：角接觸球軸承、推力角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、推力球軸承。綜合CNC車床主軸工作情況，軸承的配置選擇為剛度型如圖所示。圖14車床主軸示例圖剛度型（CNC型車床主軸）前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和背對(duì)背25°角接觸球軸承承受軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承。這種軸承配置的主軸部件，適用于中等轉(zhuǎn)速和切削負(fù)載較大，要求剛度的機(jī)床。故本設(shè)計(jì)采用前支承采用型號(hào)NN3018K/W33雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和軸承型號(hào)7218AC/DB背對(duì)背25°角接觸球軸承承受軸向載荷，后支承采用型號(hào)NN3015/W33雙列短圓柱滾子軸承。4.3軸承精度的選擇主軸軸承中，前、后軸承的精度對(duì)主輪旋轉(zhuǎn)精度的影響是不同的，如圖a所示，前軸承軸心有偏移δa，后軸承偏移量為零，由偏移量δa。引起的主軸端軸心偏移為：δa1=圖4-11(b)表示后軸承有偏移δbδ顯然，前支承的精度比后支承對(duì)主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度影響大。因此軸承精度選取時(shí)，前軸承的精度要選得高一點(diǎn)，一般比后軸承精度高一級(jí)。另外，在安裝主軸軸承時(shí)，如將前、后軸承的偏移方向放在同一側(cè)，如圖4-11(c)所示，可以有效地減少主軸端部的偏移。如后軸承的偏移量適當(dāng)?shù)乇惹拜S承的大，可使抽端部的偏移量為零。鑒于設(shè)計(jì)的主軸為普通精度數(shù)控車床的，前軸承選擇P3精度的軸承，后軸承選擇P5精度的軸承.圖15主軸軸承對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響4.4主軸滾動(dòng)軸承的預(yù)緊軸承預(yù)緊是使軸承滾道預(yù)先承受一定的載荷，消除間隙，并使得滾動(dòng)體與滾道之間發(fā)生一定的變形，增大接觸面積，軸承受力時(shí)變形減小，抵抗變形的能力增大。因此，對(duì)主軸滾動(dòng)軸承進(jìn)行預(yù)緊和合理選擇預(yù)緊量，可以提高主軸部件的回轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性，機(jī)床主軸部件在裝配時(shí)要對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊，使用一段時(shí)間以后，間隙或過(guò)盈有了變化，還需重新調(diào)整，所以要求預(yù)緊結(jié)構(gòu)應(yīng)便于調(diào)整。滾動(dòng)軸承間隙的調(diào)整或預(yù)緊，通常是使軸承內(nèi)、外圈相對(duì)軸向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)采用前端固定，故對(duì)前軸承徑向、軸向預(yù)緊。圓錐孔雙列向心短圓柱滾子軸承的徑向間隙調(diào)整采用螺母經(jīng)中間軸承，軸向移動(dòng)螺母實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)中間角接觸雙列向心推力球軸承進(jìn)行軸向預(yù)緊。五、主軸參數(shù)校核5.1支承的簡(jiǎn)化對(duì)于雙支承主軸，若每個(gè)支承中僅有一個(gè)單列滾動(dòng)軸承，或者有兩個(gè)單列球軸承，則可將主軸組件簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，如下圖7.1所示；若前支承有兩個(gè)以上滾動(dòng)軸承，可認(rèn)為主軸在前支承處無(wú)彎曲變形，可簡(jiǎn)化為固定端梁，此次設(shè)計(jì)的主軸，前支承選用了一個(gè)雙列調(diào)心滾子軸承和推力球軸承作為支承，所以可認(rèn)為主軸在前支承處沒(méi)有彎曲變形，將主軸支承簡(jiǎn)化為如下圖7.2所示結(jié)構(gòu)。圖16簡(jiǎn)支梁示意圖圖17固定端梁簡(jiǎn)圖5.2主軸的剛度校核主軸的剛度計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖7.3所示圖18剛度校核理論圖主軸的剛度計(jì)算簡(jiǎn)圖查閱材料力學(xué)相關(guān)指導(dǎo)書(shū)可得y式中:F為主軸端部作用的外力;a、l為主軸的懸伸長(zhǎng)度和跨距;E為主軸材料的彈性模量;I為主軸截面慣性矩。