數(shù)控車(chē)床主軸組件設(shè)計(jì)

緒論隨著市場(chǎng)上產(chǎn)品更新?lián)Q代的加快和對(duì)零件精度提出更高的要求，傳統(tǒng)機(jī)床已不能滿(mǎn)足要求。數(shù)控機(jī)床由于眾多的優(yōu)點(diǎn)已成為現(xiàn)代機(jī)床開(kāi)展的主流方向。它的開(kāi)展代表了一個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)、制造的水平，在國(guó)內(nèi)外都受到高度重視?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是信息集成和系統(tǒng)自動(dòng)化的根底設(shè)備，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的開(kāi)展方向。可以說(shuō)，機(jī)械制造競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)質(zhì)就是數(shù)控技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。本課題的目的和意義在于通過(guò)設(shè)計(jì)中運(yùn)用所學(xué)的根底課、技術(shù)根底課和專(zhuān)業(yè)課的理論知識(shí)，生產(chǎn)實(shí)習(xí)和實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐知識(shí)，到達(dá)穩(wěn)固、加深和擴(kuò)大所學(xué)知識(shí)的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)分析比擬機(jī)床的某些典型機(jī)構(gòu)，進(jìn)行選擇和改良，學(xué)習(xí)構(gòu)造設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算和編寫(xiě)技術(shù)文件，到達(dá)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)步驟和方法的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)查閱有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和資料，到達(dá)積累設(shè)計(jì)知識(shí)和提高設(shè)計(jì)能力的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)獲得設(shè)計(jì)工作的根本技能的訓(xùn)練，提高分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造一定的條件。一、設(shè)計(jì)題目及參數(shù)題目本設(shè)計(jì)的題目是數(shù)控車(chē)床的主軸組件的設(shè)計(jì)。它主要由主軸箱，主軸，電動(dòng)機(jī)，主軸脈沖發(fā)生器等組成。我主要設(shè)計(jì)的是主軸局部。主軸是加工中心的關(guān)鍵部位，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對(duì)加工中心的性能有很大的影響，因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要多加注意。主軸前后的受力不同，故要選用不同的軸承。床身回轉(zhuǎn)空間400mm尾架頂尖與主軸端面距離1000mm主軸卡盤(pán)外徑Φ200mm最大加工直徑Φ600mm棒料作業(yè)能力50～63mm主軸前軸承內(nèi)和110～130mm最大扭矩480N·m二、主軸的要求及結(jié)構(gòu)主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無(wú)載荷，低轉(zhuǎn)速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸、軸承、箱體孔的的制造，裝配和調(diào)整精度。還決定于主軸轉(zhuǎn)速，支撐的設(shè)計(jì)和性能，潤(rùn)滑劑及主軸組件的平衡。通用〔包括數(shù)控〕機(jī)床的旋轉(zhuǎn)精度已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可循。靜剛度主軸組件的靜剛度〔簡(jiǎn)稱(chēng)剛度〕反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承的型號(hào)，數(shù)量，配置形式和預(yù)緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動(dòng)件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。各類(lèi)機(jī)床主軸組件的剛度目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。