【正文】 嚴(yán)重下降（ 2）加工的工件的質(zhì)量難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（ 3）在數(shù)控床的外部，會(huì)有雜質(zhì)進(jìn)入主軸部件內(nèi)部，也會(huì)加大零部件的磨損。 主軸軸承的潤滑 主軸潤滑會(huì)減少主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的摩擦、帶走熱量，降低主軸的摩擦損失和受熱變形的程度。油氣潤滑就是在一定時(shí)間間隔給主軸潤滑系統(tǒng)添加一定量的油霧。 由于主軸前端速度較高，導(dǎo)致發(fā)熱比較多，所以采用油潤滑，在潤滑時(shí)也起冷卻的作用；為了防止油液外漏，后端采用的是脂潤滑。 選擇滾動(dòng)軸承的密封方法必須考慮到潤滑劑的種類、工作環(huán)境、 溫度、密封表面的圓周速度。 前端軸承為角接觸球軸承，轉(zhuǎn)速較高，采用油潤滑，為防止油液甩出，此處采用了迷宮式密封，如圖 28 所示；后端軸承用脂潤滑，此處用非接觸式密封中的迷宮式密封，如圖 29 所示利用其節(jié)流的作用達(dá)到密封的效果，且間隙中充滿著潤滑脂，密封效果更好。主軸要求具有較好的剛度，在主軸部件的 連接處還要有足夠的硬度抵抗零件對其的磨損，而且主軸切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，所以要求主軸能夠抗熱變形。 主軸的材料 數(shù)控車床具有較高的加工準(zhǔn)確度，這對主軸的剛度要求比較苛刻，而主軸的剛度則取決于使用材料的性能，彈性模量可以很好的描述材料的剛性。常用的鋼材有優(yōu)質(zhì)合金鋼，其中 45 號鋼最為典型，對于精度要求較高的主軸可以考慮合金結(jié)構(gòu)鋼（比如 40Cr ）。 主軸的熱處理 數(shù)控車床的主軸在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要承受工件重量與主軸的自重，在支承端要具有高的接觸強(qiáng)度和耐磨性。于是可以對主軸進(jìn)行局部熱處理 ，本設(shè)計(jì)在上述的材料選擇部分已經(jīng)說明，采用40Cr 作為主軸材料。 XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 3 電機(jī)的選擇 伺服電機(jī)的選擇 機(jī)床切削需要穩(wěn)定的動(dòng)力源，動(dòng)力源的性能好壞將直接影響機(jī)床的整體性能。電機(jī)作為動(dòng)力源，有利于主軸的控制，且動(dòng)力平穩(wěn)，已經(jīng)成為機(jī)床的主流動(dòng)力源。以下逐步進(jìn)行計(jì)算與電機(jī)選型。交流電動(dòng)機(jī)有可以區(qū)分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。 國內(nèi)廣泛使用的 伺服電動(dòng)機(jī)主要是德國的倫茨、西門子公司和日本的三菱電機(jī)、發(fā)那科公司等國外產(chǎn)品。電機(jī)的選擇采用試算法，現(xiàn)初步假設(shè)如下參數(shù)，如表 31 所示。 2p22c FFFF f ??? ,方向如圖 31 所示 圖 31 切削合力和分解 計(jì)算切削力的具體公式是： ccc c D F c p FF k A K k a fK?? 式（ ） 式中 ck ——單位面積切削力； cFK ——切削條件修正系數(shù)。因?yàn)?PF 方向沒有位移，所以不消耗功率。 根據(jù)式（ ）機(jī)床電動(dòng)機(jī)的扭矩估算為： 6 239 .5 5 1 0 1 1 4 4 0 41920T N m m? ? ? 電機(jī)型號的確定 最終采用電機(jī)型號為：西門子 1 71 63 7 03 0 0PH HF C A?? 1 71 63 7 03 0 0PH HF C A??的 實(shí)際參數(shù)如表 32 所示。 XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 4 同步帶和帶輪的選型和計(jì)算 同步帶的選 型和計(jì)算 同步帶的簡介 同步帶（也可以稱為同步齒形帶）是以鋼絲為抗拉體，外面包覆橡膠或聚氨酯。