【文章內(nèi)容簡介】 相對運動的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，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?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，還會導(dǎo)致主軸軸線傾斜。 由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機床要進(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，是高精度機床主軸組件的研究的主要課題之一。 耐磨性 主軸組見的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。對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，一般機床主軸上的上述部分應(yīng)淬 火 至 硬度 HRC60 左右，深約1mm[5]。 材料和熱處理 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)小于鋼的強度極限。因此，選材的依據(jù) 一般不用強度 。 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)。 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 9 主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來考慮。普通機床的材料通常是 45 號或 60 號優(yōu)質(zhì)中碳鋼，數(shù)控機床需調(diào)質(zhì)處理 [6]。 主軸的結(jié)構(gòu) 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（稱懸伸量）應(yīng)盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常 做 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件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝方法有直接的關(guān)系。 主軸中孔用與通過棒料，拉桿或其它工具。為了能夠通過更大的棒料，車床的中空希望大些，但受剛度條件的影響和限制，孔徑一 般不宜超過外徑的 70%[6]。 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 10 第三章 主軸軸承的選擇 軸承的選型 主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數(shù)控機床主軸上常用的軸承有滾動軸承和滑動軸承。 滾動軸承摩擦阻力小，可以欲緊，潤滑維護(hù)簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動范圍下穩(wěn)定地工作。滾動軸承有專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便，在數(shù)控機床上被廣泛采用。雖然與滑動軸承相比，滾動軸承的噪聲大，滾動體的數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震 性略差，但總體來說，數(shù)控機床主軸組件在可能的條件下，應(yīng)盡量使用滾動軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸在套筒內(nèi)能夠作軸向移動的主軸。這時用滾動軸承可以用潤滑脂潤滑，以避免漏油。 由于滾動軸承有許多優(yōu)點，加之加工精度的提高，所以，一般情況下數(shù)控機床應(yīng)盡量采用滾動軸承，只有要求加工表面粗糙度數(shù)值和小時，且主軸又是水平的機床時才用滑動軸承，而本設(shè)計內(nèi)容為小型加工中心主軸組件設(shè)計，所以要選用滾動軸承了。 滾動軸承根據(jù)滾動體的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類。 主軸支承分徑向和推力支承。角接觸軸承包括角接觸 球軸承和圓錐滾子軸承，兼起徑向和推力支承的作用。主軸軸承，可選用圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。 主軸軸承，主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來選擇。為了提高精度和剛度，主軸軸承的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承剛度高，但在一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低。下面簡述幾種常用的數(shù)控機床主軸軸承的結(jié)構(gòu)特點和適用范圍。 雙列圓柱滾子軸承 (NNU4900K、 NN3000K)， 如圖 所示， 特點是內(nèi)孔為 l：12 的錐孔，與主軸的錐形軸頸相配合，軸向移動內(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。 NNU4900K 系列雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈可分離， NN3000K 雙列圓柱滾子軸承外圈可分離。這類軸承多用于載荷較數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 11 大、剛度要求高、中等轉(zhuǎn)速的地方。 圖 雙列圓柱滾子軸承 雙向推力角接觸球軸承 BTAA／ BTAB。這種軸承與雙列圓柱滾子軸承相配套，用來承受軸向載荷。 角接觸球軸承 (70C／ 70AC)， 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 =25176。，ａ 1=15176。，其中ａ =25176。的編號為7000AC 型（舊代號為 46100 型），屬于特輕型；或編號為 7190AC 型（舊代號為46900 型），屬于超輕型。ａ 1=15176。的編號為 7000C 型（舊代號為 36100 型），屬于特輕型；或編號為 7190C 型；或編號為 7190C 型（舊代號為 1036900 型），屬于超輕型。如圖 所示 。 角接觸球軸承多用于高速主軸，水接觸角的不同有所區(qū)別，α =25176。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、鏜、銑加工中心等主軸；α =15176。的轉(zhuǎn)速可更高一些，打扮軸向剛度較低，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、鏜、銑主軸后軸承。這種軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度 和承載能力，常用多聯(lián)組的方法。 圖 雙列圓柱滾子軸承 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 12 3． 2 軸承精度 軸承的精度，分為 0 五級 ， 其中 2 級最高， 0 級為普通精度級。主軸軸承以 4 級為主 (記為 P4)。高精度主軸可用 P2 級。要求較低的主軸或三支承主軸的輔助支承可用 P5 級。 P6 級和 P0 級一般不用。此外又規(guī)定了 2 種輔助精度等級 SP(特殊精密級 )和 UP(超精密級 )[7]。 由于軸承的工作精度主要決定于旋轉(zhuǎn)精度，箱體孔和主軸軸頸是根據(jù)一定的間隙和過盈要求配作的。因此，軸承內(nèi)、外徑的公差即使寬些也不影響工作精度，但卻降低了成本。 不同精度等級的機床，主軸軸承的精度可參照表 選用。數(shù)控機床，可按精密級或高精度級選用。 