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【正文】 六、主軸結構設計 對主軸組件的性能要求 主軸組件是機床主要部件之一，它的性能對整機性能由很大的影響。主軸直接承受切削力，轉速范圍又很大，所以對主軸組件的主要性能特提出如下要求： ① 回轉精度 主軸組件的回轉精度，是指主軸的回轉精度。當主軸做回轉運動時，線速度為零的點的連線稱為主軸的回轉中心線。回轉中心線的空間位置，在理想的情況下應是固定不變。實際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉中心線的空間位置每一瞬間都是變化的，這些瞬時回轉中心線的平均空間位置成為理想回轉中心線。瞬時回轉中心線相對于理想回轉中心線在空間的位置距離，就是主軸的回轉誤差，而回轉 誤差的范圍，就是主軸的回轉精度。純徑向誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨存在。當徑向誤差和角度誤差同時存在時，構成徑向跳動，而軸向誤差和角度誤差同時存在構成端面跳動。由于主軸的回轉誤差一般都是一個空間旋轉矢量，它并不是所有的情況下都表示為被加工工件所得到的加工形狀。 主軸回轉精度的測量，一般分為三種：靜態(tài)測量、動態(tài)測量和間接測量。目前我國在生產(chǎn)中沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測量法，用一個精密的測量棒插入主軸錐孔中，使千分表觸頭觸及檢測棒圓柱表面，以低速轉動主軸進行測量。千分表最大和最小的讀數(shù)差即認為是主軸的徑向回轉誤 差。端面誤差一般以包括主軸所在平面內的直角坐標系的垂直坐標系的垂直度數(shù)據(jù)綜合表示。動態(tài)測量是用以標準球裝在主軸中心線上，與主軸同時旋轉；在工作態(tài)上安裝兩個互成 90186。角的非接觸傳感器，通過儀器記錄回轉情況。間接測量是用小的切削量加工有色金屬試件，然后在圓度儀上的測量試件的圓度來評價。出廠時，普通級加工中心的回轉精度用靜態(tài)測量法測量，當 L＝ 300mm 時允許誤差應小于 。造成主軸回轉誤差的原因主要是由于主軸的結構及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉零件的不平衡，在回轉時引起的激振力，也會 造成主軸的回轉誤差。因此加工中心的主軸不平衡量一般要控制在 。 ②剛度 主軸部件的剛度是指受外力作用時，主軸組件抵抗變形的能力。通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移時，在位移方向上所施加的作用力大小來表示。主軸組件的剛度越大，主軸受力變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其它力的作用下，主軸將產(chǎn)生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質量，還會破壞齒輪、軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸結構尺寸、支承跨距、軸承類型及配置型式、軸承間隙的調整、主軸上傳動元件的位置等有關 。 ③抗振性 主軸組件的抗振興是指切削加工時，主軸保持平穩(wěn)地運行而不發(fā)生振動的能力。主軸組件抗振興差，工作時容易產(chǎn)生，不僅降低加工質量，而且限制了機床生產(chǎn)率的提高，使刀具耐用度下降。提高主軸抗振興必須提高主軸組件的靜剛度，采用較大阻尼比的前軸承，以及在必要時安裝阻尼器。另外，使主軸的固有頻率遠遠大于激振力的頻率。 ④溫升 主軸組件在運轉中，溫升過高會引起兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱彭漲而變形，主軸的回轉中心線和機床其它組件的相對位置會發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會因溫度 過高而改變已調好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。嚴重時甚至會發(fā)生“抱軸”。數(shù)控機床一般采用恒溫主軸箱來解決恒溫問題。 ⑤耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以能長期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應該淬硬或氮化處理。主軸軸承也需有良好的潤滑，以提高耐磨性。 以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度和高速，高速與低溫升，高速與高精度等。這就要具體問題具體分析，例如設計高效數(shù)控機床的主軸組件時，主軸應滿足高速和高剛度的要 求；設計高精度數(shù)控機床時，主軸應滿足高剛度、低溫升的要求 [6]。 軸承配置型式 本課題中數(shù)控機床的轉速較高，卻要求徑向剛度好，所以軸承的配置型式選擇為剛度速度型 [13]。前軸承采用雙列角接觸球軸承，接觸角為 25? ，它們通過套筒背靠背配置，以減少主軸懸伸量。后軸承采用雙列短圓柱滾子軸承，以承受較大的傳動力。如下圖所示： 圖 主軸支承型式 主要參數(shù)的確定 主軸的主要參數(shù)是指：主軸平均直徑 D（或主軸前軸頸直徑 1D ）；主軸內孔直徑 d ；主軸懸伸量 a 和主軸支承跨距 l 。這些參數(shù)直接影響主軸的工作性能，但為簡化問題，主要是由靜剛度條件來確定這些參數(shù)，即選擇 D、 d、 a、 l 使主軸獲得最大靜剛度，同時兼顧其它要求，如高速性、抗振性等。 （ 1）主軸前軸頸直徑 1D 的確定 主軸平均直徑對主軸部件剛度影響較大。加大直徑 1D ，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸 軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而 提高主軸部 件剛度。