【導(dǎo)讀】種場合的使用越來越普遍，技術(shù)也越來越成熟。本課題的目的是進(jìn)行臥式加工中心主。軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并滿足相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求。件裝配圖、零件圖。本文在查閱大量國內(nèi)外文上，通過研究分析不同加工中心主軸組。件的性能，綜合地比較特點，并擬定了較為合理的結(jié)構(gòu)方案。

　　

【正文】 —— 小帶輪節(jié)圓直徑； 2d —— 大帶輪節(jié)圓直徑。 按帶長 mmL ? ，同步帶的帶型為 H 型，由表 4712? [5]查得應(yīng)選用帶長代號為 450 的 H 型同步帶，節(jié)線長 mmLP ? ，節(jié)線長上的齒數(shù) 90?Z 。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 (10) 實際軸間距 實際軸間距 mmmmLLaa P 2 00 ??????? 式中： 0a —— 初定軸間距； pL —— 節(jié) 線長； 0L —— 帶長。 (11) 小帶輪嚙合齒數(shù) ? ??????? ??? ??? 122 11 22i nt ZZaZpZZ bm ? ? ??????? ??? ??? nt 212? 式中： mZ —— 小帶輪嚙合齒數(shù)； bp —— 節(jié)距。 (12) 基本額定功率 0P 按 照同 步帶的 帶型為 H 型 ，由表 5312? [5]查 得帶的 許用 工作拉 力NTa ? ，帶的單位長度的質(zhì)量 mkgm ? ?；绢~定功率為： ? ? ? ? KWKWvvmTP a 220 ????????? 式中： aT —— 寬度為0sb的帶的許用工作拉力 m —— 寬度為 0sb 的帶單位長度的質(zhì)量 (13) 帶寬 sb 按同步帶的帶型為 H 型，由表 5212? [5]查得 mmbs 0 ?；按小帶輪嚙合齒數(shù) 12?mZ ，由表 4912? 查得嚙合齒數(shù)系數(shù) 1?ZK 。帶寬為： mmmmPK PbbZdss 00??????? 式中： ZK —— 嚙合齒數(shù)系數(shù) 0sb — — 同步帶的基準(zhǔn)寬度， mm 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 按照帶寬 ?sb ，同步帶帶型為 H 型，由表 4812? 確定選帶寬代號為 075的 H 型帶，其帶寬 mmbs ? (14) 作用在軸上的力 NNv PF dr 1110001000 ????? 式中： rF —— 作用在軸上 dP —— 設(shè)計功率； v —— 帶速。 (15) 帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動選用的同步帶為 075450H 小帶輪： 301?Z ， mmd ? ， mmda 1 ? 大帶輪： 602?Z ， mmd ? ， mmda 2 ? 主軸組件的潤滑與密封 主 軸組件的潤滑與密封是機床使用和維護過程中值得重視的兩個問題。良好的潤滑效果可以降低軸承的工作溫度和延長使用壽命。密封不僅要防止灰塵屑末和切削液進(jìn)入，還要防止?jié)櫥偷男孤? 主軸組件的潤滑 在數(shù)控機床上，主軸軸承潤滑方式主要有油脂潤滑，油液循環(huán)潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等。 1） 油脂潤滑方式 這是目前在數(shù)控機床的主軸軸承上最常用的潤滑方式，特別是在前支承軸承上更是常用。當(dāng)然，如果主軸箱中沒有冷卻潤滑油系統(tǒng)，那么后支承軸承和其他軸承一般采用油脂潤滑方式。在數(shù)控機床上，通常采用高級油脂的種類為高級鋰基油 脂或德國產(chǎn) NBU15型油脂，每加一次油脂可使用 10~7 年。主軸軸蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 承油脂封入量，通常為軸承空間容積的 %10 ，切忌隨意填滿。因為油脂過多，會加劇主軸發(fā)熱 。 同時，脂潤滑會降低全鋼軸承的性能，而混合陶瓷球軸承卻可以安全地采用脂潤滑，符合本課題的主軸支承的選用。 但是，要注意的是，采用油脂潤滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或潤滑油進(jìn)入軸承中 。 2)油霧潤滑方式 油霧方式。由于霧狀油液吸熱性好，又無油液攪拌作用，所以此方式常用于 高速主軸軸承的潤滑 。 但是，油霧容 潤滑方式是將油液經(jīng)高壓氣體霧化后，從噴嘴成霧狀噴到需潤滑部位的潤滑 易吹出，污染環(huán)境 。 主軸組件的密封 密封的作用主要是防止灰塵、屑末和切削液等進(jìn)入軸承，以減少腐蝕和磨損；也可防止?jié)櫥屯饴?，保護環(huán)境，避免污染。 主軸的密封分接觸式密封和非接觸式密封兩類。前者有摩擦和磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，一般宜用于低速主軸。后者制成迷宮式和間隙式，發(fā)熱很小，應(yīng)用廣泛。圖 是幾種非接觸密封的形式 。 (a) (b) (c) 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 圖 非接觸式密封 1— 端蓋 2— 螺母 圖 是圈形間隙式密封，它是在蓋的內(nèi)腔中車出梯形或半圓形截面的環(huán)形油槽，并填滿潤滑脂。