因?yàn)閹c帶輪無相對滑動(dòng)，能保持兩輪的圓周速度同步，所以稱為同步帶。 同步帶的工作原理：在傳輸同步帶，兩側(cè)梯形齒只能使用和同步帶輪的牙齒相同，所以我們可以通過皮帶和皮帶輪的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)旋轉(zhuǎn)扭 矩傳遞到同步帶，應(yīng)該依靠同步帶傳遞轉(zhuǎn)矩張力。同步帶的缺點(diǎn)：（ 1）帶與帶輪價(jià)格較高；（ 2）安裝、制造要求高。為了使設(shè)計(jì)的數(shù)控車床具有較長的工作潛力，設(shè)定每天工作 8 小時(shí)以上，并以此作為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。 表 41 工況系數(shù) AK 工作機(jī) 原動(dòng)機(jī) 工作時(shí)間（ h/日） 3? 5 8? 10 16? 24 帶式輸送機(jī)，烘干機(jī)，杠車床 ，帶鋸，篩選機(jī) 液體攪拌機(jī)，鉆床，車床，龍門刨床，造紙機(jī) 牛頭刨床，磨床，銑床，鉆鏜床，紡織機(jī)械 XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 由表 41 可以確定數(shù)控車床的工況系數(shù) ?AK ，并代入式（ ）則可以求出設(shè)計(jì)功率 30 1. 6 48dP kw? ? ?。同步帶按其齒形的不同，有梯形齒形帶和圓弧形齒形帶兩種，本設(shè)計(jì)使用的是梯形齒形帶。 圖 43 梯形齒同步帶選型圖 同步帶輪的選型和計(jì)算 同步帶輪直徑確定 同步帶與同步輪嚙合實(shí)現(xiàn)同步傳動(dòng)，對應(yīng)與同步 帶，同步輪的參數(shù)也有要求。首先確定小帶輪的節(jié)徑 1d ，其有計(jì)算公式如下： ?/11 zpd b? 式 （ ） 式中 1p ——同步帶的節(jié)距（ mm）； 1z ——小帶輪的齒數(shù)。在安裝方便和帶速滿足條件的前提下要盡量選擇齒數(shù)大的帶輪。 各類型的同步帶的帶速要求不同，具體的帶速范圍可以參考《機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊》，其標(biāo)準(zhǔn)如表 43 所示。聯(lián)立式（ ）和式（ ），通過公式變形，可以得到小帶輪的齒數(shù)與最大帶速的關(guān)系如下： 1 0 0)/(1 0 0 060 1m a x1 ????? bpnvz 根據(jù)上式結(jié)果，選取小帶輪的齒數(shù) 241?z ，則 mm./πzpd d 029711 ?? 。 同步帶輪中心距的確定 同步輪之間的距離需要進(jìn)行初選與校核，距離過大則會(huì)導(dǎo)致皮帶振動(dòng)，傳動(dòng)不平穩(wěn)。 根據(jù)選定的中心距，由式（ ），進(jìn)一步初選帶的節(jié)線長度。由圖 44，可 選擇最接近計(jì)算結(jié)果的同步 帶規(guī)格 500H ，其齒數(shù)為 100，節(jié)線長 pL 為 。 同步帶帶寬距確定 數(shù)控車床需要通過同步帶將電機(jī)的功率傳遞給主軸，所以要有適當(dāng)?shù)膸挘拍芸煽康膫鬟f動(dòng)力。小帶輪的嚙合齒數(shù)有如下的計(jì)算公式： )](22/[122 11 zzazpze ntz bm ??? ? 式 () 代入?yún)?shù)，求得 611??mz 。 表 45 梯形齒形帶的基準(zhǔn)寬度和許用工作拉力及其質(zhì)量 型號 MXL XXL XL L H XH XXH 基準(zhǔn) 寬度mmbs /0 許用工作拉力NTa/ 27 31 帶的質(zhì)量)//( mkgm 查 表 得， 基 準(zhǔn)寬 度 ?sb ， 許 用工 作 拉力 NTa ? , 單 位 長度 質(zhì) 量mkgm /? ，代入式 （ 47） ，計(jì)算得： kwP 0 0 0/) 1 0 0( 20 ????? 。 表 46 小帶輪的嚙合齒數(shù)系數(shù) zK mz ≥ 6 5 4 3 2 ZK 再結(jié)合帶寬標(biāo)準(zhǔn)，選擇帶寬為 。