【文章內(nèi)容簡介】 m. 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(qiáng)度極限。因此，強(qiáng)度一般不做為選材的依據(jù)。 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)。 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(jī)床的材料通常是 45號或 60號優(yōu)質(zhì)中碳鋼，數(shù)控機(jī)床需調(diào)質(zhì)處理 和淬火 。 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，主軸通常作成階梯形的，主軸的結(jié)構(gòu)和形狀與主軸上所安裝的傳動(dòng)件，軸承等零件的類型，數(shù)量， 8 位置和安裝方法有直接的關(guān)系。 主軸中 的 孔 主要 用 于 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%。 主軸的結(jié)構(gòu)如（附圖 1）。 圖 1 第 三 章 主傳動(dòng)系統(tǒng)變速方式 為了適應(yīng)不同的加工要求，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)主要有以下幾種配置方式： （ 1）帶有變速齒輪 的主傳動(dòng)。這種方式在大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多。通過少數(shù)幾對齒輪降速，擴(kuò)大了輸出 扭 矩，以滿足主軸的輸出扭矩特性的要求，一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動(dòng)方式。以獲得強(qiáng)有力的切削時(shí)所需要扭矩。數(shù)控機(jī)床使用可調(diào)無級變速交流、直流電動(dòng)機(jī)。所以經(jīng)齒輪變速后，實(shí)現(xiàn) 8 段無級變速，調(diào)速范圍增加。其優(yōu)點(diǎn)是可滿足各種切削運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩，具有大范圍調(diào)速能力。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 9 需要增加潤滑及溫度控制裝置。成本較高，此外，制造和維修也比較困難。（參圖 a） （ 2）一級帶傳動(dòng)變速方式。這種傳動(dòng)方式主要應(yīng)用在中小型數(shù)控機(jī)床上。采用 V 型帶或同步 帶傳動(dòng)，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)可引起的振動(dòng)與噪聲，適用于低扭矩特性要求的主軸。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，調(diào)試容易，被廣泛用于許多數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)中。（參圖 b） （ 3）調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，這種主軸傳動(dòng)方式大大簡化了主軸箱體與主軸 的結(jié)構(gòu)，有效地提高主軸部件的剛度，由于結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間少， 加工中心的可加工空間相對變大。但是主軸轉(zhuǎn)速的變化及扭矩的輸出和電動(dòng)機(jī)輸出特性完全一致，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱對主軸的精度影響大，最好裝有冷卻裝置，否則使用還是受到約束。（參圖 c） （ 4）電主軸直接驅(qū)動(dòng)方式：這種驅(qū)動(dòng)方式其實(shí)和（ c 圖 ）方式差不多，但這種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)方式更為緊湊，占用空間更小。它主要是將主軸作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子，箱體殼（與主軸配合箱體殼）作為電機(jī)的定子。但是這種電機(jī)形式的主軸結(jié)構(gòu)，連帶主軸組件都是成套，要求很高，精度也高。另外制造成本也很高。且容易發(fā)熱，同樣會影響主軸精度。（參圖d） 以下為傳動(dòng)方式的結(jié)構(gòu) 圖 : 10 圖（ a） 帶有變速齒輪的主傳動(dòng) 圖（ b） 一級帶傳動(dòng)變速方 式 圖 (c) 調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式 圖 (d) 電主軸直接驅(qū)動(dòng)方式 綜上所述，進(jìn)行各種 傳動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和比較來選取本設(shè)計(jì)所采用的主軸傳動(dòng)方式。