利用軸承蓋與軸的間隙密封，軸承蓋的孔內(nèi)開槽是為了提高密封效果。這種密封用在工作環(huán)境比較清潔的油脂潤滑處。 圖 是在螺母的外圓上開鋸齒形環(huán)槽，當(dāng)油向外流時，靠主軸轉(zhuǎn)動的離心力把油沿斜面甩到端蓋 1 的空腔內(nèi)，油液流回箱內(nèi)。 圖 是迷宮式密封結(jié)構(gòu)，對于采用脂潤滑的主軸，密封主要是防止外界異物進(jìn)入。所以，通常采用間隙式或迷宮式密封裝置。并且此密封方式在較惡劣的工作環(huán) 境下也可獲得可靠的密封效果。迷宮式密封結(jié)構(gòu)是在組件的轉(zhuǎn)動和固定部分之間做成復(fù)雜而曲折的通道，間隙不超過 ~ ，并填滿潤滑脂。由于這種密封方法能有效地保護軸承，所以得到廣泛應(yīng)用 。 接觸式密封主要有油氈圈和耐油橡膠密封圈密封，如圖 所示 。 (a) (b) 圖 接觸式密封 1— 甩油環(huán) 2— 油氈圈 3— 耐油橡膠密封圈 本課題的潤滑與密封方案的確定 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 本課題中主軸組件的潤滑方式采用油脂潤滑方式，由于潤滑脂的粘度大，不易流失，因此不需要經(jīng)常更換。這也是目前在數(shù)控機床的主軸軸承上最常用的潤滑方式。 同時，由于本課題的軸承采用油脂潤滑方式，其密封目的主要是防止外界異物進(jìn)入，所以可以采用較為簡單的密封方式。在本課題中，主軸支承處主要采用的是徑向迷宮式密封，而在絲杠軸承處主要采用油氈圈密封。如圖 所示為徑向迷宮式密封裝置。 圖 徑向迷宮式密封 鍵的設(shè)計計算 主軸上的鍵 對于采用常見的材料和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵聯(lián)接（靜聯(lián)接），其主要失效形式是工作面被壓潰。除非存在嚴(yán)重過載，否則一般不會 出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強度校核計算。 假定載荷在鍵的工作面上是均勻分布的，則普通平鍵聯(lián)接的強度條件為[23]： ? ?pP dlkT ?? ????? 3102 ?????????????????? （ 311） 式中： T —— 傳遞的轉(zhuǎn)矩（ 2dFyFT ???? ），單位為 mN? ； k —— 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度， hk ?? ，此處 h 為鍵的高度，單位為mm ； l —— 鍵的工作長度，單位為 mm ，圓頭平鍵 bLl ?? ，平頭平鍵 Ll? ，這里的 L 為鍵的公稱長度，單位為 mm ， b 為鍵的寬度，單位為 mm ； d —— 軸的直徑，單位為 mm ； ? ?p? —— 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位 MPa 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 已知：帶輪作用在軸上的力 NF ? ，鍵所處主軸段直徑 mmd 72? ，鍵的寬度 mmb 20? ，鍵的公稱長度 mmL 70? ，鍵的高度 mmh 12? 。 鍵所傳遞的轉(zhuǎn)矩為 ? ?mNdFT ?????? 由于主軸處采用圓頭平鍵，故鍵的工作長度為 ? ?mmbLl 502070 ????? 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為 ? ?mmhk ????? 將上述參數(shù)代入公式（ 311），故聯(lián)接工作面擠壓應(yīng)力為 ? ?MP ap 3 ??? ???? 按聯(lián)接工作方式為靜聯(lián)接，且載荷性質(zhì)具有沖擊性，查表 93[5]得鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力 ? ? MPap 60?? 。 由于 ? ?pp ?? ? ，所以能滿足要求。 主電機上的鍵 已知：主電機額定轉(zhuǎn)矩 mNT ??35 ，電機輸出軸的直徑 mmd 32? ，鍵的寬度 mmb 10? ，鍵的公稱長度 mmL 70? ，鍵的高度 mmh 8? ，鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力? ? MPap 60?? 。 由于主軸處采用單圓頭普通平鍵，故鍵的工作長度為 ? ?mmbLl 65210702 ????? 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為 ? ?mmhk ????? 將上述參數(shù)代入公式（ 311），故聯(lián)接工作面擠壓應(yīng)力為 ? ?MP ap 10352 3 ??? ???? 由于 ? ?pp ?? ? ，所以能滿足要求。 液 壓缸的設(shè)計計算 已 知 ：由表 30109[6]選取 液 壓缸 活 塞直 徑 mmD 80? ， 活塞 桿直 徑mmd 32? ，活塞和活塞桿的材料為 45 鋼。 活塞和桿重計算： 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 38 ? ? )( 922231 NgVG ??????????????? ??? 