【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 S S m m??? ? ? ? ? ? ? ? ? 57 3 . 5 3 . 1 4 2 5 . 4 9 52ZZ mS S m m??? ? ? ? ? ? 三、 主軸和軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)和剛度設(shè)計(jì) ，主要參數(shù)的確定 主軸前軸頸直徑 1D 的選取 根據(jù)功率 7N kw? ，在 ? 之間， 查表得 主軸軸頸選取 mm10075? ，取 1 90D mm? 。主軸后軸頸直徑 2D = =81mm， 取 2D =81mm。 根據(jù)設(shè)計(jì)方案，選前軸承為 30218型，后軸承為 30216型。 主軸內(nèi)孔直徑 d 的確定 很多機(jī)床的主軸是空心的，內(nèi)孔直徑與其用途有關(guān)。銑床主軸內(nèi)孔可通過(guò)拉桿來(lái)拉緊刀桿。為不過(guò)多的削弱主軸的剛度，銑床主軸孔徑 d可比刀具拉桿直徑大 5— 10mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可知： d=(50%～ 60%) 2D =(35～ 42)mm,此處取 d=35mm, 1dD =. 當(dāng) 1dD 小于 ，空心主軸的剛度幾乎等于實(shí)心主軸的剛度，等于，空心主軸的剛度為實(shí)心主軸的 90%，小于 ，空心主軸的剛度急劇下降，所以d=35mm是合適的。 主軸前端懸伸量 a 的確定 主軸懸伸量 a一般越小越好， a值越小，對(duì)提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性都有顯著效果。根據(jù)《專用機(jī)床設(shè)計(jì)與制造》表 5— 15可知： Da1 =～ a=D1（ ～ ） a=54～ 135mm 本設(shè)計(jì)取 a為 80毫米。 L的確定 合理確定主軸主要支承間的跨距L，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。支承跨距過(guò)小，主軸的彎曲變形固然較小，但因支承變形引起主軸前端的位移量增大；反之，支承跨距過(guò)大，支承變形引起主軸前端的位移量盡管減小了，但主軸的 彎曲變形增大，也會(huì)引起主軸前軸端較大的位移。因此存在一個(gè)最佳跨距 0L ，在該跨距時(shí)，因主軸彎曲變形和支承變形引起主軸前軸端的總位移量為最小。一般會(huì)不斷降低，主軸主要支承間的實(shí)際跨距 L 往往大于上述最佳跨距 0L ，此處選L=3a=300mm. 下面我們就來(lái)確定最佳跨距 L0與合理跨距 L合理。 （ 1） L0 的確定 支承剛度 k1 可用估算式： 1 . 4 51 1 . 4 1 . 7 0 1 . 4 1 . 7 1 2 . 9 51 9 0 1 0 N m mk D? ? ? ? ? ? ? ? 5521( 0 .5 0 .7 ) 6 .4 8 9 .0 71 0 1 0 N m mkk? ? ? ? ? ? ? ? 取彈性模量 mmNE 25102 ?? 主軸截面慣性矩 4 4 4 6 44( ) 6 4 3 .1 4 ( ) / 6 4 2 .0 48 1 3 5 1 0I d m mD?? ? ? ? ? ? ? 截面面積 2 2 22 2( ) 4 3 .1 4 ( 3 5 ) 4 4 1 8 8 .7 681A d m mD?? ? ? ? ? ? 無(wú)量綱量 56 1135 11312 10 10 5 8010 1010EIka?? ? ? ?? ? ? ???? 51512 21 2 .9 5 1 .6 28 1010kk k?? ? ??，則根據(jù)判別式 29 7 .7 2128 (1 )k? ??? 228 8 1 9912( 1 ) ( 1 )k?? ?? ? ? ? ???? 所以有 0 333123 3 3 3 30 303 ( 1 ) ( 1 1 )3 0 .6 2 ( 1 1 .6 2 ) ( 1 0 .9 2 1 0 .9 2 ) 4 .8 7 3 2 ( 1 .9 2 0 .0 8 ) 1 .7 0 0 .4 3 2 .8 4808 0 2 .8 4 2 2 7ammL kLL? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? （ 2） L合理的確定 根據(jù)以上計(jì)算所得的 L0 值，由于結(jié)構(gòu)上原因往往不能實(shí)現(xiàn)。設(shè)實(shí)選跨距為 L， LL 0? ，則主軸組件的剛度達(dá)不到最大值 kmax 。令 L/L0 =1時(shí)的剛度為 100%，則當(dāng) ≤ LL 0?≤ ，主軸組件的剛度損失不超過(guò) 5%～ 7%，即： L合理 =（ ～ ） L0 L合理 =170～ 我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，取支承跨距為 L合理 =250mm , 主軸的構(gòu)造 主軸的構(gòu)造和形狀主要取決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?？