其中反支承力主要來源于主軸的自重以及工件重量，由于在支撐上不是理想的分布，主軸會(huì)受到彎矩的作用產(chǎn)生形變。主軸的穩(wěn)定性取決于支承與支承間的跨距以及主軸的懸伸量。主軸的主要參數(shù)是：主軸的端部結(jié)構(gòu)、主軸直徑、主軸內(nèi)孔直徑和主軸懸伸量。其結(jié)構(gòu)形狀由機(jī)床類型及夾具或刀具的形狀而定，同時(shí)應(yīng)使之能保證卡盤和刀具的定位準(zhǔn)確、安裝牢固、 裝卸方便，能夠傳遞到足夠的扭矩，并且有利于減少主軸端部的懸伸量長度。 根據(jù) GB/T ——1997 和 GB/——1997，A 型主軸有可以細(xì)分為 1A 和 2A ，數(shù)控車床選用 1A 。 圖 51 數(shù)控車床主軸的端面結(jié)構(gòu)示意圖 主軸直徑的確定 主軸直徑關(guān)系到主軸的剛度，直徑越大的主軸其剛性，可以提高車數(shù)控車床的性能。數(shù)控車床可以借鑒通用機(jī)床的設(shè)計(jì)原則與經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》關(guān)于 通用機(jī)床的主軸前軸頸的直徑設(shè)計(jì)尺寸，如表 51 所示，大致對數(shù)控車床的主軸直徑進(jìn)行取值。 表 52 通車床主軸前軸頸直徑 1D 和主參數(shù) maxD 的關(guān)系 max /D mm 250200 004153 500 0001306 mmD/1 10D ? max ?D max ?D max ?D 由前文所述最大加 工直徑 max 220D mm? ，經(jīng)過計(jì)算得 1 m a 10 110D D mm? ? ?，由圖 52 選擇代號為 8的 1A 型主軸端部結(jié)構(gòu)。確定孔徑 d 應(yīng)該遵循的基本原則是：考慮到減輕主軸重量，在滿足上述工藝要求及不削弱主軸剛度的前提下，儘量取較大值。主軸孔徑越大，主軸部件的相對重量就越輕，主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。 考慮到主軸剛度，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》，主軸內(nèi)孔直徑有下列的關(guān)系式： 普通車床 ~?Dd ； 半自動(dòng)車床 ~?Dd 。從理論分析和實(shí)際測試來看，主軸懸伸量 a 值越小越能提高主軸部件的剛度，所以確定主軸懸伸量 a 的方法是：在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，盡可能去較小值。 圖 53 主軸懸伸量與前軸頸直徑之比 主軸跨距的確定 支承跨距是指主軸相鄰兩支承的支反力作用點(diǎn)之間的距離。 主軸軸端受力后，軸端的彈性變形 y 由 1y 、 2y兩部分構(gòu)成，如圖 54 所示。 支承跨距越小，則主軸的彎曲變形越小，主軸端部的變形位移也將隨之越小，但是主軸支承的彈性變形所引起的主軸端部變形位移會(huì)越大， 所以要綜合選定主軸的支承跨距，而不是一味的選擇較小的值，一般情況下選定 al )~2(? ，根據(jù)上述的 a 的取值為 70mm ，初步取 3 210l a mm?? 。其中在后支承 A 處和前支承 B 處的力可以分解到水平和垂直方向上，主軸所受的切削力可以等效為 cF 和 CM 的共同作用。 首先大致計(jì)算出主軸的自重，外徑為 140mm，內(nèi)孔直徑為 91mm，長約為 500mm， NgVP 4801000/???????? ? NvPd 460010Q 3 ??? ① 在垂直平面內(nèi)： 0F??? , 0cyy ?????? FFPFQ BA 式（ ） AM0? ?? ， y14 0 17 5 21 0 49 0 0BcQ P F F? ? ? ? 式（ ） 聯(lián)立兩式，解得 ? ， ? 。 主軸的 校核 由作出的彎矩圖可得 22 654A A x A yM F F? ? ?， 22 628B B x B yM F F N m? ? ? ?。 