【正文】 碳鋼（如45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時(shí)，或者精密機(jī)床主軸需要減少熱處理后的變形時(shí)，或者軸向移動的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮選用合金鋼。主軸的剛度與材料的彈性模量E值有關(guān)，鋼的E值較大（10N/cm左右），所以，主軸材料首先考慮用鋼料。其特點(diǎn)是：主軸端面上有四個(gè)螺孔，用來固定和傳遞扭矩給刀具。它的形狀決定于機(jī)床的類型、安裝夾具或刀具的形式，并應(yīng)保證夾具或刀具安裝可靠、定位準(zhǔn)確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。此次設(shè)計(jì)的主軸，也設(shè)計(jì)成階梯形，同時(shí)，在滿足剛度要求的前提下，設(shè)計(jì)成空心軸，以便通過刀具拉桿。主軸的結(jié)構(gòu)主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位的方法，同時(shí)還要考慮主軸加工和裝配的工藝性，一般在機(jī)床主軸上裝有較多的零件，為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設(shè)計(jì)成階梯軸，即軸徑從前軸頸起向后依次遞減。其中前支承的雙列圓柱滾子軸承，滾子直徑小，數(shù)量多（50—60個(gè)），具有較高的剛度；兩列滾子交錯(cuò)布置，減少了剛度的變化量；外圈無擋邊，加工方便；軸承內(nèi)孔為錐孔，錐度為1：12，軸向移動內(nèi)圈使之徑向變形，調(diào)整徑向間隙和預(yù)緊；黃銅實(shí)體保持架，利于軸承散熱。在中速和大載荷情況下，采用圓錐滾子軸承要比采用向心軸承和推力軸承組合配置型式成本低，因?yàn)榍罢吖?jié)省了兩個(gè)軸承，而且箱體工藝性較好。對于軸間距很小的多主軸機(jī)床，由于結(jié)構(gòu)限制，宜采用滾針軸承來承受徑向載荷，用推力球軸承來承受軸向載荷，并使兩軸承錯(cuò)開排列。采用前端定位時(shí)，主軸受熱變形向后延伸，不影響軸向定位精度，但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整軸承間隙較不便，前支承處發(fā)熱量較大；后端定位的特點(diǎn)與前述的相反；兩端定位時(shí)，主軸受熱伸長后，軸承軸向間隙的改變較大，若止推軸承布置在徑向軸承內(nèi)側(cè)，主軸可能因熱膨脹而彎曲。因此，應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)速和承載能力兩方面要求來選擇軸承型式。在承受徑向載荷的軸承當(dāng)中，圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速，比圓錐滾子軸承的高。低速時(shí)形不成油漠，無承載能力適應(yīng)于各種轉(zhuǎn)速摩擦功耗一般較小，潤滑調(diào)整不當(dāng)時(shí)則較大f=～較小f=～本身功耗小，但有相當(dāng)大的泵功耗f=～噪 聲較大無噪聲本身無噪聲，泵有噪聲壽 命受疲勞強(qiáng)度限制在不頻繁啟動時(shí)，壽命較長本身壽命無限，但供油系統(tǒng)的壽命有限（2）適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求由于結(jié)構(gòu)和制造方面的原因，不同型號和規(guī)格的軸承所允許的最高轉(zhuǎn)速是不同的。可在無隙或預(yù)加載荷下工作。因?yàn)榍爸С袆偠葘χ鬏S組件剛度的影響要比后支承的大。同一支承中采用多個(gè)軸承的支承剛度和承載能力，比采用單個(gè)軸承的大。徑向載荷較大時(shí)，可選用滾子軸承；較小時(shí)，可選用球軸承。兩支承主軸軸承的配置型式，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據(jù)對所設(shè)計(jì)主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求，并考慮軸承的供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性等具體情況，加以確定。主軸組件的設(shè)計(jì)，必須保證滿足上述的基本要求，從而從全局出發(fā)，考慮主軸組件的布局。因此，主軸組件各個(gè)滑動表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動軸承配合的軸頸表面，移動式主軸套筒外圓表面等，都必須具有很高的硬度，以保證其耐磨性。影響主軸組件溫升、熱變形的主要因素有：軸承的類型和布置方式，軸承間隙及預(yù)緊力的大小，潤滑方式和散熱條件等。熱變形應(yīng)以主軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后各部分位置的變化來度量。評價(jià)主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動和自激振動能力的大小。