主軸組件工作時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)會(huì)降低工件的外表質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種形式。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼〔特別是主軸前支撐的阻尼〕，主軸的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于自激振動(dòng)的頻率，以使它不易發(fā)生共振。目前，尚未制定出抗振性的指標(biāo)，只有一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。主軸組件工作時(shí)因各相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化〔熱變形〕。主軸組件受熱伸長(zhǎng)，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度使?jié)櫥驼扯冉档?，降低了軸承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會(huì)導(dǎo)致主軸軸線(xiàn)傾斜。由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機(jī)床要進(jìn)一步提高加工精度，往往受熱變形的限制。研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控制溫度，是高精度機(jī)床主軸組件的研究的主要課題之一。主軸組件的耐磨性是指長(zhǎng)期保持原始精度的能力，即精度保持性。對(duì)精度有影響的首先是軸承，其次是安置刀，夾具和工件的部位，如錐孔，定心軸徑等。為了提高耐磨性，一般機(jī)床主軸上的上述局部應(yīng)淬硬至HRC60左右，深約1mm.主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應(yīng)力通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的強(qiáng)度極限。因此，強(qiáng)度一般不做為選材的依據(jù)。主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材料的彈性模量。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據(jù)。主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來(lái)考慮。普通機(jī)床的材料通常是45號(hào)或60號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，數(shù)控機(jī)床需調(diào)質(zhì)處理和淬火。為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該大些。前軸承到主軸前端的距離〔稱(chēng)懸伸量〕應(yīng)盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常作成階梯形的，主軸的結(jié)構(gòu)和形狀與主軸上所安裝的傳動(dòng)件，軸承等零件的類(lèi)型，數(shù)量，位置和安裝方法有直接的關(guān)系。主軸中的孔主要用于通過(guò)棒料，拉桿或其它工具。為了能夠通過(guò)更大的棒料，車(chē)床的中空希望大些，但受剛度條件的影響和限制，孔徑一般不宜超過(guò)外徑的70%。主軸的結(jié)構(gòu)如〔附圖1〕。圖1三、主傳動(dòng)系統(tǒng)變速方式為了適應(yīng)不同的加工要求，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)主要有以下幾種配置方式：〔1〕帶有變速齒輪的主傳動(dòng)。這種方式在大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多。通過(guò)少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，擴(kuò)大了輸出扭矩，以滿(mǎn)足主軸的輸出扭矩特性的要求，一局部小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動(dòng)方式。以獲得強(qiáng)有力的切削時(shí)所需要扭矩。數(shù)控機(jī)床使用可調(diào)無(wú)級(jí)變速交流、直流電動(dòng)機(jī)。所以經(jīng)齒輪變速后，實(shí)現(xiàn)8段無(wú)級(jí)變速，調(diào)速范圍增加。其優(yōu)點(diǎn)是可滿(mǎn)足各種切削運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩，具有大范圍調(diào)速能力。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要增加潤(rùn)滑及溫度控制裝置。本錢(qián)較高，此外，制造和維修也比擬困難?！