【導(dǎo)讀】組合機床，是由大量的通用部件和少量專用部件組成的工序集中的高效率機床。首先針對所要加工的零件入手，對機。床進行總體方案設(shè)計，進而確定機床的總體布局，隨后，對主軸組件進行設(shè)計。節(jié)機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)等）所有零件的設(shè)計。

　　

【正文】 0～ 90 60～ 95 75～ 100 90～ 105 100～ 115 外圓磨床 — 50～ 90 55～ 70 70～ 80 75～ 90 75～ 100 主軸前后支承軸承的選擇 主軸前支承軸承的選擇 根據(jù)前述關(guān)于軸承的選擇原則，查《金屬切削機床設(shè)計簡明手冊》第 375 頁，選取主軸前支承的雙列向心短圓柱滾子軸承型號為 3182116。其中， d=80， D=125， B=34， D1 =91，D2 =117， D3 =117， r=1。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 24 所示： 圖 24 雙列向心短圓柱滾子軸承（ GB28587）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸 再查《金屬切削機床設(shè)計簡明手冊》第 365 頁，選取主軸前支承的推力球軸軸承型號為 8其中， d=75， d1 =， D=110， H=27, D1 =86, D2 =99， rg =1。具體結(jié)構(gòu)參 主軸組件的計算 16 數(shù)如圖 25所示： 主軸后支承軸承的選擇 查《金屬切削機床設(shè)計簡明手冊》第 368頁，選取主軸后支承的圓柱滾子軸承型號為 2213。其中： d=65， D=120， B=23， D1 =77， D2 =110， rg =。 具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 26所示： 主軸內(nèi)孔直徑 該組合機床用于銑削加工，其主軸需有一通過銑刀拉桿的孔，該主軸內(nèi)孔直徑應(yīng)取在一定范圍內(nèi)，才不致影響主軸剛度。一般，主軸內(nèi)孔直徑受到主軸后軸頸的直徑所限制。 圖 25 推力球軸承（ GB30184）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸 圖 26 圓柱滾子軸承（ GB28387）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸 由材料力學(xué)可知，剛度 K正比于截面慣性矩 I，它與直徑之間有下列關(guān)系： 實空KK =實空II = 64/ 64/)( 4 44D dD?? ? =1（ Dd ） 4 =1? 4 根據(jù)此式可得：當 ? 時，空心與實心截面主軸的剛度很接近；當 ? = 時，空四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 心主軸的剛度為實心主軸剛度的 90%，對剛度影響不大； ? ≥ 時，則主軸剛度急劇下降，故一般應(yīng)使 ? ，即 d。 由以上分析可得： d D2 = 65= 考慮到此組合機床主軸為銑削主軸，銑刀拉桿的直徑比較小，故可將 ? 取小些，即取 ? =，即： d D2 = 65= 將其圓整， d最后取為 ? 30。 主軸前端懸伸量 主軸前端懸伸量 a指的是主軸前支承支反力的作用點到主軸前端受力作用點之間的距離，它對主軸組件剛度的影響較大。懸伸量越小，主軸組件剛度越好。 主軸前端懸伸量 a取決于主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，一般應(yīng)按標準選取，有時為了提高主軸剛度或定心精度，也可不按標準取。 另外，主軸前端懸伸量 a還與前支承中軸承的類型及組合型式、工件或夾具的夾緊方式以及前支承的潤滑與密封裝置的結(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān)。 因此，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前 提下，應(yīng)盡可能減小懸伸量 a，以利于提高主軸組件的剛度。 