45鋼的彈性模量幾乎與種類和熱處理無(wú)關(guān)，一般來(lái)說(shuō)：彈性模量：E=慣性矩：I=F=3026Na=0.12m其中，D、d分別為主軸的外徑與內(nèi)徑y(tǒng)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-5可得軸的許用撓度[y]要求為（0.0003~0.0005）l0，l0為支承跨度350mm故yb＜[y5.4主軸的傾角校核此次設(shè)計(jì)的主軸主要考慮主軸前支承處的傾角。若安裝軸承處的傾角太大，會(huì)破壞軸承的正常工作，縮短軸承的使用壽命。查閱材料力學(xué)相關(guān)指導(dǎo)書(shū)可得：θ查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-5可得軸的許用偏轉(zhuǎn)角[θ]要求為θ故θB＜θ5.5主軸有限元分析空載：圖19車床主軸空載形變圖最大位移12.6μm，符合要求圖20車床主軸空載應(yīng)力圖最大應(yīng)力30.92MPa，符合要求；切削，切削力為3062N圖21車床主軸切削形變圖最大位移13μm圖22車床主軸切削應(yīng)力圖最大應(yīng)力30.87MPa，符合要求六、組件潤(rùn)滑和密封6.1主軸軸承的潤(rùn)滑潤(rùn)滑的作用是降低摩擦，減小溫升，并與密封裝置在一起，保護(hù)軸承不受外物的磨損和防止腐蝕。潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式?jīng)Q定于軸承的類型、速度和工作負(fù)荷。如果選擇得合適，可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用期限。滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂來(lái)潤(rùn)滑。實(shí)驗(yàn)證明，在速度較低時(shí)，用潤(rùn)滑脂比用潤(rùn)滑油溫升低。所以，此次設(shè)計(jì)的主軸支承均采用潤(rùn)滑脂。同時(shí)，主軸是裝在車床主軸箱內(nèi)的，為防止使用潤(rùn)滑油時(shí)泄漏，也應(yīng)采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。加潤(rùn)滑脂時(shí)，應(yīng)該注意潤(rùn)滑脂的充填量不能過(guò)多，不能把軸承的空間填滿，否則會(huì)引起過(guò)高的發(fā)熱，并使?jié)櫥刍鞒龆鴲夯瘽?rùn)滑效果。故選用滾珠潤(rùn)滑脂(SY1514—1998)，它適用于車床、汽車、電動(dòng)機(jī)及其他機(jī)械的滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑，選用牌號(hào)為ZGN69-2的潤(rùn)滑脂。6.2主軸組件的密封密封對(duì)主軸組件的工作性能與潤(rùn)滑影響也較大。機(jī)床主軸密封不好，將使?jié)櫥瑒┩饬鳎斐衫速M(fèi)，加速零件的磨損，還會(huì)嚴(yán)重地影響到工作環(huán)境及機(jī)床的外觀。6.3主軸組件密封裝置的功用密封裝置的功用是：防止?jié)櫥瑒闹鬏S組件及傳動(dòng)部件中泄漏，從而避免浪費(fèi)，保護(hù)工作環(huán)境，防止冷卻液及雜物（如灰塵、臟物、水氣和切屑等）從外面進(jìn)入部件內(nèi)，以減少機(jī)床零件的腐蝕及磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。6.4對(duì)主軸組件密封裝置的要求對(duì)主軸組件密封裝置的要求是：在一定的壓力、溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能；由密封裝置所形成的摩檫力應(yīng)盡量小，摩擦系數(shù)應(yīng)盡量穩(wěn)定；耐腐蝕、磨損小、工作壽命長(zhǎng)，磨損后，在一定程度上能自動(dòng)補(bǔ)償；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸方便。對(duì)具體的主軸組件及傳動(dòng)部件，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇有效而又經(jīng)濟(jì)密封裝置。6.5主軸組件密封裝置的類型主軸組件密封裝置的類型，主要有以下幾種：具有彈性元件的接觸式密封裝置；皮碗（油封）式密封裝置；具有金屬和石墨元件的接觸式密封裝置；擋油圈式和螺旋溝式密封裝置；圈形間隙式、油溝式和迷宮式密封裝置；立式主軸的密封裝置等。