如果主軸組件的抗振性差，工作時(shí)容易產(chǎn)生振動，從而影響工件的表面質(zhì)量，降低刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會產(chǎn)生噪聲影響工作環(huán)境。 抗振性主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。顯然，主軸組件的剛度越高，主 圖21 主軸的旋轉(zhuǎn)誤差軸受力后的變形就越小，如若剛度不足，在加工精度方面，主軸前端彈性變形直接影響著工件的精度；在傳動質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動齒輪的嚙合狀況，并使軸承產(chǎn)生側(cè)邊壓力，從而使這些零件的磨損加劇，壽命縮短；在工件平穩(wěn)性方面，將使主軸在變化的切削力和傳動力等作用下，產(chǎn)生過大的受迫振動，并容易引起切削自激振動，降低了工件的平穩(wěn)性。 剛度主軸組件的剛度K是指其在承受外載荷時(shí)抵抗變形的能力，如圖22所示，即K=F/y（單位為N/m），剛度的倒數(shù)y/F稱為柔度。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各主要件（如主軸、軸承及支承座孔等）的制造精度和裝配、調(diào)整精度；運(yùn)動精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能和潤滑以及主軸部件的動態(tài)特性。如圖21所示：圖中實(shí)線表示理想的旋轉(zhuǎn)軸線，虛線表示實(shí)際的旋轉(zhuǎn)軸線。主軸和一般傳動軸的相同點(diǎn)是，兩者都傳遞運(yùn)動、扭矩并承受傳動力，都要保證傳動件和支承的正常工件條件，但主軸直接承受切削力，還要帶動工件或刀具，實(shí)現(xiàn)表面成形運(yùn)動，因此對主軸有較高的要求。2 主軸組件要求與設(shè)計(jì)計(jì)算主軸組件是機(jī)床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)，完成表面成形運(yùn)動，同時(shí)還起傳遞運(yùn)動和扭矩、承受切削力和驅(qū)動力等載荷的作用。查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》第41頁，可知：進(jìn)給驅(qū)動電動機(jī)功率取決于進(jìn)給的有效功率和傳動件的機(jī)械效率，即：N=式中： N—進(jìn)給驅(qū)動電動機(jī)功率(KW) Q —進(jìn)給抗力(N) V—進(jìn)給速度(m/min)η—進(jìn)給傳動系統(tǒng)的總機(jī)械效率(～)粗略計(jì)算時(shí)，可根據(jù)進(jìn)給傳動與主傳動所需功率之比值來估算進(jìn)給驅(qū)動電機(jī)功率。a—每齒進(jìn)給量，a=Z—轉(zhuǎn)數(shù)級數(shù)，取Z=4則銑削力的大小為：F=904110=（2）切削功率的計(jì)算根據(jù)《機(jī)械制造工藝金屬機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》第72頁，可得切削功率公式為：P===（3）估算電動機(jī)功率根據(jù)《機(jī)械制造工藝金屬機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》第72頁，有P===式中：η—主傳動系統(tǒng)的機(jī)械效率，回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)床η=～。即：n=56， n=100, n=180, n=315 (r/min)—主運(yùn)動驅(qū)動電動機(jī)功率的確定（1）切削力的計(jì)算由前面已知，本次設(shè)計(jì)的組合機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速為n=315r/min，則此時(shí)的切削速度為：V===200m/min由此可見，切削速度滿足要求。（1）主軸最高，最低轉(zhuǎn)速按照典型工序的切削速度和刀具(或工件)直徑、計(jì)算主軸最高轉(zhuǎn)速n、最低轉(zhuǎn)速n。 運(yùn)動參數(shù) 機(jī)床的運(yùn)動參數(shù)包括主運(yùn)動轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍、進(jìn)給量范圍、進(jìn)給量數(shù)列以及空行程速度等。根據(jù)《組合機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》第132～133頁，選擇銑削切削用量。查《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》～,(此為雙邊加工)。機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)包括主參數(shù)和基本參數(shù)，基本參數(shù)又包括尺寸參數(shù)，運(yùn)動參數(shù)，動力參數(shù)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的組合機(jī)床的工藝方法是，用一把端銑刀直接進(jìn)行加工。