【文章內(nèi)容簡介】 因數(shù)都很低，造成很大的浪費。因此，機床的主傳動功率是選擇主軸電機功率和型號的重要依據(jù)。機床主傳動的功率可根據(jù)切削功率與主運動傳動鏈的總效率來確定其中，為機床傳動總效率，—。而切削功率應是三個切削分力消耗功率的總和，但背向力消耗的功率為零，進給力消耗的功率很小，一般可忽略不計。因此，切削功率可用下式計算： 式中：——切削速度，；——切削力，單位。生產(chǎn)中，常用切削層單位面積切削力來估算切削力的大小。因為是切削力與切削層公稱橫截面積之比，所以 式中：——切削層單位面積切削力，（即）； ——切削層公稱寬度，； ——切削層公稱厚度。因為銑削時，同時工作的齒數(shù)較多，加工余量也比鏜削大得多，因此切削功率應以硬質(zhì)合金刀具銑削碳鋼為標準來計算。查《金屬工藝學》（下冊）表12《幾種常用材料的值》，考慮到在日后生產(chǎn)過程中，可能會遇到一些難加工材料，因此，取值稍偏大，為；切削層公稱寬度在銑削中表現(xiàn)為切削深度，而在加工過程中，為了使刀尖避開鑄、鍛工件毛坯表面硬化層，第一次的背吃刀量要盡可能大，??；切削層公稱厚度在銑削中與每齒進給量有關，故取。則切削力大小為：切削功率用式 計算。其中，切削速度 上式中：——切削速度（）——主軸轉速（）——工件或刀具直徑（）估取主軸轉速，銑刀直徑，則對應切削速度為參考《切削手冊》表84《銑削速度推薦范圍》，取代入計算，得 則機床主傳動所需功率為： 本次設計使用的主軸電機從指導老師提供的《1PH6風冷式交流主軸電機產(chǎn)品系列》中選取。從產(chǎn)品系列中可以看到，滿足機床主傳動功率要求的電機型號為1PH6 1354NF0，其主要參數(shù)如下：額定功率：額定轉速：最高轉速：最低轉速：額定扭矩：約 重：外形尺寸詳細參數(shù)如圖7所示：圖7　1PH6 1354NF0主軸電機外形及安裝尺寸圖零件設計的主要依據(jù)是所承受的載荷大小，而載荷取決于所傳遞的功率和轉速，外載一定時，轉速越高，所傳遞的轉矩就越小。因此，對于轉速可調(diào)的傳動系統(tǒng)，必須確定一個經(jīng)濟合理的計算轉速，作為強度計算和校核的依據(jù)。查《機械制造裝備設計》表22《各類通用機床主軸的計算轉速》可以知道，中型臥式鏜銑床無級傳動時的主軸計算轉速公式：其中：由此可得主軸（Ⅲ軸）計算轉速：則Ⅰ、Ⅱ軸計算轉速分別為：傳動系統(tǒng)中，有相對運動的物體間總是伴隨著摩擦和磨損，并且嚙合齒輪間也會因為制造和安裝誤差使其在運轉過程中產(chǎn)生振動和噪聲，這些都不可避免地存在功率損失。因此當電動機輸出為額定功率時，具體傳遞到某一級軸上的功率就不再是額定功率了，而必須考慮聯(lián)軸器、軸承、齒輪等的傳動效率。《機械設計課程設計》表22《機械傳動和軸承等效率的概略值》收錄了常用機械傳動（包括齒輪傳動、鏈傳動、V帶傳動、聯(lián)軸器等）和軸承等的效率的概略值，參照前面方案設計中的傳動系統(tǒng)示意圖，可初估各軸輸入功率如下：在轉軸設計中，其特點是不能首先通過精確計算確定軸的截面尺寸。因為轉軸工作時，受彎矩和轉矩聯(lián)合作用，而彎矩又與軸上載荷的大小及軸上零件相互位置有關，所以當軸的結構尺寸未確定前，無法求出軸所受的彎矩。因此，轉軸設計時，開始只能按扭轉強度或經(jīng)驗公式估算軸的直徑，然后進行軸的結構設計，最后進行軸的強度驗算。查《機械設計手冊》（中冊）表8347《按扭轉強度及剛度計算軸徑的公式》或以得到按扭轉強度計算的估算軸徑為：實心軸：空心軸：其中：—軸端直徑；—根據(jù)許用扭轉角確定的系數(shù)，按《機械設計手冊》（中冊）表8348選?。弧S的輸入功率；—軸的計算轉速；—空心軸的內(nèi)徑和外徑之比，計算系數(shù)的值見《機械設計手冊》（中冊）表8361。如圖8所示，由《材料力學》的知識可知，剪應力在橫截面上是線性分布的，圓心處為零，當圓周上有最大應力值時，中心部分的應力仍較小，材料并沒有充分發(fā)揮作用。如果將這部分材料旋轉在離圓心比較遠的地方，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。當然，并不是說所有的軸都要做成空心的，對一些直徑較小的軸，如果加工成空心軸，反而會因加工工序增加或加工困難而增加成本、造成浪費?！　　　　　　　D8　受扭轉軸橫截面剪應力分布圖　　　　　　圖9　銑刀盤安裝示意圖機床的傳動系統(tǒng)中，傳動軸的直徑一般不會太大，因此，多數(shù)情況下傳動軸都是實心的；但主軸因為其尺寸參數(shù)通常由結構需要而定，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，該傳動系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ軸按實心軸計算公式估算。