【正文】 50 ? 按照結(jié)構(gòu)設計的要求，取 mml 336? 。 主軸受力分析 軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。圖示 為軸承在空間力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖 ）和水平面（圖）兩個平面力系。圖示 。 利用疊加法，得撓度為： ? ?alEIFaEIlF rB ??? 363 232? ………………………………………… （ ） 式中： vrF2 —— 徑向（切向）負荷分力，單位為 N ； F —— 徑向（切向）負荷，單位為 N ； E —— 材料的彈性模量， cmNE ?? ； I —— 軸慣性矩， 4cm 。將 rFF? ， vrr FF 22 ? 代入公式（ ），則鉛垂面的撓度為： ? ? 6 26 32 ??????? ????? ?? VrB F? 得 NF Vr ? ? ? ? ? 079832 5 3832 5 32 5 3 12 ????????? rVrVr FFF 得 NF Vr ? 0321 ???? rVrVrVr FFFF 得 NF Vr ?? 將 tFF? ， Hrr FF 22 ? 代入公式（ ），則水平面的撓度為： ? ? 6 26 32 ??????? ????? ?? HrB F? 得 NF Hr ? ? ? ? ? 079832 5 3832 5 32 5 3 12 ????????? tHrHr FFF 得 NF Hr ? 35 0321 ???? tHrHrHr FFFF 得 NF Hr ?? (a)機構(gòu)草圖 (b)受力簡圖 (c)水平面受力 (d)水平面彎矩圖 (g)合成彎矩圖 圖 軸的結(jié)構(gòu)和載荷圖 AB 段支承反力： 36 水平面： 0?ABXF 垂直面： 0?ABYF BC 段支承反力： 水平面： )( 5 43 NFF HrB C X ???? 垂直面： )( 3 23 NFF VrB C Y ???? CD 段支承反力： 水平面： )( 7 0 832 NFFF HrHrC D X ????? 垂直面： )( NFFF VrVrC D Y ????? DE 段支承反力： 水平面： )( 8 4 5 7 0 8 7321 NFFFF HrHrHrDE X ??????? 垂直面： )( NFFFF VrVrVrD E Y ??????? 軸的受力簡圖、水平面及垂直面受力簡圖見圖 、 c、 e。 已知：小帶輪的輸出功率為 ，同步帶的傳動效率 為 。 主軸的強度校核 從合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖上得知，主軸在截面 C、 D 處承受了較大的彎矩，并且還受到帶輪傳動所帶來的扭矩。在校核主軸的強度時應按彎扭合成強度條件進行計算。 軸的抗彎截面系數(shù)為 [23] ? ?43 132 ?? ??? dW 式中： d —— 軸頸處直徑，單位為 mm ； ? —— dd1?? ，此處， 1d 為軸孔直徑。按扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力，取折合系數(shù) ?? 。 主軸的剛度校核 軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。對于本課題的主軸，應該按軸的彎曲剛度校核。 py —— 軸的允許撓度，單位為 已知： NFt ? ， NFr ? ， 4205cmI ? ， cmNE ?? ，mmL 336? 。 綜上所述，軸的強度，剛度均符合校核要求。數(shù)控機床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn) 精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。在數(shù)控機床上主軸軸承常用的有滾動軸承和滑動軸承。滾動軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便，在數(shù)控機床上被廣泛采用。數(shù)控機床主軸組件在可能條件下，盡量使用了滾動軸承，特別 是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠作軸向移動的主軸。圖 。陶瓷滾珠軸承由于陶瓷材料的質(zhì)量輕，熱膨脹系散小，耐 高溫，所以具有離心小、動摩擦力小、預緊力穩(wěn)定、彈性變形小、剛度高的特點。 