初算時，可查《金屬切削機床設(shè)計》第 158 頁表 514，如下表 24所示： 表 24 主軸的懸伸量與直徑之比 類 型 機 床 和 主 軸 的 類 型 a/ D1 Ⅰ 通用和精密車床，自動車床和短主軸端銑床，用滾動軸承支承，適用于高精度和普通精度要求 ～ Ⅱ 中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸量不太長（不是細長）的精密鏜床和內(nèi)圓磨，用滾動和滑動軸承支承，適用于絕大部分普通生產(chǎn)的要求 ～ Ⅲ 孔加工機床，專用加工細長深孔的機床，由加工技術(shù)決定需要有長的懸伸刀桿或主軸可移動，由于切削較重而不適用于有高精度要求的機床 根據(jù)上表所列，所設(shè)計的組合機床屬于Ⅱ型，所以取 a/ D1 為 ～ ，即： a=（ ～ ） D1 =（ ～ ） 80=100～ 200 初取 a=120。 主軸結(jié)構(gòu)圖 18 主軸支承跨距 主軸支承跨距 L是指主軸前、后支承支承反力作用點之間的距離。 合理確定主軸 支承跨距，可提高主軸部件的靜剛度?？梢宰C明，支承跨距越小，主軸自身的剛度越大，彎曲變形越小，但支承的變形引起的主軸前端的位移量將增大；支承跨距大，支承的變形引起的主軸前端的位移量較小，但主軸本身的彎曲變形將增大?？梢姡С锌缇噙^大或過小都會降低主軸部件的剛度。 有關(guān)資料對合理跨距選擇的推薦值可作參考： （ 1） L合理 =（ 4～ 5） D1 ； （ 2） L合理 =（ 3～ 5） a，用于懸伸長度較小 時； （ 3） L合理 =（ 1～ 2） a，用于懸伸長度較大時。 根據(jù)此次設(shè)計的組合機床剛性主軸的懸伸量較大，取 L合理 ≤ 為宜。即此次設(shè)計的主軸兩支承的合理跨距 L合理 ≤ = 120=300 初取 L=280。 主軸結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)以上的分析計算，可初步得出主軸的結(jié)構(gòu)如圖 27所示： 錐度7:24圖 27 主 軸 結(jié) 構(gòu) 圖 主軸組件的驗算 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 主軸在工作中的受力情況嚴重，而允許的變形則很微小，決定主軸尺寸的基本因素是所允許的變形的大小，因此主軸的計算主要是剛度的驗算，與一般軸著重于強度的情況不一樣。通常能滿足剛度要求的主軸也能滿足強度的要求。 剛度乃是載荷與彈性變形的比值。當載荷一定時，剛度與彈性變形成反比。因此，算出彈性變形量后，很容易得到靜剛度。主軸組件的彈性變形計算包括：主軸端部撓度和主軸傾角的計算。 主軸端部撓度 主軸端部撓度直接影響加工精度和表面粗糙度，因此必須加以限制，一般計算主軸端部最大撓度 max? 。 支承的簡化 對于兩支承主軸，若每個支承中僅有一個單列或雙列滾動軸承，或者有兩個單列球軸承，則可將主軸組件簡化為簡支梁，如下圖 28所示；若前支承有兩個以上滾動軸承， 圖 28 主軸組件簡化為簡支梁 可認為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為固定端梁，如下圖 29 所示： 圖 29 主軸組件簡化為固定端梁 此次設(shè)計的主軸，前支承選用了一個雙列向心短 圓柱滾子軸承和兩個推力球軸承作為支承，即可認為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為上圖 29所示。 主軸組件的驗算 20 主軸的撓度 查《材料力學(xué) I》第 188 頁的表 ，對圖 29 作更進一步的分析，如下圖 210 所示： 根據(jù)圖 210，可得此時的最大撓度 maxB? = EIFl33 其中， F— 主軸前端受力。此處， F=FZ = l— A、 B之間的距離。此處， l=a=12cm FBθ 圖 210 固定端梁在載荷作用下的變形 E— 主軸材料的彈性模量。 45 鋼的 E= 107 N/cm2 I— 主軸截面的平均慣性矩。當主軸平均直徑為 D，內(nèi)孔直徑為 d 時， I= 64 )( 44 dD ?? 。此處， D= 2128128? =133 故可計算出，主軸端部的最大撓度： maxB? = 104? mm 主軸傾角 主軸上安裝主軸和安裝傳動齒輪處的傾角，稱為主軸的傾角。此次設(shè)計的主軸主要考慮主軸前支承處的傾角。若安裝軸承處的傾角太大，會破壞軸承的正常工作，縮短軸承的使用壽命。 根據(jù)圖 210，可得此時的最大傾角 B? = EIFl22 其中， 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 21 F— 主軸前端受力。此處， F=FZ = l— A、 B之間的距離。此 處， l=a=12cm E— 主軸材料的彈性模量。 45 鋼的 E= 107 N/cm2 I— 主軸截面的平均慣性矩。當主軸平均直徑為 D，內(nèi)孔直徑為 d 時， I= 64 )( 44 dD ?? 。此處， D=2128128?=133 故可計算出，主軸傾角為： B? = 106 rad 查《組合機床設(shè) 計》第一冊中機械部分的第 670 頁，可知： 當 x最大 ≤ mm 最大? ≤ rad 時，剛性主軸的剛度滿足要求。 