此方案的優(yōu)點(diǎn)是各部件均是針對減荷閥體設(shè)計(jì)的，因此，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，生產(chǎn)率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定。 機(jī)床總體布局機(jī)床的總體布局指確定機(jī)床的組成部件之間的相對位置及相對運(yùn)動關(guān)系。對于VF6/7型空壓機(jī)減荷閥體，用車床進(jìn)行車削加工時(shí)，由于減荷閥體外形復(fù)雜，且為殼類零件，不宜裝夾在車床主軸上進(jìn)行加工，裝夾穩(wěn)定性也不高；用刨床進(jìn)行刨削加工時(shí)，機(jī)床需要兩個(gè)運(yùn)動，機(jī)床和刀具結(jié)構(gòu)簡單，裝夾在工件臺上快速，穩(wěn)固，但生產(chǎn)率低，加工精度也達(dá)不到工件要求；用端銑刀進(jìn)行銑削加工時(shí)，生產(chǎn)率不僅提高了，也能滿足工件所要求的加工精度，且裝夾快速，方便。 圖11 減荷閥體簡圖硬質(zhì)合金端銑刀，刀齒材料為YG6，銑刀盤直徑為φ75～110，刀具齒數(shù)Z=4。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一臺組合機(jī)床，用于加工VF6/7型空壓機(jī)減荷閥體的兩側(cè)面，工件材料為HT200，硬度為190～210HB,生產(chǎn)批量為大批量，鑄造毛坯。因此，在擬定總體方案的過程中，必須全面地、周密地考慮，使所定方案技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。2 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)機(jī)床的第一步，是確定總體方案。首先，對機(jī)床進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定總體方案后得到機(jī)床總體布局圖；再著重進(jìn)行主軸組件的設(shè)計(jì)，其中包括主軸的設(shè)計(jì)、支承的選取、主軸軸向移動機(jī)構(gòu)和主軸鎖緊機(jī)構(gòu)等的設(shè)計(jì)。組合機(jī)床未來的發(fā)展將更多的采用調(diào)速電動機(jī)和滾珠絲杠等傳動，以簡化結(jié)構(gòu)、縮短生產(chǎn)節(jié)拍；采用數(shù)字控制系統(tǒng)和主軸箱、夾具自動更換系統(tǒng)，以提高工藝可調(diào)性；以及納入柔性制造系統(tǒng)等。為了使組合機(jī)床能在中小批量生產(chǎn)中得到應(yīng)用，往往需要應(yīng)用成組技術(shù)，把結(jié)構(gòu)和工藝相似的零件集中在一臺組合機(jī)床上加工，以提高機(jī)床的利用率。動力部件是為組合機(jī)床提供主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的部件。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶使用和維修，1953年美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機(jī)床制造廠協(xié)商，確定了組合機(jī)床通用部件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，即嚴(yán)格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，但對部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。最早的組合機(jī)床是1911年在美國制成的，用于加工汽車零件。專用機(jī)床是隨著汽車工業(yè)的興起而發(fā)展起來的。加工時(shí)，工件一般不旋轉(zhuǎn)，由刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和刀具與工件的相對進(jìn)給運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)鉆孔、擴(kuò)孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、銑削平面、切削內(nèi)外螺紋以及加工外圓和端面等。因此，組合機(jī)床兼有低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用以組成自動生產(chǎn)線。它一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。組合機(jī)床未來的發(fā)展將更多的采用調(diào)速電動機(jī)和滾珠絲杠等傳動，以簡化結(jié)構(gòu)、縮短生產(chǎn)節(jié)拍；采用數(shù)字控制系統(tǒng)和主軸箱、夾具自動更