矃Da〕〔2〕一級(jí)帶傳動(dòng)變速方式。這種傳動(dòng)方式主要應(yīng)用在中小型數(shù)控機(jī)床上。采用V型帶或同步帶傳動(dòng)，可以防止齒輪傳動(dòng)時(shí)可引起的振動(dòng)與噪聲，適用于低扭矩特性要求的主軸。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，調(diào)試容易，被廣泛用于許多數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)中。〔參圖b〕〔3〕調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，這種主軸傳動(dòng)方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高主軸部件的剛度，由于結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間少，加工中心的可加工空間相對(duì)變大。但是主軸轉(zhuǎn)速的變化及扭矩的輸出和電動(dòng)機(jī)輸出特性完全一致，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響大，最好裝有冷卻裝置，否那么使用還是受到約束?！矃Dc〕〔4〕電主軸直接驅(qū)動(dòng)方式：這種驅(qū)動(dòng)方式其實(shí)和〔c圖〕方式差不多，但這種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)方式更為緊湊，占用空間更小。它主要是將主軸作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子，箱體殼〔與主軸配合箱體殼〕作為電機(jī)的定子。但是這種電機(jī)形式的主軸結(jié)構(gòu)，連帶主軸組件都是成套，要求很高，精度也高。另外制造本錢(qián)也很高。且容易發(fā)熱，同樣會(huì)影響主軸精度?！矃Dd〕以下為傳動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)圖:圖〔a〕帶有變速齒輪的主傳動(dòng)圖〔b〕一級(jí)帶傳動(dòng)變速方式圖(c)調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式圖(d)電主軸直接驅(qū)動(dòng)方式綜上所述，進(jìn)行各種傳動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和比擬來(lái)選取本設(shè)計(jì)所采用的主軸傳動(dòng)方式。首先是該設(shè)計(jì)為數(shù)控車(chē)床，主軸選用帶傳動(dòng)〔同步齒形帶〕，主軸主要是車(chē)削加工，必須保證其加工精度，而帶傳動(dòng)能緩和沖擊、吸收振動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)。由此選用一級(jí)帶傳動(dòng)變速方式。四、機(jī)床夾具確實(shí)定本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車(chē)床所加工工件長(zhǎng)度約為300mm長(zhǎng)〔附圖2〕，夾具相對(duì)設(shè)計(jì)較單一，選用卡盤(pán)夾緊工具即可滿(mǎn)足加工要求?？ūP(pán)夾緊工件與主軸聯(lián)接，并與主軸同步旋轉(zhuǎn)。對(duì)于數(shù)控車(chē)床夾具主要就是卡盤(pán)夾具。卡盤(pán)從它的工作原理上分為以下幾種類(lèi)型：①手動(dòng)松緊卡盤(pán)②液壓松緊卡盤(pán)③氣動(dòng)松緊卡盤(pán)④電動(dòng)松緊卡盤(pán)首先從數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)化程度講，手動(dòng)卡盤(pán)屬人工操作，不適宜。另外液壓和氣動(dòng)松緊卡盤(pán)實(shí)際工作原理相似，一個(gè)是油泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是氣泵驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。另外電動(dòng)卡盤(pán)同樣結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，但綜上所述，我們選擇液壓卡盤(pán)，液壓卡盤(pán)結(jié)構(gòu)緊湊，自動(dòng)化程度高，結(jié)構(gòu)比電動(dòng)卡盤(pán)簡(jiǎn)單，有時(shí)可改裝為與其相似的氣動(dòng)卡盤(pán)。另外所設(shè)計(jì)的數(shù)控車(chē)床許多裝置重于用液壓系統(tǒng)，所以用液壓卡盤(pán)是比擬合理的。液壓卡盤(pán)的控制原理實(shí)質(zhì)為一鎖緊回路〔附圖3〕。五、主軸主要參數(shù)的計(jì)算及校核主軸的主要參數(shù)是：主軸前端直徑D1，主軸內(nèi)徑d。主軸懸伸量a和主軸支撐跨距L。