此處的 x最大 ， 最大? 即為最大撓度和最大傾角， L為主軸支承跨距。 將已知數(shù)據(jù) maxB? 和 B? 代入，即可得： 初步設(shè)計的主軸滿足剛度要求 。 主軸組件的潤滑和密封 主軸軸承的潤滑 潤滑的作用是降低摩擦，減小溫升，并與密封裝置在一起，保護軸承不受外物的磨損和防止腐蝕。潤滑劑和潤滑方式?jīng)Q定于軸承的類型、速度和工作負荷。如果選擇得合適，可以降低軸承的工作溫度和延長使用期限。 滾動軸承可以用潤滑油或潤滑脂來潤滑。試驗證明，在速度較低時，用潤滑脂比用潤滑油溫升低。所以，此次設(shè)計的主軸支承均采用潤滑脂。同時，主軸是裝在主軸套筒內(nèi)的，為防止使用潤滑油時泄漏，也應(yīng)采用潤滑脂潤滑。 加潤滑脂時，應(yīng)該注意潤滑脂的充填量不能過多，不能把軸承的空 間填滿，否則會引起過高的發(fā)熱，并使?jié)櫥刍鞒龆鴲夯瘽櫥Ч? 主軸組件的密封 密封對主軸組件的工作性能與潤滑影響也較大。機床主軸密封不好，將使?jié)櫥瑒┩饬鳎斐衫速M，加速零件的磨損，還會嚴重地影響到工作環(huán)境及機床的外觀。 主軸組件的潤滑和 密封 22 主軸組件密封裝置的功用 密封裝置的功用是：防止?jié)櫥瑒闹鬏S組件及傳動部件中泄漏，從而避免浪費，保護工作環(huán)境，防止冷卻液及雜物（如灰塵、臟物、水氣和切屑等）從外面進入部件內(nèi)，以減少機床零件的腐蝕及磨損，延長其使用壽命。 對主軸組件密封裝置的要求 對主軸組件密封裝置的要求是：在一定的壓力、溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能；由密封裝置所形成的摩擦力應(yīng)盡量小，摩擦系數(shù)應(yīng)盡量穩(wěn)定；耐腐蝕、磨損小、工作壽命長，磨損后，在一定程度上能自動補償；結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便。對具體的主軸組件及傳動部件，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇有效而又經(jīng)濟密封裝置。 主軸組件密封裝置的類型 主軸組件密封裝置的類型，主要有以下幾種：具有彈性元件的接觸式密封裝置；皮碗（油封）式密封裝置；具有金屬和石墨元件的接觸式密封裝置；擋油圈式和螺旋溝式密封裝置；圈形間隙式、油溝式和迷宮式密封裝置；立式 主軸的密封裝置等。 主軸組件密封裝置的選擇 選用密封裝置時，應(yīng)考慮到主軸組件的下列具體工作條件：密封處主軸頸的線速度；所用潤滑劑的種類及其物理化學(xué)性質(zhì)；主軸組件的工作溫度；周圍介質(zhì)的情況；主軸組件的結(jié)構(gòu)特點；密封裝置的主要用途等。 綜合考慮上述因素，主軸前支承處，為了更好地防止外界的灰塵屑末等雜物進入，故考慮選用迷宮式密封，形成一條長而曲曲折折的通道，徑向尺寸不超過 ，中填潤滑脂，軸向尺寸不超過 。 查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》第 87頁表 717，可得此次選用的迷宮式密封裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖 211所示： 圖 211 迷宮式密封裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù) 其中， d=80， D=130， e=1 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 23 主軸組件中相關(guān)部件 軸肩擋圈 前支承雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承之間所用的擋圈，可查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》第 56 頁表 51，可得此次選用的擋圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖 212 所示： 圖 212 軸肩擋圈的結(jié)構(gòu)參數(shù) 其中， D=95， d=80， H=6 擋圈 兩推力球之間用的擋圈為非標準件，徑向尺 寸依主軸套筒尺寸而定，軸向尺寸可初取為 6mm。 圓螺母 鎖緊靠主軸后支承一邊的推力球軸承以及鎖緊兩推力球軸承內(nèi)的套筒，分別采用兩個圓螺母，為了增加可靠性，再加一止動螺釘。圓螺母具體的參數(shù)可查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》第 60頁表 56，結(jié)構(gòu)如下圖 213所示：