已知：由 GB/T20891994[5]選 取 彈簧 截 面 直 徑 mmd 51 ? ， 彈 簧 中徑mmD 402 ? ，有效圈數(shù)為 4 圈，單圈彈簧剛度 mmNP 39。? ，則整根彈簧的剛度為 mmNK ?? 。 彈簧預(yù)壓縮量為 )( 241 mmKGS ??? 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，確定活塞行程 mmL 12? ，則彈簧力為 [7] ? ? ? ? )( 2 NLSKF t ??????? 液壓 缸的夾緊力為 ? ? ? ? )( 22222 NFPdDF t ?????????????? ???? 式中： D —— 活塞的直徑，單位為 mm ； d —— 活塞桿的直徑，單位為 mm ； P —— 液壓油 的工作壓力， 22108 mmNP ??? ； ? —— 效率系數(shù)，一般取 ?? ； tF —— 彈簧力，單位為 N 。 由于活塞桿為壓桿（只受壓力），所以可以按強度來檢驗活塞桿： PFd ????? 4 ??????????? ?????????? （ 312） ? ? SbP ?? ? ?????????????????????（ 313） 式中： F —— 液壓 缸的夾緊力，單位為 N ； b? —— 抗拉強度，單位為 MPa ； S —— 安全系數(shù)，一般大于 ，取 ?S ； ? ?P? —— 許用應(yīng)力，單位為 MPa 。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 39 活塞桿的材料為 45 鋼，其抗拉強度 MPab 560?? 。由公式（ 313）得許用應(yīng)力為 ? ? )( MP aP ??? 將上述參數(shù)代入公式（ 312）得 )( 2084 mmd ???? 而活塞桿直徑 mmd 32? ，所以 能夠 滿足要求。 4 主軸組件的 進(jìn)給運動部件 進(jìn)給電動機的選用 進(jìn)給電動機功率的估算 根據(jù)本課題的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在進(jìn)給部分中主要的機械傳動效率由聯(lián)軸器、滾珠軸承及滾動絲杠傳動組成。其中，聯(lián)軸器效率為 ，滾珠軸承效率為 ，滾動絲杠傳動效率為 。 總傳動效率： ? ?? ????? 3? [6] kWkWvFP fff 10204660000 ??????? ? 式中 ， fP —— 進(jìn)給傳動電動機功率 kW ； fF —— 進(jìn)給牽引力， N ； fv —— 進(jìn)給速度， minm ； ? —— 進(jìn)給傳動鏈的總機械效率 。 進(jìn)給電動機的選用 寬調(diào)速直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)特點是勵磁便于調(diào)整，易于安排補償繞組和換向極，電動機的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)速特性。當(dāng)然，寬調(diào)速直流伺服 電動機體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制 。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 40 日本法納克（ FANUC）公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機器人、 CNC 機床、加工中心（ MC）的 L 系列適合于在頻繁啟動、制動場合應(yīng)用。根據(jù)估算得出的電動機功率kWPf ? ，選用 FANUC 的 6L型電動機，其主要性能指標(biāo)如下： a) 輸出功率： ； 額定轉(zhuǎn)矩： mN? ； 最大轉(zhuǎn)矩： mN? ； 最高轉(zhuǎn)速： min2021r ； 轉(zhuǎn)子慣量： mkg? 。 聯(lián)軸器的 設(shè)計計算 (1) 類型選擇 為了隔離振動與沖擊，選用凸緣聯(lián)軸器。 (2) 載荷計算 已知進(jìn)給電動機的額定轉(zhuǎn)矩為 mN? 。根據(jù)工作機的轉(zhuǎn)矩是變化的，且沖擊載荷較大，原動機類型為電動機，由表 141[23]查得工作情況系數(shù) ?AK 。則計算轉(zhuǎn)矩為： )( mNTKT Aca ?????? (3) 型號選擇 選擇聯(lián)軸器時，聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩 要大于計算轉(zhuǎn)矩，許用最大轉(zhuǎn)速要大于電動機轉(zhuǎn)速。由 GB584386中查得 YL5 型凸緣聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為 mN?63 ，許用最大轉(zhuǎn)速為 min5500r ，適合于尺寸在 mm32~22 之間的軸頸。故能夠滿足要求。 垂直方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 切削力估算 由公式（ 31）得出切向銑削力 NF 2046?切 縱向切削力 [22] NNFFF X 1 62 0 4 ?????? 切縱 橫 向切削力 [22] NNFFF Y 8 4 12 0 4