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【正文】 六、主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)主軸組件的性能要求 主軸組件是機(jī)床主要部件之一，它的性能對(duì)整機(jī)性能由很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對(duì)主軸組件的主要性能特提出如下要求： ① 回轉(zhuǎn)精度 主軸組件的回轉(zhuǎn)精度，是指主軸的回轉(zhuǎn)精度。當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)速度為零的點(diǎn)的連線(xiàn)稱(chēng)為主軸的回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)?；剞D(zhuǎn)中心線(xiàn)的空間位置，在理想的情況下應(yīng)是固定不變。實(shí)際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的空間位置每一瞬間都是變化的，這些瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的平均空間位置成為理想回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)。瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)在空間的位置距離，就是主軸的回轉(zhuǎn)誤差，而回轉(zhuǎn) 誤差的范圍，就是主軸的回轉(zhuǎn)精度。純徑向誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨(dú)存在。當(dāng)徑向誤差和角度誤差同時(shí)存在時(shí)，構(gòu)成徑向跳動(dòng)，而軸向誤差和角度誤差同時(shí)存在構(gòu)成端面跳動(dòng)。由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)精度的測(cè)量，一般分為三種：靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量和間接測(cè)量。目前我國(guó)在生產(chǎn)中沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量法，用一個(gè)精密的測(cè)量棒插入主軸錐孔中，使千分表觸頭觸及檢測(cè)棒圓柱表面，以低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸進(jìn)行測(cè)量。千分表最大和最小的讀數(shù)差即認(rèn)為是主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤 差。端面誤差一般以包括主軸所在平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系的垂直坐標(biāo)系的垂直度數(shù)據(jù)綜合表示。動(dòng)態(tài)測(cè)量是用以標(biāo)準(zhǔn)球裝在主軸中心線(xiàn)上，與主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)；在工作態(tài)上安裝兩個(gè)互成 90186。角的非接觸傳感器，通過(guò)儀器記錄回轉(zhuǎn)情況。間接測(cè)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(cè)量試件的圓度來(lái)評(píng)價(jià)。出廠(chǎng)時(shí)，普通級(jí)加工中心的回轉(zhuǎn)精度用靜態(tài)測(cè)量法測(cè)量，當(dāng) L＝ 300mm 時(shí)允許誤差應(yīng)小于 。造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的原因主要是由于主軸的結(jié)構(gòu)及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉(zhuǎn)零件的不平衡，在回轉(zhuǎn)時(shí)引起的激振力，也會(huì) 造成主軸的回轉(zhuǎn)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(shí)，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(shí)，在位移方向上所施加的作用力大小來(lái)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(zhì)量，還會(huì)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(jié)構(gòu)尺寸、支承跨距、軸承類(lèi)型及配置型式、軸承間隙的調(diào)整、主軸上傳動(dòng)元件的位置等有關(guān) 。 ③抗振性 主軸組件的抗振興是指切削加工時(shí)，主軸保持平穩(wěn)地運(yùn)行而不發(fā)生振動(dòng)的能力。主軸組件抗振興差，工作時(shí)容易產(chǎn)生，不僅降低加工質(zhì)量，而且限制了機(jī)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(shí)安裝阻尼器。另外，使主軸的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率。 ④溫升 主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)中，溫升過(guò)高會(huì)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(zhuǎn)中心線(xiàn)和機(jī)床其它組件的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會(huì)因溫度 過(guò)高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤(rùn)滑條件，影響軸承的正常工作。嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生“抱軸”。數(shù)控機(jī)床一般采用恒溫主軸箱來(lái)解決恒溫問(wèn)題。 ⑤耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以能長(zhǎng)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(dòng)式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬或氮化處理。主軸軸承也需有良好的潤(rùn)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(wèn)題具體分析，例如設(shè)計(jì)高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件時(shí)，主軸應(yīng)滿(mǎn)足高速和高剛度的要 求；設(shè)計(jì)高精度數(shù)控機(jī)床時(shí)，主軸應(yīng)滿(mǎn)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(jī)床的轉(zhuǎn)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(guò)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(dòng)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(nèi)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(jiǎn)化問(wèn)題，主要是由靜剛度條件來(lái)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(shí)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(duì)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(shí)造成相配零件尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿(mǎn)足剛度要求下應(yīng)取較小值。 按車(chē)床主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定，由資料 [16]圖 － 83 可取。 （ 2）主軸內(nèi)孔直徑 d 的確定 確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿(mǎn)足對(duì)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(yīng)取較大值。 