【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 尺寸分布圖該臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，最大的特點(diǎn)是：立柱的水平移動(dòng)在加工中只用作粗定位時(shí)的移動(dòng)，而切削進(jìn)給由主軸的伸縮實(shí)現(xiàn)。因此，主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本次主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)主軸邊旋轉(zhuǎn)邊伸縮的功能，設(shè)計(jì)中我聯(lián)想到了很多類似結(jié)構(gòu)以供參考。其中最先聯(lián)想到的是臺(tái)式鉆床的主軸設(shè)計(jì)方案：鉆頭在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)操作人員通過操縱桿使鉆頭向下伸出，完成鉆削工作。從原理上看，其主軸功能與本次設(shè)計(jì)的臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床主軸也很像。另外聯(lián)想到的類似結(jié)構(gòu)還有變速箱中的滑移齒輪：滑移齒輪通過輪齒嚙合傳遞轉(zhuǎn)矩，當(dāng)需要變速時(shí)則可在花鍵的導(dǎo)向作用下進(jìn)行滑移，以實(shí)現(xiàn)齒輪在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也可以滑動(dòng)的功能。分析以上兩種移動(dòng)旋轉(zhuǎn)件的方法，臺(tái)式鉆床的主軸結(jié)構(gòu)在此前金工實(shí)習(xí)中進(jìn)行過拆裝訓(xùn)練，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)本身對(duì)其主軸結(jié)構(gòu)不是很明白，而且時(shí)間也比較久了，不能完整回憶出當(dāng)時(shí)的主軸結(jié)構(gòu)。而滑移齒輪的結(jié)構(gòu)，在上學(xué)期專業(yè)課程設(shè)計(jì)《CA6140主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中已經(jīng)有過接觸，因此決定選擇類似滑移齒輪的設(shè)計(jì)方案。如圖13示，雖然設(shè)計(jì)方案與滑移齒輪類似，但是值得注意的是，滑移齒輪在花鍵上滑移的時(shí)間與它的轉(zhuǎn)動(dòng)相比，滑移所占時(shí)間的比例很小，因此花鍵聯(lián)結(jié)主要還是用來傳遞扭矩的。另外，花鍵的齒槽較淺而齒數(shù)卻相對(duì)較多，這種設(shè)計(jì)對(duì)軸與輪轂的強(qiáng)度削弱較少，應(yīng)力集中小，配合的對(duì)中性和導(dǎo)向性能好等優(yōu)點(diǎn)。但也正是因?yàn)榛ㄦI齒槽深度不會(huì)太大，并且齒數(shù)較多，導(dǎo)致多個(gè)面精密配合時(shí)對(duì)加工的要求和成本都會(huì)增加很多，因此花鍵不適合用于導(dǎo)向精度較高的場(chǎng)合。圖13　花鍵截面示意圖為了同時(shí)滿足傳遞扭矩和主軸伸縮時(shí)導(dǎo)向精度的要求，此處的鍵聯(lián)結(jié)應(yīng)該選擇導(dǎo)鍵聯(lián)結(jié)。導(dǎo)鍵又叫導(dǎo)向平鍵，是一種較長(zhǎng)的平鍵，用螺釘固定在軸上的鍵槽中，軸上零件能沿鍵作軸向滑移。其工作原理如圖14所示。圖14　導(dǎo)鍵工作原理圖另外，內(nèi)層主軸的外徑和外層主軸的內(nèi)徑間也設(shè)計(jì)配合關(guān)系，這樣，當(dāng)內(nèi)層主軸作伸縮時(shí)，外層主軸和導(dǎo)鍵就能同時(shí)為其導(dǎo)向，導(dǎo)鍵還起到傳遞扭矩的作用。下面再就主軸的支承形式展開討論。主軸組件的滾動(dòng)軸承一般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。因此，本次設(shè)計(jì)中主軸的支承借鑒CA6140的設(shè)計(jì)，前端采用雙列圓柱滾子軸承配雙向推力軸承的支承形式，后端采用單列圓柱滾子軸承支承。機(jī)床工作過程中，內(nèi)層主軸在外層主軸內(nèi)作伸縮運(yùn)動(dòng)，內(nèi)外層主軸間通過導(dǎo)鍵傳遞扭矩，而通過內(nèi)外層主軸之間的配合形成支承。根據(jù)以上分析，最后確定如圖15所示主軸的支承形式。圖15　主軸前端支承結(jié)構(gòu)分析到這里只是勾勒出了雙層主軸前端的草圖，要確定前端一系列支承的徑向尺寸，必須先確定主軸后端的尺寸結(jié)構(gòu)（主軸做成前大后小，方便安裝和加工）。