但加大直徑受到軸承 dn 值的限制，同時造成相配零件尺寸加大、制造困難、結構龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應取較小值。 按車床主電動機功率來確定，由資料 [16]圖 － 83 可取。 （ 2）主軸內孔直徑 d 的確定 確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔頸要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應取較大值。 對于數(shù)控機床， / ??。 （ 3）主軸懸伸量 a 的確定 主軸懸伸量 a 是指主軸前端面到支承徑向反力作用中點的距離，它對主軸部件的剛度和抗振性影響很大。因此在滿足結構要求的前提下盡可能取小值。減小a 的常見措施有： ①盡量采用短錐法蘭式主軸端部結構。 ②推力軸承配置在前支承時，應安裝在徑向軸承的內側而不是外側。 ③合理設計前支承的調整結構和密封裝置形式。盡量采用主軸端部的法蘭盤和軸肩等構成密封裝置。 ④采用向心推力軸承來代替向心軸承 。成對安裝的圓錐滾子軸承，應采取滾錐小端相對的形式；成對安裝的向心推力軸承應采取背對背或面朝外的同方向排列形式。本課題中主軸前端的一對向心推力軸承正是采用這種安裝形式。 ⑤改變軸端工夾具的結構形式來減小 a 值 [16]。 （ 4）支承跨距 l 的確定 支承跨距 l 是指相鄰兩支承的支承反力作用點之間的距離。合理確定 l 是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。當 0ll? 時，主軸部件具有最大剛度， 0l即為主軸部件的最佳跨距。在具體設計時，往往由于結構上的限制而使 0ll? ，這就造成主軸部件的剛度損失。合理跨距 ( 5 )ratll??,通常取 0ratl l l??。因為 D、 a 一定時， l 越大，軸承的徑向跳動對主軸前端的徑向跳動影響越小，且加大 l 可較小振動。當需要 l 遠大于 0l 時，可采用三支承結構 [6]。 主軸頭的選用 如前文所述，采用短錐法蘭式主軸端部結構有利于減小主軸懸伸量 a 。本課題選用 B 型法蘭式主軸端部，代號為 6，其基本尺寸由資料 [16]表 － 31 可獲得。 總結與體會 主軸箱是機床的動力源將動力和運動傳遞給機床主軸的基本環(huán)節(jié)，其機構復雜而巧妙，這次設計的效果沒有預計 的輕松。由于在時間上拖了下來，而且所學的知識內容也很不理想。我接受的設計任務是對車床的主軸箱進行設計。主軸箱的結構繁多，我省去了很多細部結構。從這點讓我深深的體會到“科技是第一生產(chǎn)力”這句話的正確與嚴峻性。在設計中我們也遇到了其它許多棘手的問題，但是有問題就問，在設計過程中經(jīng)常去網(wǎng)上查資料，去圖書館找對應的專業(yè)書籍，并且書上看不懂的找導師去問，雖然所學知識有限，但最后還是實現(xiàn)設計的效果。 對于一次設計來說，總體安排很重要。這次設計由于總體安排剛開始的時候沒有很合理的制定，所以工作量的實際大小與工作的具體性質 不是很明確，以致在開始的幾周里沒有什么實質性的進展。在隨后的工作過程中我注意了這一點，經(jīng)常通宵熬夜，所以進度才勉強趕了上來，不過時間還是緊了點。對但最終我還是努力完成了設計任務。 畢業(yè)設計是本科學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的機會，通過這次比較完整的主傳動系統(tǒng)設計，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，和實際設計的結合鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)基礎知識，解決實際問題的能力。同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過 對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處 理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提 升。這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在。 致謝 詞 我的畢業(yè)設計論文一直是在導師夏重老師的悉心指導下進行的。夏老師教學態(tài)度嚴謹， 學識淵博，為人和藹可親。并且在整個畢業(yè)設計過程中，不斷對我得到的結論進行指導，并提出新的問題，使得我的畢業(yè)設計課題能夠深入地進行下去， 也使我接觸到了許多理論和實際上的新問題，使我做了許多有益的思考。在此表示誠摯的感謝和由衷的敬意。也是夏老師在我時 間緊迫的時候給我緊迫感，讓我深深的明白時間的寶貴性 夏老師在機械設計方面具有豐富的實踐經(jīng)驗，對我的設計給予了不少的指導和幫助，使我能夠將理論中的結果與實際相結合。另外，他對待問題的嚴謹作風也給我留下了深刻的印象。在此表示深深的謝意。盡管我是第一次設計，難免遇到許多比較低級的問題，夏老師卻都極其耐心地予以解答，在此表示深深的謝意。謹此向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意 . 最后，再次對關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝 參考文獻 ： [1]. 《機械設計手冊》第三 版第二卷 成大先主編 化學工業(yè)出版社 [2]. 《實用機床設計手冊》 李洪主編 遼寧科學技術出版社 [3]. 《現(xiàn)代金屬切削機床概論》 賈亞州主編 機械工業(yè)出版社 [4]. 《機械傳動裝置設計手冊》 卜炎主編 機械工業(yè)出版社 [5]. 《機械零件設計手冊》 吳宗澤主編 機械工業(yè)出版社 [6]. 《機械設機師手冊》 吳宗澤主編 機械工業(yè)出版社 [7]. 《實用機械傳動設計手冊》 姚振浦主編 科學技術出版社 [8]. 《機械工程師手冊》 趙明生主編 機械工業(yè)出版社 [9]. 《現(xiàn)代數(shù) 控機床》 王愛玲主編 國防工業(yè)出版社 [10]. 《數(shù)控機床加工工藝編程技術與維護維修實用手冊》 席子杰主編 吉林電子出版社