蚣苁綌?shù)控銑床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。 主軸的前端形式取決于機(jī)床類型和安裝夾具或刀具的形式。主軸頭部的形狀和尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)遵照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主軸的直徑和長(zhǎng)度的確定主要是根據(jù)軸上零件的裝配，框架式數(shù)控銑床主軸簡(jiǎn)圖如圖 46所示 軸上主要尺寸已在前面介紹，在確定各軸段長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)還要保證零件所需的裝配或調(diào)整空間。軸的各段長(zhǎng)度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相臨零件間必要的空隙來(lái)確定的。 圖 46框架式銑床主軸簡(jiǎn)圖 , 軸上零件的定位 零件的軸向定位 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母等來(lái)保證。軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩，軸肩處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且軸肩過(guò)多也不利于裝配，因此，軸肩定位多用于軸向力較大的場(chǎng)合， 套筒定位因?yàn)椴挥绊戄S的疲勞強(qiáng)度，一般用于軸上兩個(gè)零件之間的定位。若兩零件的間 距較大或轉(zhuǎn)速較高時(shí)，都不宜采用套筒定位。 軸端擋圈適用于固定軸端零件，可以承受較大的軸向力。為了防止軸端擋圈轉(zhuǎn)動(dòng)造成螺釘松脫，可加圓柱銷鎖定軸端擋圈。 圓螺母定位可承受大的 軸向力，但軸上螺紋處有較大的應(yīng)力集中，故一般用于固定軸端的零件，當(dāng)軸上零件間距離較大不宜使用套筒定位時(shí)，也常采用圓螺母定位。 零件的周向定位 周向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。常用的周向定位零件有鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過(guò)盈配合等，其中緊定螺釘只用在傳力不大之處。 , 主軸的校核 主軸按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核 這種方法只是按軸所受的扭矩來(lái)計(jì)算軸的強(qiáng)度；如果軸還受到不大的彎矩時(shí)，則用降低需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： T TTW? ? []T?? () 9550PT n? () 316T DW ?? () []T? — 需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位 為 aMP 。 因?yàn)?P =7 kw ， min150rn ? ， 1 90D? mm，查表得 40 Cr 的 []T? 值為： 35—55 aMP ，則 Ng m mrkwT 66m i n150 79550 000 ?? 333 .1 4 9 0 1 4 3 0 6 6 .2 51 6 1 6T DW ? ?? ? ?3mm T TTW? ?≈ aMP ≤ []T? 成立 ， 所以此主軸滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求。 主軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核。 軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)角 ? 表示。階梯軸的扭轉(zhuǎn)角 ? [單位為（ ? ） /m]的計(jì)算公式為： 4115 .7 3 1 0 z iii piTlLG I???? ? 對(duì)圓軸： PI = 432d? 軸的扭轉(zhuǎn)剛度的條件為： []??? []? 的取值為 ? []? ? 1（ ? ） /m 計(jì)算得階梯軸的扭轉(zhuǎn)角 ? 為： ? ? []?? ,則軸滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求 。 , 主軸的 主軸組件的剛度驗(yàn)算 主軸的驗(yàn)算主要是剛度的驗(yàn)算，與一般軸著重于強(qiáng)度的情況不同，通常能滿足剛度要求的主軸也能滿足強(qiáng)度的要求。剛度分為彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度兩種。彎曲剛度用軸在受力時(shí)產(chǎn)生的撓度（ y）及傾角（θ）來(lái)度量；扭轉(zhuǎn)剛度用軸在受力時(shí)每 1米長(zhǎng)度產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角（ ? ）來(lái)度量。 