內(nèi)層主軸的伸縮運(yùn)動(dòng)是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，進(jìn)而由絲杠螺母帶動(dòng)其向前伸出或退回的。因此，主軸后端有與絲杠螺母相連接的螺母座，它與主軸的連接方式應(yīng)保證它能對(duì)主軸施加沿軸向的兩個(gè)方向的力。而為了保證刀具安裝牢固可靠，主軸內(nèi)部應(yīng)設(shè)計(jì)拉刀機(jī)構(gòu)，當(dāng)需要換刀時(shí)由位于主軸后部的油缸將拉桿頂出，釋放刀具，平時(shí)則依靠碟形彈簧自然拉緊。拉刀桿內(nèi)部要設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，以便在換刀時(shí)由氣缸吹入高壓空氣，將刀具刀柄和主軸安裝孔上的鐵屑等雜物吹凈，以保護(hù)主軸安裝孔和刀具刀柄不被劃傷，并保證刀具的安裝精度。按照機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由內(nèi)至外的原則，先確定拉刀桿的尺寸，再選擇合適的碟形彈簧，確定出內(nèi)層主軸最大孔徑，然后根據(jù)強(qiáng)度需要給主軸選擇合適的壁厚以確定內(nèi)層主軸的最小外徑尺寸，并依此完成主軸末端螺母座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖16所示。圖16　主軸末端螺母座結(jié)構(gòu)尺寸圖從圖16上可知：①內(nèi)層主軸最小外徑為，比按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算得到的最小外徑大，滿足強(qiáng)度要求。②與外層主軸配合的外徑大小為，也就是說內(nèi)層主軸前軸頸應(yīng)不小于。而本次設(shè)計(jì)中主軸輸入功率為，查《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》表36《通用機(jī)床主軸前軸頸尺寸》得，主軸驅(qū)動(dòng)功率在時(shí)，銑床主軸前軸頸推薦尺寸范圍為。因此，螺母座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本滿足各方面尺寸要求。其軸向尺寸則由軸承、圓螺母等的尺寸決定。圖17　主軸前端支承結(jié)構(gòu)尺寸圖根據(jù)確定出的內(nèi)層主軸軸頸尺寸并選擇合理的壁厚以滿足強(qiáng)度要求，再逐步向外擴(kuò)展，依據(jù)軸承內(nèi)徑尺寸和所需定位軸肩高度，逐步確定出外層主軸的各段軸頸尺寸，并得到如圖17所示主軸前端各軸頸尺寸。為使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，主軸箱內(nèi)不設(shè)置隔板，外層主軸前后兩端軸承均安裝在主軸箱外壁上。因此，外層主軸的軸向尺寸在保證軸上各零件正常安裝的前提下，與主軸箱寬度有關(guān)。而內(nèi)層主軸的長(zhǎng)度，則與其工作行程有著密切關(guān)系，設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，工作行程取得過大，會(huì)使主軸導(dǎo)向長(zhǎng)度過短，從而影響導(dǎo)向和加工精度；而取得過小，主軸伸出長(zhǎng)度有限，又不能滿足加工需要，充分發(fā)揮機(jī)床性能。最后折中選擇主軸行程為?？紤]到主軸箱要在立導(dǎo)軌上作豎直方向成形運(yùn)動(dòng)，因此主軸箱寬度按立導(dǎo)軌的寬度選擇。該臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床的立柱部分，是另外一位同學(xué)設(shè)計(jì)的，他設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌安裝寬度為，則箱體外側(cè)寬度可按如圖18所示裝配關(guān)系確定。圖18　主軸箱與立柱導(dǎo)軌裝配關(guān)系圖分析圖18可得主軸箱外側(cè)寬度為。到此，主軸（包括內(nèi)層主軸和外層主軸）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的重要尺寸都已經(jīng)確定下來了。如圖19所示，為本次設(shè)計(jì)中主軸的結(jié)構(gòu)及尺寸關(guān)系。圖19　主軸主要軸向尺寸前面?zhèn)鲃?dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因?yàn)楫?dāng)時(shí)箱體寬度無法確定，因此只對(duì)Ⅰ、Ⅱ軸各段軸頸進(jìn)行了設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在箱體寬度和主軸結(jié)構(gòu)都已確定，則Ⅰ、Ⅱ軸最終結(jié)構(gòu)及尺寸確定如圖20和圖21所示，具體尺寸結(jié)構(gòu)見主軸箱裝配圖。