首先是該設(shè)計(jì)為數(shù)控車床，主軸選用帶傳動(dòng)（同步齒形帶），主軸主要是車削加工，必須保證其加工精度，而帶傳動(dòng)能緩和沖擊、吸收振動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)。由此選用一級帶傳動(dòng)變速方式。 第四章 機(jī)床夾具的確定 本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車床所加工工件長度約為 300mm長 （附圖 2） ，夾具相對設(shè)計(jì)較單一，選用卡盤夾緊工具即可滿足加工要求。卡盤夾緊工件與主軸聯(lián)接，并與主軸同步旋轉(zhuǎn)。 對于數(shù)控車床夾具主要就是卡盤夾具?？ūP從它的工作原理上分為以下 幾種類型： ①手動(dòng)松緊卡盤 ②液壓松緊 卡盤 ③氣動(dòng)松緊卡盤 ④電動(dòng)松緊卡盤 首先從數(shù)控車床的自動(dòng)化程度講，手動(dòng)卡盤屬人工操作，不合適。另外液壓和氣動(dòng)松緊卡盤實(shí)際工作原理相似，一個(gè)是油泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一 11 個(gè)是氣泵驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡明，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單。另外電動(dòng)卡盤同樣結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，但綜上所述，我們選擇液壓卡盤，液壓卡盤結(jié)構(gòu)緊湊，自動(dòng)化程度高，結(jié)構(gòu)比電動(dòng)卡盤簡單，有時(shí)可改裝為與其相似的氣動(dòng)卡盤。另外所設(shè)計(jì)的數(shù)控車床許多裝置重于用液壓系統(tǒng)，所以用液壓卡盤是比較合理的。 液壓卡盤的控制原理實(shí)質(zhì)為一鎖緊回路 （附圖 3） 。 第五章 主軸主要參數(shù)的計(jì)算及校核 主軸的主要參數(shù)是：主軸前端直徑 D1，主軸內(nèi)徑 d。主軸懸伸量 a和主軸支撐跨距 L。 D1 主軸 D1（按電機(jī)功率）如下表 51（ mm）： 功率（ kw） D1 機(jī)床 ～ 2～ 3～ 5～ ～11 車床 60～ 80 70～ 90 70～105 95～130 110～145 12 銑床及加工中心 50～ 90 60～ 90 60～95 75～100 90～105 外圓磨床 —— 50～ 60 55～70 70～80 75～ 90 車床、銑 床、鏜床、加工中心等機(jī)床因裝配的需要，主軸直徑常是自前往后逐漸減小的。前軸頸直徑 D1大于后軸直徑 D2。對于車、銑床一般 21( )DD? ～ ，由 上表可取 D1=110mm。 因此可知由式子 21( )DD? ～ 后端直徑 2 110 5 82. 5D m m? ? ? 圓整后 2 80D mm? d 主軸內(nèi)孔徑與機(jī)床類型有關(guān) ，主要用來通過棒料、鏜桿、拉桿或頂尖。確定內(nèi)孔徑原則是為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求下，應(yīng)取最大值。 主軸的內(nèi)徑是通過刀具夾具裝置固定刀具、傳動(dòng)氣動(dòng)或液壓卡盤等。主軸孔徑越大，主軸部件的相對重量就越輕。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于 幾乎與實(shí)心主軸相等；等于 90%；大于 ，空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比值為 。 主軸本身剛度 K正比于抗彎斷面慣性矩 I 4111 ( )kI dk I D? ? ?空 空實(shí) 實(shí) 由式子可知取孔徑的直徑極限 1maxd 為 1 m ax ? 此時(shí)若孔徑再大，剛度急劇下降 13 根據(jù)推薦值 11 dD ? ～ 取 11 ? d1=55 mm a確定 圖 51 主軸懸伸量指主軸前端面到前支承徑向反力 作用中點(diǎn)（一般即為前徑支撐中點(diǎn)）的距離，參考（ 1）表 ，它主要取決于主軸前端部結(jié)構(gòu)形式和尺寸，前支撐軸承配置和密封等。因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。 懸伸量與主軸部件的剛度及抗振性成反比，故應(yīng)盡量取小值。 