數(shù)控機床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。 41 表 數(shù)控機床的主軸軸承及其性能 [10] 性 能 滾動軸承 液體靜壓軸承 氣體靜壓軸承 磁力軸承 陶瓷軸承 旋轉(zhuǎn)精度 一般或較高，在預緊無間隙時較高 高，精度保持性好 一般 同滾動軸承 剛 度 一般或較高，預緊后較高，取決于所用軸 高， 與節(jié)流閥形式有關，薄膜反饋或滑閥反饋很高 較差，因空氣可壓縮，與承載力大小有關 不 及 一 般滾動軸承 比一般滾動軸承差 抗 振 性 較差，阻尼比 ~?? 好，阻尼比 ~?? 好 較好 同滾動軸承 速度性能 用于中、低速，特殊軸承可用于較高速 用于各級速度 用于超高速 用于高速 用于中、高速，熱傳導率低，不易發(fā)熱 摩擦損耗 較小， ~?? 小， ~?? 小 很小 同滾動軸承 壽 命 疲勞強度限制 長 長 長 較長 結(jié)構(gòu)尺寸 軸向小，徑向大 軸向大，徑向小 軸向大，徑向小 徑向大 軸向小，徑向大 制造難易 軸承生產(chǎn)專業(yè)化、標準化 自制，工藝要求高，需要供油設備 自制，工藝較液壓系統(tǒng)低，需要供氣系統(tǒng) 較復雜 比滾動軸承難 使用維護 簡單，用油脂潤滑 要求供油系統(tǒng)清潔，較難 要求供氣系統(tǒng)清潔，較易 較難 較難 成 本 低 較高 較高 高 較高 機床主軸軸承發(fā)展，經(jīng)歷了滾、陶、氣浮、磁浮等階段。由于陶瓷球具有高剛度、高硬度、低密度以及低熱脹和低導熱系數(shù)等特點，同時所用油脂為一次性，終身潤滑，大大地提高了滾動軸承的性能，所以被廣泛 42 采用。數(shù)控機床的轉(zhuǎn)速高，為減少主軸的發(fā)熱，必須改善軸承的潤滑方式 。 主軸軸承的配置 根據(jù)主軸部件的工作精度、剛度、溫升和結(jié)構(gòu)的復雜程度，合理配置軸承，可以提高主傳動系統(tǒng)的精度。 (a) (b) (c) (d) 圖 數(shù)控機床主軸軸承的配置形式 在圖 所示的配置中，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和 60186。 43 在圖 所示的配置形式中，前軸承采用角接觸球軸承，由 3~2 個軸承組成一套，背靠背安裝，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，這種配置適用于高速、重載的主軸部件。 在圖 所示的配置形式中，前支撐采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承，這種配置徑向和軸向的剛度高，可承受重載荷，尤其能承受較強的動載荷，安裝與調(diào)整性能好，但主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高受到限制，因此適用于中等精度，低速與重載荷的數(shù)控機床主軸 [15]。滾動軸承間隙的調(diào)整或預緊，通常是通過軸承內(nèi)、外圈的相對軸向移動來實現(xiàn)的。用螺母通過套筒推動內(nèi)圈在錐形軸頸上做軸向移動，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過盈，從而達到預緊的目的。 44 (a) (b) (c) (d) 圖 軸承的預緊形式 圖 結(jié)構(gòu)簡單，但預緊量不易控制，常用于輕載機床主軸部件。 圖 ，調(diào)整方便，但是用幾個螺釘調(diào)整。 圖 將緊靠軸承右端的墊圈做成兩個半環(huán)，可以徑向取出，修磨其厚度可控制預緊量的大小，調(diào)整精度較高 [15， 16]。圖 種修磨的形式。 圖 所示為外圍窄邊相對 (面對面 )安裝，這時修磨軸承外圈的窄邊。 另一種方法是將兩個厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個軸承軸向相對壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預緊，隔套調(diào)整法如圖 所示 [10]。 本課題采用陶瓷球軸承做主軸支撐，即用氮化硅材料 (Si3N4)做成陶瓷球來替代滾珠，軸承內(nèi)外套圈仍為 GCrl5鋼套圈。這種軸承在減小了離心力的同時，也減小了滾珠與該道間的摩擦力，從而獲得較低的溫升及較好 的高速性能 [20]。但是軸向負荷只能從一個方向施加。 