圖20?、褫S主要軸向尺寸圖21?、蜉S主要軸向尺寸為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算，在這里先根據(jù)由軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到的數(shù)據(jù)估算出各軸中心距、齒輪模數(shù)和齒數(shù)，然后對(duì)估取的模數(shù)進(jìn)行校核（該過程實(shí)際上是校核輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度），最后再在強(qiáng)度校核時(shí)校核各輪齒的齒面接觸強(qiáng)度就行了。從前面?zhèn)鲃?dòng)軸和主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程可以看到，各軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，軸上端蓋或法蘭的外形尺寸也就基本確定了。因此，軸上齒輪正確嚙合時(shí)應(yīng)保證兩傳動(dòng)軸和主軸的端蓋、法蘭蓋之間不會(huì)產(chǎn)生干涉。由前面的分析可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸上端蓋或法蘭蓋外徑處尺寸分別為、。則Ⅰ、Ⅱ軸和Ⅱ、Ⅲ軸的中心距應(yīng)分別滿足下面的關(guān)系：在機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)中，在傳遞功率一定的前提下，齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越高，傳遞的轉(zhuǎn)矩就越小，所需齒輪模數(shù)也就越?。欢退偌?jí)齒輪，因其運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低，傳遞轉(zhuǎn)矩較大，則需要選用稍大模數(shù)齒輪，以防止輪齒折斷；或是像主軸上使用的齒輪，因?yàn)橹鬏S軸頸一般都較大，因此為了解決分度圓尺寸較大而另一方面齒輪齒數(shù)又不能太多的矛盾，也需要選擇較大模數(shù)。因此，在機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)中，一般會(huì)用到2到3種模數(shù)，并沿高速級(jí)向低速級(jí)模數(shù)逐漸增大，以適應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩增大的需要的傳動(dòng)順序，模數(shù)逐漸增大，以適應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩增大或是滿足結(jié)構(gòu)要求的需要。本次設(shè)計(jì)選用的主軸電機(jī)功率為，主軸箱內(nèi)高速端是一級(jí)變速組、低速端是一級(jí)定比傳動(dòng)。初選高速組模數(shù)大小為，低速組模數(shù)為。則Ⅰ、Ⅱ軸和Ⅱ、Ⅲ軸上嚙合齒輪的齒數(shù)和分別為：將上面求得的齒數(shù)和對(duì)照《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》表23《各種常用傳動(dòng)比的適用齒數(shù)》，得且時(shí)的適用齒數(shù)為或；且時(shí)的適用齒數(shù)為。a)確定齒輪材料和極限應(yīng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足傳動(dòng)要求的前提下，應(yīng)盡可能降低成本，故變速齒輪選用45鋼表面淬火，硬度。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖532c查得45鋼表面淬火后齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力；由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖533c查得45鋼表面淬火后接觸疲勞極限應(yīng)力。b)計(jì)算許用彎曲應(yīng)力按《機(jī)械設(shè)計(jì)》式526計(jì)算許用彎曲應(yīng)力：式中：—試驗(yàn)齒輪齒根的彎曲疲勞極限，；—試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，；—彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)，取10年計(jì)算則；—彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，一般傳動(dòng)??；重要傳動(dòng)取，本設(shè)計(jì)中取則c)計(jì)算載荷系數(shù)按《機(jī)械設(shè)計(jì)》式5