對(duì)于數(shù)控機(jī)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(diǎn)的距離，它對(duì)主軸部件的剛度和抗振性影響很大。因此在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值。減小a 的常見(jiàn)措施有： ①盡量采用短錐法蘭式主軸端部結(jié)構(gòu)。 ②推力軸承配置在前支承時(shí)，應(yīng)安裝在徑向軸承的內(nèi)側(cè)而不是外側(cè)。 ③合理設(shè)計(jì)前支承的調(diào)整結(jié)構(gòu)和密封裝置形式。盡量采用主軸端部的法蘭盤(pán)和軸肩等構(gòu)成密封裝置。 ④采用向心推力軸承來(lái)代替向心軸承 。成對(duì)安裝的圓錐滾子軸承，應(yīng)采取滾錐小端相對(duì)的形式；成對(duì)安裝的向心推力軸承應(yīng)采取背對(duì)背或面朝外的同方向排列形式。本課題中主軸前端的一對(duì)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(jié)構(gòu)形式來(lái)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(diǎn)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(dāng) 0ll? 時(shí)，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(shè)計(jì)時(shí)，往往由于結(jié)構(gòu)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?yàn)?D、 a 一定時(shí)， l 越大，軸承的徑向跳動(dòng)對(duì)主軸前端的徑向跳動(dòng)影響越小，且加大 l 可較小振動(dòng)。當(dāng)需要 l 遠(yuǎn)大于 0l 時(shí)，可采用三支承結(jié)構(gòu) [6]。 主軸頭的選用 如前文所述，采用短錐法蘭式主軸端部結(jié)構(gòu)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(hào)為 6，其基本尺寸由資料 [16]表 － 31 可獲得。 總結(jié)與體會(huì) 主軸箱是機(jī)床的動(dòng)力源將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給機(jī)床主軸的基本環(huán)節(jié)，其機(jī)構(gòu)復(fù)雜而巧妙，這次設(shè)計(jì)的效果沒(méi)有預(yù)計(jì) 的輕松。由于在時(shí)間上拖了下來(lái)，而且所學(xué)的知識(shí)內(nèi)容也很不理想。我接受的設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)車(chē)床的主軸箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。主軸箱的結(jié)構(gòu)繁多，我省去了很多細(xì)部結(jié)構(gòu)。從這點(diǎn)讓我深深的體會(huì)到“科技是第一生產(chǎn)力”這句話(huà)的正確與嚴(yán)峻性。在設(shè)計(jì)中我們也遇到了其它許多棘手的問(wèn)題，但是有問(wèn)題就問(wèn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常去網(wǎng)上查資料，去圖書(shū)館找對(duì)應(yīng)的專(zhuān)業(yè)書(shū)籍，并且書(shū)上看不懂的找導(dǎo)師去問(wèn)，雖然所學(xué)知識(shí)有限，但最后還是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的效果。 對(duì)于一次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，總體安排很重要。這次設(shè)計(jì)由于總體安排剛開(kāi)始的時(shí)候沒(méi)有很合理的制定，所以工作量的實(shí)際大小與工作的具體性質(zhì) 不是很明確，以致在開(kāi)始的幾周里沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。在隨后的工作過(guò)程中我注意了這一點(diǎn)，經(jīng)常通宵熬夜，所以進(jìn)度才勉強(qiáng)趕了上來(lái)，不過(guò)時(shí)間還是緊了點(diǎn)。對(duì)但最終我還是努力完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過(guò)這次比較完整的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專(zhuān)業(yè)能力水平，而且通過(guò) 對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處 理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)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(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。 致謝 詞 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一直是在導(dǎo)師夏重老師的悉心指導(dǎo)下進(jìn)行的。夏老師教學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)， 學(xué)識(shí)淵博，為人和藹可親。并且在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不斷對(duì)我得到的結(jié)論進(jìn)行指導(dǎo)，并提出新的問(wèn)題，使得我的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題能夠深入地進(jìn)行下去， 也使我接觸到了許多理論和實(shí)際上的新問(wèn)題，使我做了許多有益的思考。在此表示誠(chéng)摯的感謝和由衷的敬意。也是夏老師在我時(shí) 間緊迫的時(shí)候給我緊迫感，讓我深深的明白時(shí)間的寶貴性 夏老師在機(jī)械設(shè)計(jì)方面具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我的設(shè)計(jì)給予了不少的指導(dǎo)和幫助，使我能夠?qū)⒗碚撝械慕Y(jié)果與實(shí)際相結(jié)合。另外，他對(duì)待問(wèn)題的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)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(shè)計(jì)，難免遇到許多比較低級(jí)的問(wèn)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(jǐn)此向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意 . 最后，再次對(duì)關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝 參考文獻(xiàn) ： [1]. 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三 版第二卷 成大先主編 化學(xué)工業(yè)出版社 [2]. 《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》 李洪主編 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 [3]. 《現(xiàn)代金屬切削機(jī)床概論》 賈亞州主編 機(jī)械工業(yè)出版社 [4]. 《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)》 卜炎主編 機(jī)械工業(yè)出版社 [5]. 《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》 吳宗澤主編 機(jī)械工業(yè)出版社 [6]. 《機(jī)械設(shè)機(jī)師手冊(cè)》 吳宗澤主編 機(jī)械工業(yè)出版社 [7]. 《實(shí)用機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 姚振浦主編 科學(xué)技術(shù)出版社 [8]. 《機(jī)械工程師手冊(cè)》 趙明生主編 機(jī)械工業(yè)出版社 [9]. 《現(xiàn)代數(shù) 控機(jī)床》 王愛(ài)玲主編 國(guó)防工業(yè)出版社 [10]. 《數(shù)控機(jī)床加工工藝編程技術(shù)與維護(hù)維修實(shí)用手冊(cè)》 席子杰主編 吉林電子出版社