表 主軸軸承精度 機床精度等級 前軸承 后軸承 普通精度等級 P5 或 P4（ SP） P5 或 P4（ SP） 精密級 P4（ SP）或 P2（ UP） P4（ SP） 高精度級 P2（ UP） P2（ UP） 軸承間隙調(diào)整和欲緊 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)能夠在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和滾道之間有一定的欲變形，這就是軸承的欲緊。 軸承欲緊后，內(nèi)部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于 提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而欲緊前只有部分滾動體和滾道接觸。欲緊后，滾動體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動體將更多，各滾動體的受力將更均勻。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，則由于各個方向都有滾動體支承，可以提高抗振性。但是，欲緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且太大的欲緊將使軸承的壽命降低，故欲緊要適當(dāng)。本設(shè)計為小型加工中心主軸組件設(shè)計，功率相對較小，所以取中欲緊 。 本設(shè)計的 軸承 型號以及布局 根據(jù)上述軸承選用的要求結(jié)合本設(shè)計的要求，軸承選用如 下：后支承：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承 (NN3000K 型 )精度等級相當(dāng)于 P5 級，前支承：兩個推力球數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 13 軸承 (51000 型 )和一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承 (NN3000K 型 )組配精度等級相當(dāng)于 P5 級，并且軸承為中欲緊，如圖 所示為選用軸承的安裝簡圖。 圖 本設(shè)計軸承 結(jié)構(gòu) 選用 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 14 第四章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 電動機的選擇 按照設(shè)計要求以及工作條件，選用 Y 系列三相異步電動機，臥式封閉結(jié)構(gòu)，電壓 380V。 電動機容量的選 擇 1． 工作主軸功率 2． 工作機所需電動機功率 （ 41） 上式中， 為工作主軸功率， 為工作機所需電動機功率， 為傳動系統(tǒng)的總效率。 由于此處的傳動系統(tǒng)為 7 級精度圓柱直齒輪傳動，根據(jù)機械設(shè)計手冊 [8]取，所以 （ 42） 為滿足 的條件，電動機的額定功率 應(yīng)該取 電動機轉(zhuǎn)速的選擇 根據(jù)已知條件，主軸轉(zhuǎn)速為 1450r/min，選同步轉(zhuǎn)速為 3000 r/min 的電動機，對應(yīng)額定功率 為 ，其型號為 Y132S12。將 Y132S12 型電動機有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù) [8]及相應(yīng)算得的總傳動比列于表 41。 表 41 電動機數(shù)據(jù)表 電動機型號 額定功率（ Kw） 同步轉(zhuǎn)速（ r/min） 滿載轉(zhuǎn)速（ r/min） 總傳動比 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 15 Y132S12 3000 2900 2 綜上，選取的 Y132S12 型三相異步電動機額定功率為 ，滿載轉(zhuǎn)速為2900r/min，電動機中心高 H=132mm。 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 傳動系統(tǒng)選為齒輪傳動，設(shè)定工作壽命為 15 年（設(shè)每年工作 300 天），兩班制且工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變。 選定齒輪類型，精度等級、材料及齒數(shù) 1． 根據(jù)傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。 2． 即床位一般工作機床，故選用 7 級精度。 3． 材料選擇。選擇小齒輪材料為 40Cr (調(diào)質(zhì) )，硬度為 280HBS，大齒輪材料為45 鋼 (調(diào)質(zhì) )硬度為 240HBS，而這材料硬度差為 40HBS。 4． 選小齒輪齒數(shù) z1=24,大齒輪齒數(shù) z2=u z1=2 24=48。 按照齒面接觸強度設(shè)計 1． 由設(shè)計計算公式進(jìn)行試算，即 ? ?2231 2 1 ()t HEtdHKT ZZud u?? ? ??? ? ? （ 43） 2． 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （ 1） 試選載荷系數(shù) [8] （ 2） 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 （ 44） （ 3） 選取齒寬系數(shù) [8] （ 4） 查得材料的彈性影響系數(shù) [8] MPa? （ 5） 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 [8]σ Hlim1＝ 600MPa；大齒輪的接觸疲勞強度極限σ Hlim2＝ 550MPa； 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 16 （ 6） 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1＝ 60n2jLh＝ 60 1（ 2 8 300 15）＝ 109 N2＝ N1/2＝ 109 （ 7） 查得接觸疲勞壽命系數(shù) [8]KHN1＝ ； KHN2＝ （ 8） 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1％，安全系數(shù) S＝ 1，得 [σH] 1＝ 600MPa ＝ 540MPa （ 45） [σH] 2＝ 550MPa ＝ （ 46） 3． 計算 （ 1） 試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 [ ]中較小的值 mm = （ 47） （ 2） 計算圓周速度 （ 48） （ 3） 計算齒寬 b 及模數(shù) ntm （ 49） （ 4） 計算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) （ 410） 齒高 （ 411） （ 412） （ 5） 計算載荷系數(shù) K 根據(jù) v=,7 級 精 度 ， 查 得動 載 系數(shù) [8] ； 直 齒 輪 ，假 設(shè)，查得 已知載荷平穩(wěn)，查得使用系數(shù) [8] 1AK? 7級精度，小齒輪相對支承對稱布置時，查得 [8] 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 17 （ 413） 將數(shù)據(jù)代入后，得到， （ 414） 由 和 查得 [8] 故載荷系數(shù) （ 6） 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，得 （ 415） （ 7） 計算模數(shù) m （ 416） 按齒根彎曲強度設(shè)計 1． 彎曲強度的設(shè)計公式為