【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 冊(cè)》（中冊(cè)）表8361。如圖8所示，由《材料力學(xué)》的知識(shí)可知，剪應(yīng)力在橫截面上是線性分布的，圓心處為零，當(dāng)圓周上有最大應(yīng)力值時(shí)，中心部分的應(yīng)力仍較小，材料并沒(méi)有充分發(fā)揮作用。如果將這部分材料旋轉(zhuǎn)在離圓心比較遠(yuǎn)的地方，可明顯地增大截面的極慣性矩，這樣就自然提高了軸的承載能力。當(dāng)然，并不是說(shuō)所有的軸都要做成空心的，對(duì)一些直徑較小的軸，如果加工成空心軸，反而會(huì)因加工工序增加或加工困難而增加成本、造成浪費(fèi)。　　　　　　　　圖8　受扭轉(zhuǎn)軸橫截面剪應(yīng)力分布圖　　　　　　圖9　銑刀盤安裝示意圖機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)軸的直徑一般不會(huì)太大，因此，多數(shù)情況下傳動(dòng)軸都是實(shí)心的；但主軸因?yàn)槠涑叽鐓?shù)通常由結(jié)構(gòu)需要而定，而主軸前端要安裝刀具，因此，為了拉緊刀具并保證銑刀尖與主軸的同軸度，主軸一般都做成空心的，其內(nèi)部分布著芯軸和拉刀裝置，如圖9所示。因此，該傳動(dòng)系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ軸按實(shí)心軸計(jì)算公式估算。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（中冊(cè)）表8348《幾種常用材料的及值》，得45鋼值為，計(jì)算中取，則另由傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖可知，Ⅰ軸聯(lián)軸器端應(yīng)有一個(gè)鍵槽，因此Ⅰ軸的最小軸徑應(yīng)在的基礎(chǔ)上增大5%，即：取主軸內(nèi)徑和外徑之比為，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（中冊(cè)）表8361《空心軸系數(shù)表》得計(jì)算系數(shù)，則滿足強(qiáng)度要求的主軸最小直徑為：根據(jù)主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖上主要零件的布置圖和軸的初步估算軸徑，進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]到主軸的伸縮式結(jié)構(gòu)，并且完成主軸箱設(shè)計(jì)后要與床身立柱相配合，此處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要確定的是軸上各段軸頸的大小，長(zhǎng)度方向尺寸在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后再考慮。首先對(duì)Ⅰ軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Ⅰ軸最小軸徑為，并且它要與主軸電機(jī)輸出端通過(guò)聯(lián)軸器相連。由圖7知，主軸電機(jī)輸出軸直徑為。查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表135《彈性柱銷聯(lián)軸器》，選擇LT7型即可滿足要求。LT7型彈性柱銷聯(lián)軸器安裝尺寸如下圖所示：圖10　LT7型彈性柱銷聯(lián)軸器安裝尺寸圖因此，Ⅰ軸聯(lián)軸器端（即最小軸徑處）直徑大小為。根據(jù)確定的聯(lián)軸器端直徑和該軸上布置的主要零件，確定Ⅰ軸各段軸頸的大小如下：圖11　Ⅰ軸軸頸尺寸分布圖Ⅰ軸聯(lián)軸器端直徑為，聯(lián)軸器軸向由軸肩定位；31310圓錐滾子軸承內(nèi)徑大小為，軸承內(nèi)圈用花鍵外徑定位，外圈用軸承端蓋壓緊；Ⅰ軸上花鍵規(guī)格為，31310圓錐滾子軸承內(nèi)圈定位軸肩要求不小于，因此采用花鍵外徑定位軸承內(nèi)圈滿足要求。齒輪左端和右端分別采用光軸軸肩和軸用擋圈定位，均能滿足定位精度要求。另外，如Ⅰ軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，考慮到主軸箱內(nèi)各處軸承和齒輪嚙合處的潤(rùn)滑，在Ⅰ軸上設(shè)置一個(gè)凸輪，用來(lái)推動(dòng)潤(rùn)滑油泵工作，將主軸箱底部潤(rùn)滑油泵送至各潤(rùn)滑點(diǎn)。Ⅱ軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟與Ⅰ軸類似，而且Ⅱ軸是通過(guò)齒輪與Ⅰ軸進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)的，不需要聯(lián)軸器，因此它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比Ⅰ軸更簡(jiǎn)單，在這里就不再贅述其過(guò)程了。最終得到的Ⅱ軸各段軸頸大小如圖12所示。圖12?、蜉S軸頸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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)導(dǎo)鍵傳遞扭矩，而通過(guò)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(shuō)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(guò)大，會(huì)使主軸導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)短，從而影響導(dǎo)向和加工精度；而取得過(guò)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(lái)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(guò)程可以看到，各