【正文】 開(kāi)，噴氣頭13將刀柄頂松，刀具即可由機(jī)械手拔出。待機(jī)械手將新刀裝入后，油缸10的下腔通入壓力油，活塞12向上移，蝶型彈簧伸長(zhǎng)將拉桿7和雙瓣5拉著向上，雙瓣卡爪5重新進(jìn)入套筒14，將刀柄拉緊?；钊?2移動(dòng)的兩個(gè)極限位置都有相應(yīng)的行程開(kāi)關(guān)作用，作為刀具松開(kāi)和夾緊的回答信號(hào)。 1——調(diào)整半環(huán)；2——雙列園柱滾子軸承；3——向心球軸承；4，9——調(diào)整環(huán)；5——雙瓣卡爪； 6——彈簧； 7——拉桿； 8——向心推力球軸承；10——油缸；11——碟形彈簧；12——活塞；13——噴氣頭；14——套筒 （a) (b)刀桿尾部的拉緊結(jié)構(gòu)，除上述的卡爪以外，（a)(b)所示的鋼球拉緊機(jī)構(gòu)。在本課題中，采用氣壓缸夾緊方式，從而避免因油路堵塞等情況。而在拉桿處則采用鋼球拉緊機(jī)構(gòu)，因?yàn)槠浼庸ず?jiǎn)單，并可以有效的拉緊刀桿。本課題的總體設(shè)計(jì)方案現(xiàn)確定如下：由于同步帶無(wú)打滑，能保證固定的傳動(dòng)比，且傳動(dòng)效率高，允許的線速度較高，無(wú)需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動(dòng)方式中選擇同步帶傳動(dòng)。但是需要注意的是同步帶的安裝具有嚴(yán)格的要求。由于加工中心具備自動(dòng)換刀功能，所以在主軸組件中還應(yīng)有主軸準(zhǔn)停裝置、刀具自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)。在換刀過(guò)程中，刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)也是不可或缺的一部分。它控制著刀桿的松緊，使刀具在加工時(shí)能緊緊的固定在主軸上，在換刀時(shí)能輕松地卸載。本課題采用了液壓缸運(yùn)行的方式，通過(guò)活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到刀桿的松緊目的。同時(shí)，為了減少液壓推力對(duì)主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了一段蝶型彈簧，使活塞對(duì)拉桿的作用起到一個(gè)緩沖的作用。同時(shí)，在換刀過(guò)程中，活塞及拉桿的內(nèi)部將被加工成中空狀。 圖示為本課題主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖。 1——拉釘；2——鋼球；3——主軸；4——拉桿；5——碟形彈簧；6——液壓缸；7——接近開(kāi)關(guān)；8——壓縮空氣管接頭；9——活塞；10——管接頭；11——彈簧 3主軸組件的主運(yùn)動(dòng)部件利用交流伺服系統(tǒng)可進(jìn)行精密定位控制，可作為CNC機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等的執(zhí)行元件。異步型三相交流主軸電動(dòng)機(jī)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固可靠，可在惡劣的環(huán)境中工作。單位容量大，體積小，質(zhì)量輕。加速和制動(dòng)時(shí)間短、消耗小，速度響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)速降小，定位精度高?！?7kW共分12種。它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、輸出功率大、性能可靠、精度好、振動(dòng)小、噪音低，既適合于高速切削又適合于低速重切削。該系列可應(yīng)用在各種類型的數(shù)控機(jī)床上。根據(jù)主電機(jī)功率PE=，故本課題選用FANUCS系列標(biāo)準(zhǔn)型交流主軸電機(jī)6S型號(hào)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：a) 額定輸出功率：；b) 最高速度：；c) 額定輸出轉(zhuǎn)矩：；d) 轉(zhuǎn)子慣量：。主軸的主要參數(shù)是指:主軸前軸頸直徑D1，主軸內(nèi)孔徑d，主軸懸身量a和主軸支撐跨距l(xiāng)見(jiàn)圖。主軸主要參數(shù)示意圖主軸軸徑通常指主軸前頸的直徑，其對(duì)于主軸部件剛度影響較大。