查《機械設計手冊》（中冊）表8348《幾種常用材料的及值》，得45鋼值為，計算中取，則另由傳動系統(tǒng)示意圖可知，Ⅰ軸聯(lián)軸器端應有一個鍵槽，因此Ⅰ軸的最小軸徑應在的基礎上增大5%，即：取主軸內(nèi)徑和外徑之比為，查《機械設計手冊》（中冊）表8361《空心軸系數(shù)表》得計算系數(shù)，則滿足強度要求的主軸最小直徑為：根據(jù)主軸箱傳動系統(tǒng)簡圖上主要零件的布置圖和軸的初步估算軸徑，進行軸的結構設計。考慮到主軸的伸縮式結構，并且完成主軸箱設計后要與床身立柱相配合，此處結構設計主要確定的是軸上各段軸頸的大小，長度方向尺寸在主軸結構設計完成后再考慮。首先對Ⅰ軸進行結構設計。Ⅰ軸最小軸徑為，并且它要與主軸電機輸出端通過聯(lián)軸器相連。由圖7知，主軸電機輸出軸直徑為。查《機械設計課程設計》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?、褫S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軸結構設計圖，考慮到主軸箱內(nèi)各處軸承和齒輪嚙合處的潤滑，在Ⅰ軸上設置一個凸輪，用來推動潤滑油泵工作，將主軸箱底部潤滑油泵送至各潤滑點。Ⅱ軸的結構設計步驟與Ⅰ軸類似，而且Ⅱ軸是通過齒輪與Ⅰ軸進行動力傳動的，不需要聯(lián)軸器，因此它的結構設計比Ⅰ軸更簡單，在這里就不再贅述其過程了。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)控機床與普通機床相比，最大的特點是：立柱的水平移動在加工中只用作粗定位時的移動，而切削進給由主軸的伸縮實現(xiàn)。因此，主軸的結構設計是本次主傳動系統(tǒng)設計的一個重要環(huán)節(jié)。為了實現(xiàn)主軸邊旋轉邊伸縮的功能，設計中我聯(lián)想到了很多類似結構以供參考。其中最先聯(lián)想到的是臺式鉆床的主軸設計方案：鉆頭在電動機帶動下高速旋轉，同時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計的臥式鏜銑數(shù)控機床主軸也很像。另外聯(lián)想到的類似結構還有變速箱中的滑移齒輪：滑移齒輪通過輪齒嚙合傳遞轉矩，當需要變速時則可在花鍵的導向作用下進行滑移，以實現(xiàn)齒輪在旋轉的同時也可以滑動的功能。分析以上兩種移動旋轉件的方法，臺式鉆床的主軸結構在此前金工實習中進行過拆裝訓練，但因為當時本身對其主軸結構不是很明白，而且時間也比較久了，不能完整回憶出當時的主軸結構。而滑移齒輪的結構，在上學期專業(yè)課程設計《CA6140主傳動系統(tǒng)設計》中已經(jīng)有過接觸，因此決定選擇類似滑移齒輪的設計方案。如圖13示，雖然設計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間與它的轉動相比，滑移所占時間的比例很小，因此花鍵聯(lián)結主要還是用來傳遞扭矩的。另外，花鍵的齒槽較淺而齒數(shù)卻相對較多，這種設計對軸與輪轂的強度削弱較少，應力集中小，配合的對中性和導向性能好等優(yōu)點。但也正是因為花鍵齒槽深度不會太大，并且齒數(shù)較多，導致多個面精密配合時對加工的要求和成本都會增加很多，因此花鍵不適合用于導向精度較高的場合。圖13　花鍵截面示意圖為了同時滿足傳遞扭矩和主軸伸縮時導向精度的要求，此處的鍵聯(lián)結應該選擇導鍵聯(lián)結。導鍵又叫導向平鍵，是一種較長的平鍵，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)徑間也設計配合關系，這樣，當內(nèi)層主軸作伸縮時，外層主軸和導鍵就能同時為其導向，導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，又要有承受兩個方向軸向載荷的推力軸承。因此，本次設計中主軸的支承借鑒CA6140的設計，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。機床工作過程中，內(nèi)層主軸在外層主軸內(nèi)作伸縮運動，內(nèi)外層主軸間通過導鍵傳遞扭矩，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　主軸前端支承結構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構（主軸做成前大后小，方便安裝和加工）。內(nèi)層主軸的伸縮運動是由伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠，進而由絲杠螺母帶動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保證它能對主軸施加沿軸向的兩個方向的力。而為了保證刀具安裝牢固可靠，主軸內(nèi)部應設計拉刀機構，當需要換刀時由位于主軸后部的油缸將拉桿頂出，釋放刀具，平時則依靠碟形彈簧自然拉緊。拉刀桿內(nèi)部要設計成空心結構，以便在換刀時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。按照機械結構設計由內(nèi)