主軸D1〔按電機(jī)功率〕如下表5-1〔mm〕：功率〔kw〕D1機(jī)床7.4～11車(chē)床60～8070～9070～10595～130110～145銑床及加工中心50～9060～9060～9575～10090～105外圓磨床——50～6055～7070～8075～90表5-1車(chē)床、銑床、鏜床、加工中心等機(jī)床因裝配的需要，主軸直徑常是自前往后逐漸減小的。前軸頸直徑D1大于后軸直徑D2。對(duì)于車(chē)、銑床一般，由上表可取D1=110mm。因此可知由式子后端直徑圓整后5.1.2主軸內(nèi)徑d主軸內(nèi)孔徑與機(jī)床類(lèi)型有關(guān)，主要用來(lái)通過(guò)棒料、鏜桿、拉桿或頂尖。確定內(nèi)孔徑原那么是為減輕主軸重量，在滿(mǎn)足對(duì)空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求下，應(yīng)取最大值。主軸的內(nèi)徑是通過(guò)刀具夾具裝置固定刀具、傳動(dòng)氣動(dòng)或液壓卡盤(pán)等。主軸孔徑越大，主軸部件的相對(duì)重量就越輕。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時(shí)空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸相等；等于0.5時(shí)空心主軸的剛度為實(shí)心主軸的90%；大于0.7時(shí)，空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比值為0.5左右。主軸本身剛度K正比于抗彎斷面慣性矩I由式子可知取孔徑的直徑極限為此時(shí)假設(shè)孔徑再大，剛度急劇下降根據(jù)推薦值取d1=55mm圖5-1主軸懸伸量指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點(diǎn)〔一般即為前徑支撐中點(diǎn)〕的距離，參考〔1〕表，它主要取決于主軸前端部結(jié)構(gòu)形式和尺寸，前支撐軸承配置和密封等。因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。懸伸量與主軸部件的剛度及抗振性成反比，故應(yīng)盡量取小值。E---材料的彈性模量I---軸慣性距--前剛度值--后剛度值初選a值可參考下表5-2確定車(chē)床和主軸類(lèi)型精密車(chē)床、自動(dòng)車(chē)床用滾動(dòng)軸承支承，適用高精度和普通精度要求—中等長(zhǎng)度和較長(zhǎng)主軸端的車(chē)床和銑床，懸伸不太長(zhǎng)〔不是細(xì)長(zhǎng)〕的精密鏜床和內(nèi)圓磨床，用滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承支承適用于絕大局部普通生產(chǎn)要求—表5-2計(jì)算得懸伸量為80mm5.1.4主軸跨距確實(shí)定主軸跨距是決定主軸系統(tǒng)動(dòng)靜剛度的重要影響因素，目的是找出在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小的跨距稱(chēng)為最優(yōu)跨距〔〕。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得最優(yōu)值，因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量到達(dá)最優(yōu)值。前端角接觸球軸承的剛度〔主要為軸向剛度〕其中：查軸承樣本額定動(dòng)載荷取計(jì)算得主軸跨距為300mm5.2軸的剛度計(jì)算如果主軸前后軸承由數(shù)段組成，那么當(dāng)量直徑〔mm〕〔參考文獻(xiàn)2〕式中、、、、…、、——分別為各段的直徑和長(zhǎng)度〔㎜〕；——總長(zhǎng)，如果前后軸承的直徑相差不大，也可把前后軸承直徑的平均值近似地作為當(dāng)量直徑d。主軸的前懸伸局部較粗，剛度較高，其變形可以忽略不記，后懸伸局部不影響剛度，也可不計(jì)算。如主軸前端作用一外載荷F如以下圖〔參考文獻(xiàn)3〕圖5-2主軸組件計(jì)算模型那么撓度： 〔參考文獻(xiàn)2〕 式中F——外載荷〔N〕；a——前懸伸，等于載荷作用點(diǎn)至前支承點(diǎn)間的距離〔mm〕；l——跨距，等于前后支承的距離〔mm〕；E——彈性模量，鋼的 ；I——截面慣性距,；——主軸的外徑和孔徑〔mm〕。又因?yàn)?，孔的影響可以忽略由此可得主軸剛度滿(mǎn)足要求。六、主軸軸承的選擇6.1軸承的選型主軸軸承是主軸組件的重要組成局部，它的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數(shù)控機(jī)床上主軸軸承常用的有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍下穩(wěn)定地工作。滾動(dòng)軸承有專(zhuān)業(yè)化工廠(chǎng)生產(chǎn)，選購(gòu)維修方便，在數(shù)控機(jī)床上被廣泛采用。