加大直徑D，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑收到軸承dn值的限制，同時(shí)造成相配零件尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下贏取較小值。設(shè)計(jì)時(shí)主要用類比分析的方法來(lái)確定主軸前軸頸直徑D1。加工中心主軸前軸頸直徑D1按主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定，由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得D1=60~98mm,取D1=85mm。由于裝配需要，主軸的直徑總是有前軸頸向后緩慢地減少的，在確定前軸徑D1后，由式可知前軸徑直徑D1和后軸徑D2有如下關(guān)系：D2=（~）D1,取D2=72mm。主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床類型有關(guān)，主要用來(lái)通過(guò)棒料，通過(guò)拉桿或頂出頂尖等。確定孔徑d的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對(duì)空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)盡量取大值。由經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)d/D=（D是主軸平均直徑），主軸剛度會(huì)急劇下降；而d/D=，內(nèi)孔d對(duì)主軸剛度幾乎無(wú)影響，可忽略不計(jì)，所以常取孔徑d的極限值為：極限值d==.此時(shí)，剛度削弱小于25%。按照任務(wù)書的要求及綜合各軸段直徑的實(shí)際大小，確定內(nèi)孔直徑d=56mm 主軸的結(jié)構(gòu)主要取決于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位方法，同時(shí)還要考慮主軸加工和裝配的工藝性。一般在機(jī)床主軸上裝有較多的零件，為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設(shè)計(jì)成階梯軸，即軸徑從前軸頸起向后遞減。主軸是空心的或者是實(shí)心的，主要取決與機(jī)床的類型。 主軸端部是指主軸前端，它的形狀決定于機(jī)床的類型、安裝夾具或刀具的形式，并應(yīng)保證夾具或刀具安裝可靠、定位準(zhǔn)確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。由于夾具和刀具都已標(biāo)準(zhǔn)化，因此通用機(jī)床主軸端部的形狀和尺寸也已標(biāo)準(zhǔn)化。下圖所示為普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床所通用的幾種主軸端部的結(jié)構(gòu)形式。 (a)車床主軸端部；(b)銑、鏜類機(jī)床主軸端部；(c)外圓磨床砂輪主軸端部；(d)內(nèi)圓磨床砂輪主軸端部；(e)普通鏜桿裝在鉆床主軸上的端部；(f)組合機(jī)床主軸端部 很顯然，（b）軸端形式進(jìn)行加工，主軸序號(hào)為50的主軸端部尺寸。主軸懸伸量a指的是主軸前支承反力的作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離。主軸懸伸量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位精度，可不按標(biāo)準(zhǔn)取。另外，懸伸量a與前支承中軸承的類型及組合形式、工件或工件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，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡可能減少懸伸量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/D1 I通用和精密車床，自動(dòng)車床和短主軸端銑床，用滾動(dòng)軸承支承，適用于高精度和普通精度要求。~II中等長(zhǎng)度和較長(zhǎng)軸端的車床和銑床，懸伸不太長(zhǎng)（不是細(xì)長(zhǎng)）的機(jī)密鏜床和內(nèi)圓磨床，用滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承支承，適用于絕大部分普通生產(chǎn)的要求。 ~III孔加工機(jī)床，專用加工細(xì)長(zhǎng)深孔的機(jī)床，由加工技術(shù)決定需要有常的懸伸刀桿或主軸可移動(dòng)，由于切削較重而不適用于有高精度化要求的機(jī)床。 懸身量a值對(duì)主軸部件的剛度和抗震性具有較大的影響。因此，確定懸身量a的原則，是在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施縮減a的值。（考慮密封裝置的結(jié)構(gòu)尺寸）暫取a=79mm 主軸支承跨距L是指主軸前后或前中支承反力作用點(diǎn)之間的距離，它是決定主軸組件剛度的主要因素之一，因?yàn)橹鬏S組件的剛度主要取決于主軸本身的剛度和主軸支承的剛度，而前者與支承跨距L 有關(guān)。 主軸跨距與懸伸量主軸組件的剛度與主軸受力后的端部變形有關(guān)。主軸端部受力后，主軸和主軸的支承都會(huì)產(chǎn)生彈性變形，使主軸端部產(chǎn)生位移，根據(jù)位移疊加原理，主軸端部位移y由兩部分組成 式中：y1剛性支承（假定支承不變形）上彈性主軸端部的位移。 y2彈性支承上剛性主軸（假定主軸不變形）端部的位移。（1）剛性支承上彈性主軸端部的位移y1根據(jù)《材料力學(xué)》中兩支撐點(diǎn)梁和懸臂梁的撓度公式，可得： y1=a+= （厘米）式中：E——主軸材料的彈性模量； I—— 主軸截面的平均慣性矩。當(dāng)主軸平均直徑為D,內(nèi)孔直徑為d時(shí)，I=.................................................................................()當(dāng)無(wú)孔時(shí)，......................................................................()(2)彈性支承上剛性主軸端部的位移y2設(shè)前、后支承的剛度分別為，前后支承的彈性變形剛度分別為 式中：———前支承的支反力， ————后支承的支反力， 因此， ， 用相似三角形定理可求得： 整理后可得： 主軸端部位移： 合理的跨距可根據(jù)上式確定，最小撓度的條件為，這時(shí)的應(yīng)為合理跨距，式中用表示： 整理后得： 可以證明，該三次代數(shù)方程式只存在唯一的正實(shí)根，求解此方程較麻煩，為此可考慮用計(jì)算線圖來(lái)定，令綜合變量，代入上式，可解出： 系無(wú)量綱量，它表示抗彎剛度EI與主軸前支承剛度及懸伸量a的三次方的比值，由上式可知，僅是比值和的函數(shù)，故可用為參變量，為變量，做出的計(jì)算圖。如下圖 將D=82mm，d=，a=79mm及前后軸承的剛度代入上述方程得： 查上圖得： 所以 軸所受到的載荷是從軸上零件穿老的。計(jì)算時(shí)，常常將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。（a)(b)(c)主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動(dòng)的支承形式。，它可分解為鉛垂面（）和水平面（）兩個(gè)平面力系。經(jīng)驗(yàn)公式F切=式中：F切銑削力，即主切削力（切向圓周分力），N ap 銑削深度，mm af 每齒進(jìn)給量，mm/z ae 銑削深度，mm do 銑刀直徑，mm Z 銑刀齒數(shù) KFz銑削力修正系數(shù) σb 工件材料抗拉強(qiáng)度，GPa 已知：高速鋼刀具：刀具前角γo=15176。主偏角Kr=60176。工件材料為σb=75kgf/mm2 碳鋼；每齒進(jìn)給量af=；刀具直徑為16mm，齒數(shù)Z=8；工件寬度ae=12mm，切削深度ap=3mm 將上述各條件代入公式，則主切削力為F切=2046N徑向負(fù)荷 切向負(fù)荷 軸向負(fù)荷 由于此主軸的受力屬于簡(jiǎn)單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來(lái)解決問(wèn)題。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協(xié)調(diào)條件，即要求。利用疊加法，得撓度為： ………………………………………… （）式中： —— 徑向（切向）負(fù)荷分力，單位為； —— 徑向（切向）負(fù)荷，單位為； —— 材料的彈性模量，； —— 軸慣性矩。由公式（）得。將，代入公式（），則鉛垂面的撓度為：得得得將，代入公式（），則水平面的撓度為：得得得（a)機(jī)構(gòu)草圖 (b)受力簡(jiǎn)圖 (c)水平面受力 (d)水平面彎矩圖 (e)垂直面