13 216 (1 )KEI Ka K?? E材料的彈性模量 I軸慣性距 1K 前剛度值 2K 后剛度值 初選 a值可參考下表 52確定 車床和主軸類型 11aD 14 精密車床、自動(dòng)車床用滾動(dòng)軸承支承，適用高精度和普通精度要求 — 中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸不太長（不是細(xì)長）的精密鏜床和內(nèi)圓磨床，用滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承支承適用于絕大部分普通生產(chǎn)要求 — 計(jì)算得懸伸量為 80mm 主軸跨距的確定 主軸跨距是決定主軸系統(tǒng)動(dòng)靜剛度的重要影響因素，目的是找出在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小的跨距稱為最優(yōu)跨距（ 0l ）。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài) 作用下最優(yōu)跨距很接近 于 推得最優(yōu)值，因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量達(dá)到最優(yōu)值。 前端角接觸球軸承的剛度（主要為軸向剛度） 2533 . 4 4 3 s in 3 3 2 . 3 7 0a a b Nk F d z m? ?? ? ? ? ? ? 其中 ： 0eF F F? ? ??? 內(nèi)徑為 110mm,查參考（ 2）表 25?? 20z? ? 查軸承樣本額定動(dòng)載荷 74c KN? 取 10e cF? ? 7400eFN? ? 0 1380FN? ? 計(jì)算得主軸跨距為 300mm 軸的剛度計(jì)算 15 如果主軸前后軸承由數(shù)段組成，則當(dāng)量直徑 d 1 1 2 2 nnd l d l d ld l? ? ?? L （ mm） （參考文獻(xiàn) 2） 式中 1d 、 1l 、 2d 、 2l 、?、 nd 、 nl —— 分別為各段的直徑和長度（㎜）； l —— 總長， 12 ()nl l l l m m? ? ? ?L 如果前后軸 承的直徑相差不大，也可把前后軸承 直徑的平均值近似地作為當(dāng)量直徑 d。 主軸的前懸伸部分較粗，剛 度較高，其變形可以忽略不記，后懸伸部分不影響剛度，也可不計(jì)算。如主軸前端作用一外載 荷 F如下圖（參考文獻(xiàn) 3） 圖 52 主軸組件計(jì)算模型 則撓度 ： 22 3( ) 1 033s F a l F a lmmE I E l? ? ? ? （參考文獻(xiàn) 2） 25 4 4132 74 90 3003 2 10 5 (110 66 ) 7mm???? ? ? ? ?? ? ? ? 式中 F—— 外載荷（ N）； a—— 前懸伸，等于載荷作用點(diǎn)至前支承點(diǎn)間的距離（ mm）； l—— 跨距，等于前后支承的距離（ mm）； 16 E—— 彈性模量，鋼的 52 10 ( )E MPa?? ； I—— 截面慣性距 , 4 4 40 .0 5 ( ) ( )iI d d m m??； idd、 —— 主軸的外徑和孔徑（ mm）。 又因?yàn)?/ ? ，孔的影響可以忽略由此可得主軸剛度滿足要求。 第六章 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(jī)床上主軸軸承常用的有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。 滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以 預(yù)緊 ，潤滑維護(hù)簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍下穩(wěn)定地工作。滾動(dòng)軸承有專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便，在數(shù)控機(jī)床上被廣泛采用。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的噪聲大，滾動(dòng)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(jī)床主軸組件在可能的條件下，應(yīng)盡量使用滾動(dòng)軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸在套筒內(nèi)能夠 做 軸向移動(dòng)的主軸。這時(shí)用滾動(dòng)軸承可以用潤滑脂潤滑，以避免漏油。滾動(dòng)軸承根據(jù)滾動(dòng)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，主軸軸承間的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。線接觸的滾子軸承比點(diǎn)接觸的球軸承的剛度高，但一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低，下面就簡述幾種常用的數(shù)控機(jī)床主軸的機(jī)構(gòu)及適用范圍 。 角接觸球軸承 17