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的噪聲大，滾動(dòng)體的數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震性略差，但總體來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床主軸組件在可能的條件下，應(yīng)盡量使用滾動(dòng)軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸在套筒內(nèi)能夠做軸向移動(dòng)的主軸。這時(shí)用滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，以防止漏油。滾動(dòng)軸承根據(jù)滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類(lèi)。主軸軸承主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來(lái)選擇，為了提高精度和剛度，主軸軸承間的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。線(xiàn)接觸的滾子軸承比點(diǎn)接觸的球軸承的剛度高，但一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低，下面就簡(jiǎn)述幾種常用的數(shù)控機(jī)床主軸的機(jī)構(gòu)及適用范圍。6.1.1角接觸球軸承這種軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸向載荷。常用的接觸角主要有兩種：ａ=25°，ａ=15°，其中ａ=25°的編號(hào)為7000AC型〔舊代號(hào)為46100型〕，屬于特輕型；或編號(hào)為7190AC型〔舊代號(hào)為46900型〕，屬于超輕型。ａ=15°的編號(hào)為7000C型〔舊代號(hào)為36100型〕，屬于特輕型；或編號(hào)為7190C型；或編號(hào)為7190C型〔舊代號(hào)為1036900型〕，屬于超輕型。如圖6-1所示〔參考文獻(xiàn)2〕.圖6-1角接觸球軸承角接觸球軸承多用于高速主軸，隨接觸角的不同，其應(yīng)用有所區(qū)別，α=25°的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速略低，多用于車(chē)、鏜、銑加工中心等主軸；α=15°的轉(zhuǎn)速可更高一些，但是軸向剛度較低，常用于軸向載荷較小、轉(zhuǎn)速較高的磨床主軸或不承受載荷的車(chē)、鏜、銑主軸后軸承。圖6-2角接觸球軸承這種軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常用多聯(lián)組配的方法。所以本設(shè)計(jì)前支承采用雙聯(lián)組配的方式，代號(hào)為DF。6.1.2圓柱滾子軸承圖6-3為雙列圓柱滾子軸承〔參考文獻(xiàn)2〕，他的特點(diǎn)是內(nèi)孔為1：12的錐孔，與主軸的錐行軸徑相配合。軸向移動(dòng)為內(nèi)圈，可把內(nèi)圈脹大，以消除徑向間隙或預(yù)緊，這種軸承只能承受徑向載荷。圖6-3雙列圓柱滾子軸承圓錐滾子軸承既能承受徑向載荷，又能承受雙向的軸向載荷，滾子數(shù)量大，故剛度和承載能力均較大。由于圓錐滾子軸承是外緣凸肩軸向定位，因而箱體上通孔加工方便，但缺點(diǎn)是滾子大端的端面與內(nèi)圈擋邊之間為滑動(dòng)摩擦，發(fā)熱較大，故允許的極限轉(zhuǎn)速較低。這種軸承只能承受徑向載荷，軸向載荷那么由配套的推力軸承承受。此種軸承一般不能調(diào)整，常用于精度要求和剛度要求不太高的地方。在本設(shè)計(jì)中，前軸承采用角接觸球軸承以適應(yīng)較高速的要求。主軸軸向載荷較大，應(yīng)選用接觸角的軸承。軸向力的方向是從軸頭部指向尾部，故前軸承采用三聯(lián)組配，前兩軸承同向都面朝前，共同承當(dāng)軸向載荷。后一軸承與前兩軸承背靠背，以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。后支承的載荷較大，因此采用雙列圓柱滾子軸承。這種軸承的外圈是可以別離的，主軸熱膨脹時(shí)，可連同軸承內(nèi)圈的滾子在外圈滾道上軸向移動(dòng)。后軸承直徑比前軸承小，預(yù)緊力也小，因此溫升不致超過(guò)前軸承。主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整。多數(shù)軸承，還應(yīng)能夠在過(guò)盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體和滾道之間有一定的欲變形，這就是軸承的預(yù)緊。軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支承主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正圓，因而預(yù)緊前只有局部滾動(dòng)體和滾道接觸。預(yù)緊后，滾動(dòng)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將更多，各滾動(dòng)體的受力將更均勻。