本設(shè)計(jì)中，主軸的直徑相差不大且計(jì)算精度要求不高，所以我 們把軸看作等徑軸，采用平均直徑（各直徑之和除以直徑數(shù)）來(lái)進(jìn)行計(jì)算。我們將軸簡(jiǎn)化為集中載荷下的簡(jiǎn)支梁。 根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的已知條件可得： 主軸輸出轉(zhuǎn)速 n=150r/min,傳動(dòng)比 i=10。傳動(dòng)效率：由設(shè)計(jì)圖知，輸出齒輪的功率、轉(zhuǎn)速與它通過(guò)的齒輪嚙合對(duì)數(shù)相關(guān)，由于功率在傳動(dòng)過(guò)程中有損失，則在輸出齒輪上傳遞的功率大小為： ??? IPP0 = KW （此設(shè)計(jì)中，電機(jī)的輸入功率為 7 KW） 計(jì)算齒輪受力： 大齒輪 Z7的受力計(jì)算： 轉(zhuǎn)矩： 6 . 1 39 5 5 0 9 5 5 0 3 9 0 . 2 7 6 7150jPn? ? ?主主 主T m?N 圓周力： 2 2 3 9 0 . 2 7 6 7 4 . 4 6m z 5 0 3 . 5t T? ?? ? ???主FKN 徑向力： ????? ??tr FF KN （其中，直齒圓柱齒輪的壓力角為 ?20?? ） 法向力 o s/ o s/ ??? ??tn FF KN 小齒輪 Z6的受力計(jì)算： 轉(zhuǎn)矩： 6 . 1 39 5 5 0 9 5 5 0 3 9 0 . 2 7 6 7150jPn? ? ?主主 主T m?N 圓周力： 2 2 3 9 0 . 2 7 6 7 8 . 6 7m z 3 6 2 . 5t T? ?? ? ???主FKN 徑向力： ????? ??tr FF KN （其中，直齒圓柱齒輪的壓力角為 ?20?? ） 法向力 o s/ o s/ ??? ??tn FF KN 經(jīng)比較可得：小齒輪上受到的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大齒輪上的力，所以在計(jì)算過(guò)程中，僅對(duì)小齒輪上的力對(duì)軸的影響進(jìn)行了受力分析。令主軸末端軸承不受力，而其前端受到的徑向銑削力 為 銑 刀 的 最 大 切 削 力 2452zF ? N （由 銑 削 功 率 的 計(jì) 算 公 式 為60/10 3??? vFP ccc 、 cP 是銑削功率、 cv 是銑削速度 ） ，則主軸受力如下所示： 圖 53 主軸的受力分析 計(jì)算支承反力： 水平面反力： 250 100301 6 ?????? ???? nt FFRF = KN 63 8 1 0 2 8 . 6 7 3 0 9 . 2 3 1 5 02 2 5 0 2 5 0tnFFRF ? ? ? ? ? ? ? ?? ??= 垂直面反力： 6 1 0 0 2 5 3 . 1 6 1 0 0 2 . 4 5 2 2 51 2 5 0 2 5 0rzFFRF ? ? ? ? ? ? ?? ??= 6 1 5 0 2 7 52 250 4 .5 9rzFFRF ? ? ? ?? ? ? ? KN 畫彎矩圖：水平面彎矩圖：如 上圖 d 所示 垂直面彎矩圖：如上圖 e 所示 合成彎矩圖： 22 xzxy MMM ?? 畫軸轉(zhuǎn)矩： 軸受轉(zhuǎn)矩： 6 ?? m?N 轉(zhuǎn)矩圖：如上圖 g 所示 許用應(yīng)力： 許用應(yīng)力值：取軸材料為 45，用插值法由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 查得： ab MP95][ 0 ?? ； ab MP55][ 1 ??? 應(yīng)力校正系數(shù)： ]0[ ][ 1 ??? ? bb??? 畫當(dāng)量彎矩圖：如上圖 h所示 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩： 226T? ? ? ? m?N 當(dāng)量彎矩：在小齒輪中間截面處 2 2 2 23 .5 6 0 .2 2 6M M T?? ? ? ? ? ?小 齒 輪 （ ） m?KN 在右端軸頸處 2 2 2 21 .8 1 0 .2 2 6M M T?? ? ? ? ? ?軸 頸 （ ） m?KN 畫當(dāng)量彎矩圖：如上圖 h所示 ， 求軸承剛度 主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩（未考慮機(jī)械效率） T= 79 5 5 0 9 5 5 0 4 4 5 . 7150P N m N mn ? ? ? ? ? 切削力： 2292 229200 .1 0CF N N?? 背向力： 22 92 0 11 96 0 NpcFF? ? ? ? 故總此作用力： F= 2 2 2 22 2 9 2 0 1 1 9 6 0 2 5 8 5 2 . 8 NCpFF? ? ? ? 此力主軸頸和后軸頸個(gè)承受一般，故主軸端受力為 F/2=12926N。 在估算時(shí)，先假設(shè)初值 l/a=3,l=3? 100=300mm。前后支承的支反力 AR 和 BR : 30 0 10 012 92 6 17 23 5. 22 30 010012 92 6 43 08 .