由于加工中心在加工時不僅需要受到軸向力，還會受到一定的徑向力。而本課題的預緊方式采用隔套調(diào)整法及雙螺母預緊。因此 ,為了提高軸承的剛性 ,防止軸承在工作期間 因摩擦發(fā)熱而引起內(nèi)圈膨脹 ,導致內(nèi)圈與主軸之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動現(xiàn)象 , 精密機床主軸軸承內(nèi)圈與主軸之間一般選擇過盈配合。同時 ,為防止軸承外圈因熱膨脹引起與 47 軸承座之間的過緊現(xiàn)象 , 引起軸承預緊增加 ,導致摩擦發(fā)熱加劇 ,故軸承外圈與軸承座之間一般選擇間隙配合。為了提高機床的切削剛性，該軸承與主軸的配合采用過 盈配合 , 配合目標過盈量取 0～ 4μ m。與軸承座之間為間隙配合 ,配合目標間隙值取 9～ 15μ m[21]。從圖上可知，在 A、 B 兩處所用的是同種型號的角接觸球軸承，且 D 處的軸承是成對使用，共同承擔支承作用。 已知： NF Vr ? ， NF Vr ?? ， NF Hr ? ， NF Hr ?? 則軸承 7017AC 所受徑向合力為 )( 222222 NFFF Hrvrr ????? 軸承 7015AC所受徑向合力為 )( 222323 NFFF Hrvrr ????? 軸承 7017AC 壽命計算 軸承的工作年限為 7年（一年按 300 天計算），每天兩班工作制（按16h 計算），則軸承預期計算壽命為 )(3 3 6 0 0163 0 0739。由表 135[23]查得分界判斷系數(shù) ?e 。根據(jù)載荷性質(zhì)為中等沖擊，由表 136[23]查得載荷系數(shù)一般為 ~ ，取 ?Pf 。 查表 2242[5]得基本額定動 載荷 KNC ? 。10 ?? ，所以能夠滿足要求。 hL h ???? 49 已知軸承 7015AC 所受的軸向負荷 NFa ? ，徑向負荷NFr ? 。 ???? eFF ra 由表 135[23]查得徑向動載荷系數(shù) X=，軸向動載荷系數(shù) Y=。則軸承的當量動載荷為[23] ? ? ? ? )( 0 2 0 7 5 NFYFXfP arP ?????????? 查表 2242[5]得基本額定動載荷 KNC ? 。10 ?? ，所以能夠滿足要求。故設計功率為 [5]： KWKWPKP Ad ????? 式中： P —— 傳遞的功率， KW AK —— 載荷修正系數(shù) (2) 選定帶型和節(jié)距 根據(jù)設計功率 KWPd 11? ，小帶輪轉(zhuǎn)速 min60001 rn ? ，由圖 1312? [5]確定帶輪的帶 型為 H 型。 按照小帶輪齒數(shù) 301?Z ，同步帶的帶型為 H 型，由表 5612? [5]查得其外徑 mmda 1 ? (5) 大帶輪齒數(shù) 2Z 23000600021 ??? nni 式中： 1n —— 小帶輪轉(zhuǎn)速； 2n —— 大帶輪轉(zhuǎn)速。 按大帶輪齒數(shù) 602 ?Z ，同步帶帶型為 H 型，由表 5612? [5]查得其外徑mmda ? (7) 帶速 v 51 smvsmsmndv m a x11 ???? ???? ??? ? 式中： 1d —— 小帶輪節(jié)圓直徑； 1n —— 小帶輪轉(zhuǎn)速。 將 1d ， 2d 值代入公式（ ），得 mmamm 2 5 4 0 ?? 。 (9) 帶長及其齒數(shù) ? ? ? ?02122100 422 addddaL ???????? ? ? ? ? ? mm2554 2???????? ? 式中： 0L —— 帶長； 0a —— 初定軸間距； 1d —— 小帶輪節(jié)圓直徑； 2d —— 大帶輪節(jié)圓直徑。 (10) 實際軸間距 52 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。 (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 ? 。帶寬為： mmmmPK PbbZdss 00??????? 式中： ZK —— 嚙合齒數(shù)系數(shù) 0sb —— 同步帶的基準寬度， mm 53 按照帶寬 ?sb ，同步帶帶型為 H 型，由表 4812? [5]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 —— 作用在軸上的力； dP —— 設計功率； v —— 帶速。良好的潤滑效果可以降低軸承的工作溫