這都有利于提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動(dòng)，那么由于各個(gè)方向都有滾動(dòng)體支承，可以提高抗振性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且太大的預(yù)緊將使軸承的壽命降低，故預(yù)緊要適當(dāng)。本設(shè)計(jì)為數(shù)控車(chē)床的主軸組件設(shè)計(jì)，功率相對(duì)較小，所以取中預(yù)緊。七、主軸箱箱體的設(shè)計(jì)7．1主軸箱的概述主軸箱為數(shù)控機(jī)床的主要傳動(dòng)系統(tǒng)它包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件它與普通車(chē)床的主軸箱比擬，相對(duì)來(lái)手比擬簡(jiǎn)單只有兩極或三級(jí)齒輪變速系統(tǒng)，它主要是用以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的范圍，以滿(mǎn)足一定恒功率、和轉(zhuǎn)速的問(wèn)題。機(jī)床上常用的無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)是直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速nd向上至最高轉(zhuǎn)速nmax是調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流的方法來(lái)調(diào)速的，屬于恒功率，從額定轉(zhuǎn)速nd向下至最低轉(zhuǎn)速nmin時(shí)調(diào)節(jié)電樞電壓的方法來(lái)調(diào)速的屬于恒轉(zhuǎn)矩；交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)是靠調(diào)節(jié)供電頻率的方法調(diào)速。由于交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，沒(méi)有電刷，能到達(dá)的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)高，磨損和故障也少，所以在中小功率領(lǐng)域，交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)占有較大的優(yōu)勢(shì)，鑒于此，本設(shè)計(jì)選用交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。根據(jù)主軸要求的最高轉(zhuǎn)速4000r/min，最大切削功率5kw，選擇北京數(shù)控設(shè)備廠(chǎng)的BESK-8型交流主軸電動(dòng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速是4500r/min。傳動(dòng)軸除應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強(qiáng)度一般不是主要矛盾。除了載荷較大的情況外，可以不必驗(yàn)算軸的強(qiáng)度。剛度要求軸在載荷下不至于產(chǎn)生過(guò)大的變形。如果剛度不夠，軸上的零件由于軸的變形過(guò)大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，發(fā)熱，過(guò)早磨損而失效，因此，必須保證傳動(dòng)軸有足夠的剛度。計(jì)算轉(zhuǎn)速n是傳動(dòng)件傳遞全部功率時(shí)的最低轉(zhuǎn)速，各個(gè)傳動(dòng)軸上的計(jì)算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖是直接得出，如表2-1所示。各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速軸IIIIII計(jì)算轉(zhuǎn)速1500530140表7-2-1各軸功率和扭矩計(jì)算：一級(jí)齒輪傳動(dòng)效率為0.97〔包括軸承〕，同步帶傳動(dòng)效率為0.98，那么[]是每米長(zhǎng)度上允許的扭轉(zhuǎn)角〔deg/m〕,可根據(jù)傳動(dòng)軸的要求選取，其選擇的原那么如表7.2-2所示。表7.2-2許用扭轉(zhuǎn)角選取原那么軸主軸一般傳動(dòng)軸較低的軸[]〔deg/m〕表7-2-2最后所確定各軸所允許的扭轉(zhuǎn)角如表2-3所示軸I軸II軸III軸[]〔deg/m〕1表7-2-3把以上確定的各軸的輸入功率N=7.5KW，計(jì)算轉(zhuǎn)速nj，允許扭轉(zhuǎn)角[]代入扭轉(zhuǎn)剛度的估算公式d=91,可得傳動(dòng)軸的估算直徑：40mm52.06mm31.39mm.最后取值如下表所示：軸IIIIII估算直徑403253主軸軸徑尺寸確實(shí)定：車(chē)床最大加工直徑為Dmax=400mm,那么15=85-115mm后頸直徑D2=(0.7-0.85)D1=67-81mm10=35-55mm7.2.3齒輪模數(shù)的估算按接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪模數(shù)比擬復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪的各參數(shù)都方可確定，故只有在裝配草圖畫(huà)完后校驗(yàn)用。