6.6主軸組件密封裝置的選擇選用密封裝置時(shí)，應(yīng)考慮到主軸組件的下列具體工作條件：密封處主軸頸的線速度；所用潤(rùn)滑劑的種類及其物理化學(xué)性質(zhì)；主軸組件的工作溫度；周圍介質(zhì)的情況；主軸組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；密封裝置的主要用途等。綜合考慮上述因素，主軸前支承處，為了更好地防止外界的灰塵屑末等雜物進(jìn)入，故考慮選用迷宮式密封。七、附加件7.1緊定螺母（標(biāo)準(zhǔn)件）圖23緊定螺母工程圖螺母M90×2.0Dd螺母M75×2.0Dd螺母M70×2.0裝在主軸最后端，固定同步帶輪和驅(qū)動(dòng)帶輪，防止Dd7.2外殼體外殼體內(nèi)徑在與軸承處過(guò)盈配合，固定軸承外圈圖24外殼體工程圖7.3前調(diào)整環(huán)前調(diào)整環(huán)裝在主軸上，與主軸過(guò)盈配合，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，用來(lái)固定前支承軸承的位置和預(yù)緊。圖25前調(diào)整環(huán)工程圖7.4前壓環(huán)前壓環(huán)裝在前調(diào)整環(huán)上，與前調(diào)整環(huán)間隙配合，不與前調(diào)整環(huán)一起選擇，固定在外殼體上。車床使用一段時(shí)間，前支撐預(yù)緊力漸漸消失，可以通過(guò)擰緊前壓環(huán)上的螺栓，實(shí)現(xiàn)重新預(yù)緊和調(diào)整軸承間隙。圖26前壓環(huán)工程圖7.5護(hù)套護(hù)套裝在前壓環(huán)和前調(diào)整環(huán)上，與前壓環(huán)間隙配合，與前調(diào)整環(huán)過(guò)盈配合，不隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)螺栓與前調(diào)整環(huán)固定。圖27護(hù)套工程圖7.6后法蘭后法蘭與外殼體螺紋連接，后法蘭上的螺栓與外殼體前端法蘭的螺栓對(duì)齊，用以外部的主軸安裝箱體連接。圖28后法蘭工程圖7.7前軸套前軸套用以預(yù)緊和調(diào)節(jié)前支承軸承間隙，防止軸承滑移。軸套與主軸過(guò)盈配合圖29前軸套工程圖7.8后軸套前軸套用以預(yù)緊和調(diào)節(jié)后支承軸承間隙，防止軸承滑移。軸套與主軸過(guò)盈配合圖30后軸套工程圖7.9后密封圈后密封圈用以防止后支承軸承潤(rùn)滑溢出，且用以固定后支承軸承內(nèi)圈，與主軸間隙配合，與后端蓋間隙配合，同主軸旋轉(zhuǎn)，與后端蓋分離。圖31后密封圈工程圖7.10后端蓋后端蓋通過(guò)螺釘安裝在外殼體上，與后密封圈間隙配合，且固定后支承軸承外圈。圖32后端蓋工程圖

第四部分裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)三維建模圖如下：圖33SolidWorks建模圖1圖34SolidWorks建模圖2本設(shè)計(jì)裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程圖如下：圖35裝配圖

第五部分工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、主軸的工作條件及性能要求性能要求:因?yàn)樵撦S承受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力，載荷和轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷也不大，屬于中等載荷的軸;大端的軸頸、錐孔和卡盤(pán)、頂尖之間有摩擦。所以這些因素對(duì)主軸的要求是：(1)良好的綜合力學(xué)性能，即強(qiáng)度和塑性、韌性有良好的配合，以防止過(guò)載或沖擊斷裂。(2)高的疲勞強(qiáng)度，防止疲勞斷裂。(3)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦部位(如軸頸、花鍵等處)，應(yīng)具有較高的硬度和耐磨性。(4)良好的工藝性能，如足夠的淬透性、良好的切削加工性等。(5)特殊條件下工作應(yīng)有的一.些特殊性能要求。如高溫性能、耐蝕性等。工作條件：與滾動(dòng)軸承配合，承受輕載荷或中等載荷，并且轉(zhuǎn)速低[PV≤150N?m*精度要求不是很高，所受的沖擊和交變載荷不大二、毛坯材料的確定及制造方法材料：綜合考慮主軸的工作條件及性能要求還有經(jīng)濟(jì)因素，選擇45號(hào)鋼作為制造主軸的毛坯材料。制造方法：主軸加工過(guò)程中的各加工工序和熱處理工序均會(huì)不同程度地產(chǎn)生加工誤差和應(yīng)力。為了保證加工質(zhì)量，穩(wěn)定加工