數(shù)控車床主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到對稱循環(huán)彎應(yīng)力和脈動(dòng)循環(huán)剪應(yīng)力。 ? ? ? ?122 4 ???? ?? 式 （ ） 式中 ? ——彎曲應(yīng)力； ? ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。其中 ? 取值如表 61 所示。 數(shù)控車床不僅需要滿足強(qiáng)度要求，而且剛度也要達(dá)到要求，主要對主軸的扭角進(jìn)行校XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 核，扭轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式如 （ ） 所 示。 代入式（ ）求得 ? ?449 18 0 55 1. 8 0. 01 50. 13 1 0 .680 1032? ???? ? ??? ? ? 對于精密機(jī)床主軸單位長度的扭轉(zhuǎn)角滿足： ? ? ~?? ，所以主軸滿足剛度要求。如 71 軸 承結(jié)構(gòu)，內(nèi)圈裝在軸上，外圈裝在機(jī)座或零件的軸承孔內(nèi)。保持架的作用是把滾動(dòng)體均勻的隔開。通常用含鉻合金鋼制造，經(jīng)過熱處理后硬度可以達(dá)到 61 65HRC? ，工作表面須經(jīng)過磨削和拋光。 滾動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)是：啟動(dòng)相對靈敏，摩 擦阻力 潤滑較小，通常都是簡單的，高效的和易用。滾動(dòng)軸承的缺點(diǎn)是：高速容易產(chǎn)生噪音，抗衝擊能力相對較弱，沒有滑動(dòng)軸承的工作壽命長。但在較大的載荷，使軸承滾道和滾動(dòng)接觸體的塑性變形（滾道表面變形坑），并在運(yùn)行過程中，會(huì)造成嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲的軸承，使軸承不能正常工作。滾動(dòng)體與滾動(dòng)接觸表面的不同應(yīng)力的影響。跳動(dòng) 的接觸力中反復(fù)，在表面的局部產(chǎn)生疲勞裂縫，裂縫逐步擴(kuò)展，表層金屬片和在表面形成凹坑金屬。 滾動(dòng)軸承的選擇 按照滾動(dòng)體形狀的不同，滾動(dòng)軸承可以劃分為滾子軸承和球軸承。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不同，各類軸承的使用性能也有所不同，現(xiàn)舉例說XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 明如下圖 72 所示： XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 32 圖 72 常用滾動(dòng)軸承的類型和性能特點(diǎn) 主軸軸承承受徑向載荷，還 要承受軸向載荷，角接觸球軸承可承受徑向載荷，並能承受一定的軸向載荷。接觸球軸承中的軸向位移，相對外環(huán)，可以調(diào)整預(yù)緊間隙和高速主軸軸承。因此，為了使角接觸向心軸承的內(nèi)部軸向力得到平衡，以免軸向竄動(dòng)，一般成對使用，對稱安裝。因此，目前機(jī)床主軸軸承取 4P (SP )級的越來越多， 6P (舊 E )級軸承在機(jī)床主軸上用得已較少了。所以，一些高精度的軸承應(yīng)選擇之前，通常要經(jīng)過高精度軸承比。 XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 圖 73 主軸軸承精度 主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度受軸承的精度的影響，當(dāng)精度越高時(shí)，各滾動(dòng)體受力也越均勻，剛度、抗振性和壽命也提高，磨損減少。 滾動(dòng)軸承的校核 根據(jù)軸承的受力分析，已知軸承載荷 1 1000rFN? , 2 2060rFN? , 880AFN? ,轉(zhuǎn)速1920 / minnr? ，運(yùn)轉(zhuǎn)中受中等沖擊，預(yù)期壽命 2021hLh?