在畫(huà)草圖時(shí)用經(jīng)驗(yàn)公式估算，根據(jù)估算的結(jié)果然后選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪的模數(shù)。齒輪模數(shù)的估算方法有兩種，一是按齒輪的彎曲疲勞進(jìn)行估算，二是按齒輪的齒面點(diǎn)蝕進(jìn)行估算。這兩種方法的前提條件是各個(gè)齒輪的齒數(shù)必須。根據(jù)齒輪不產(chǎn)生跟切的根本條件：齒輪數(shù)不小于17。由于Z3,Z3’這對(duì)齒輪有較大的傳動(dòng)比，各個(gè)齒輪中最小齒數(shù)的齒輪必然是Z3.取Z4=22,S=105,那么Z4’=83由于受傳動(dòng)軸軸徑尺寸大小限制，選取齒輪模數(shù)為m=3mm,比照上面的結(jié)果，可知這樣設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)，既滿(mǎn)足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿(mǎn)足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，故取同一變速組中的所以齒輪的模數(shù)都為m=3mm.可得兩軸中心距為a=157.5mm.圓整為a=158mm...4V型帶的選擇；V帶選擇V型帶，取小帶輪的大小72mm，大帶輪的大小為204mm；2-5-1確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)如果中心距未給出，可根據(jù)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)需要初定長(zhǎng)度中心距a0，取0.7〔〕<a0<2〔〕，193.2<a0<552后確定a0=200，根據(jù)帶傳動(dòng)的幾何關(guān)系，按下式計(jì)算所需代的基準(zhǔn)長(zhǎng)度：=2a0+〔〕+得到=855.4，取=900mma=a0+=200+(900-855.4)/2=222mm。驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角：=>=；確定帶的根數(shù)z：根，圓整為3根。V帶速度的驗(yàn)算：故帶符合要求。主軸箱展開(kāi)圖是反響各個(gè)零件的相互關(guān)系，結(jié)構(gòu)形狀以及尺寸的圖紙，并以此為依據(jù)繪制零件工作圖。7.3.1各零件結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)1．設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟通過(guò)繪圖設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)尺寸以及選出軸承的型號(hào)，確定軸的支點(diǎn)距離和軸上零件力的作用點(diǎn)，計(jì)算軸的強(qiáng)度和軸承的壽命。2．有關(guān)零件結(jié)構(gòu)和尺寸確實(shí)定傳動(dòng)零件，軸，軸承是主軸部件的主要零件，其他零件的結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)主要零件的位置和結(jié)構(gòu)而定。齒寬影響齒的強(qiáng)度。輪齒越寬承載能力越高。但如果太寬，由于齒輪的制造誤差和軸的變形，可能接觸不均，反而容易引起振動(dòng)和噪聲，一般取齒寬系數(shù)=10，那么齒寬B=Xm=10x3=30mm.各個(gè)齒輪的齒厚確定如表3-1.表7.3-1各齒輪的齒厚齒輪Z1Z1’Z2Z2’Z3Z3’Z4Z4’齒厚2520353035303030由計(jì)算公式；齒頂：齒根：得到以下尺寸表齒輪的直徑?jīng)Q定了各軸之間的尺寸。各主軸部件中各個(gè)齒輪的尺寸計(jì)算如下表3-2表7.3-2各齒輪的直徑齒輪Z1Z1’Z2Z2’Z3Z3’Z4Z4’分度圓直徑(mm)481362259014417166249齒頂圓直徑(mm)521402319615017772255齒根圓直徑〔mm〕43131軸I-IIII-III距離2301603)確定齒輪的軸向布置為防止同一滑移齒輪變速組內(nèi)的兩對(duì)齒輪同時(shí)嚙合，兩個(gè)固定齒輪的間距應(yīng)大于滑移齒輪的寬度，一般留有間隙1-2mm。軸承的選擇及其配置主軸組件的滾動(dòng)軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸承，又要有承受兩個(gè)方向軸向載荷的推力軸承。軸承類(lèi)型及型號(hào)選用主要根據(jù)主軸的剛度，承載能力，轉(zhuǎn)速，抗振性及結(jié)構(gòu)要求合理的進(jìn)行選定。3.各軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)Ⅰ軸的一端與帶輪相連，將Ⅰ軸的結(jié)構(gòu)草圖繪制如圖7.3-2Ⅱ所示：圖7.3-34.主軸組件的剛度和剛度損失的計(jì)算：最正確跨距確實(shí)定：取彈性模量E=N/，D=〔90+65〕/2=77.5mm；主軸截面慣距：主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩：故總切削力為：估算時(shí)，暫取即取270mm前后支承支反力取=1033000N/mm那么那么=225mm當(dāng)量切削力的計(jì)算：=160mm那么水平面內(nèi)：垂直面內(nèi)：主軸端部的撓度計(jì)算：，傳動(dòng)力的作用下，主軸端位移的計(jì)算公式見(jiàn)下式：式中：“－”號(hào)表示位移方向上與力反向，b表示齒輪與前支承的距離，c表示齒輪與后支承的距離，將各值帶入，得水平面內(nèi)：垂直面內(nèi)：那么主軸最大端位移為：主軸最大端位移許用值為那么<，符合要求。主軸傾角的驗(yàn)算：在切削力p的作用下主軸前軸承處的傾角為：水平面：垂直面內(nèi)：傳動(dòng)力Q作用下主軸傾角為：水平面內(nèi)：rad垂直面內(nèi)：rad那么主軸前軸承處的角為垂直面內(nèi)： rad故符合要求。7.3.5軸承的校核：齒輪受切向力徑向力：；切削力F=1310N，徑向切削力軸向切削力， 轉(zhuǎn)速n=4000r/mind=90mm垂直面內(nèi)的受力分析：水平面內(nèi)的受力分析：故合力：求兩軸承的軸向力:對(duì)70000AC型軸承兩次計(jì)算的差值不大，因此，確定，當(dāng)量動(dòng)載荷：對(duì)兩軸承取X=1，Y=0；X=1，Y=0；由載荷性質(zhì)，輕載有沖擊故取當(dāng)量載荷：。因?yàn)樗钥芍鋲勖S承也符合剛度要求。八、主軸組件的潤(rùn)滑和密封潤(rùn)滑的作用是減少摩擦、降低溫升并與密封裝置一起保護(hù)軸承不受外物的損傷與腐蝕。潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式?jīng)Q定于軸承的類(lèi)型、速度和工作負(fù)荷。如果選擇適宜，可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用壽命。滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂或潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。在速度較低時(shí)，用潤(rùn)滑脂比用潤(rùn)滑油溫升低；速度較高時(shí)，用油潤(rùn)滑較好。脂潤(rùn)滑使用方便，不需要供油管路和系統(tǒng)，沒(méi)有漏油問(wèn)題。如果轉(zhuǎn)速不太高〔數(shù)值可查軸承樣本〕，滾動(dòng)軸承應(yīng)盡量采用脂潤(rùn)滑，特別是立式主軸或裝在套筒內(nèi)可以伸縮的主軸〔如鉆床、坐標(biāo)鏜床、加工中心等的主軸〕。潤(rùn)滑脂使用期限長(zhǎng)，如果轉(zhuǎn)速不超極限值，一次充填可使用2000h以上。只要密封良好，不讓灰塵、油污進(jìn)入軸承，一次充填可一直用到大修時(shí)才更換，中間不需填充。潤(rùn)滑脂填充量不宜過(guò)多，尤其不能填滿(mǎn)軸承空間。否那么將引起過(guò)多的發(fā)熱，并油可能使脂熔化流出。潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承所需的油量很少，約每分鐘1～5滴。假設(shè)油量增大，那么由于攪拌作用會(huì)使溫度升高。油量增加過(guò)大，那么冷卻作用為主，溫度會(huì)下降，但能耗卻加大了。常用油的粘度為12mm/s～30mm/s(40C時(shí))。高速主軸〔如角接觸球軸承n106mm·r/min〕，發(fā)熱較多。為控制其溫升，希望潤(rùn)滑時(shí)兼起冷卻的作用。采用油潤(rùn)滑，用空氣冷卻的方法。常用油霧和油氣潤(rùn)滑。由于主軸前端采用了角接觸球軸承，速度較高，致使發(fā)熱較多，所以采用油潤(rùn)滑，在潤(rùn)滑時(shí)也起冷卻的作用。后端采用的是曲路〔迷宮〕密封為防止油液外漏，用脂潤(rùn)滑雙列圓柱滾子軸承。主軸組件密封主要是防止油外泄和塵埃、屑末進(jìn)入。密封的類(lèi)型很多，兩個(gè)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)合面之間必然有間隙，它們之間的密封稱(chēng)為動(dòng)密封。兩個(gè)相對(duì)靜止不動(dòng)的結(jié)合面之間的密封稱(chēng)為靜密封。靜密封有研磨面密封、墊片密封、密封膠密封等。在本設(shè)計(jì)中軸承端蓋與箱體之間的密封屬于靜密封，采用紙封油墊配合緊定螺釘進(jìn)行密封，之所以采用此種密封是由于研磨面密封適用與結(jié)合面加工平整、光潔，但本設(shè)計(jì)箱體為鑄造，不適宜；而密封膠密封又不便端蓋拆卸。前、后端軸承端蓋通孔和軸之間的密封屬于動(dòng)密封。前端軸承為角接觸球軸承，轉(zhuǎn)速較高，采用油潤(rùn)滑，為防止油液甩出，此處采用了氈圈油封；后端軸承用脂潤(rùn)滑，此處用迷宮式密封，利用其節(jié)流的作用到達(dá)密封的效果，且間隙中充