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沈陽建筑大學(xué)
畢業(yè)論文
畢 業(yè) 論 文 題 目 精密萬能工具磨床主軸頭及其進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué)院專業(yè)班級
學(xué) 生 姓 名 楊帥 性別
指 導(dǎo) 教 師 張麗秀 職稱 副 教 授
年 月 日
58
摘 要
本次設(shè)計(jì)是對萬能工具磨床裝置的設(shè)計(jì)。在這里主要包括: 皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、水平進(jìn)給機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條件。
整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力通過聯(lián)軸器將需要的動(dòng)力傳遞到帶輪上，帶輪帶動(dòng)主軸頭，從而帶動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本論文研究內(nèi)容：
(1) 萬能工具磨床裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(2) 萬能工具磨床裝置工作性能分析。
(3)電動(dòng)機(jī)的選擇。
(4) 萬能工具磨床裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行部件設(shè)計(jì)。
(5)對設(shè)計(jì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析和校核。
(6)繪制整機(jī)裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計(jì)零件的零件圖。
關(guān)鍵詞：萬能工具磨床裝置； 聯(lián)軸器；滾珠絲杠
Abstract
This design is the design of universal tool grinder device. Here mainly includes: system design, belt drive system of the horizontal feed mechanism and a lifting mechanism on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and for general mechanical design to create certain conditions.
The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the belt wheel, belt wheel drives the main shaft, which drives the machine movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.
The research of this thesis:
(1) universal tool grinder device structure design.
(2) analysis of universal tool grinder device performance.
(3) the choice of motor.
(4) the design of transmission system, executive components of universal tool grinder device.
(5) the design of components for the design calculation and check.
(6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.
Key words： universal tool grinder, coupling, ball screw
目 錄
第1章 緒 論 1
1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 2
1.3 設(shè)計(jì)意義 2
第2章 總體設(shè)計(jì)方案 3
2.1 設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 3
2.1.1 M-40萬能刀具磨床主軸頭設(shè)計(jì) 3
2.1.2 M-40型萬能工具磨床砂輪頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3
2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3
第3章 工具磨床主軸系統(tǒng)及其帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 6
3.1 主軸的基本要求 6
3.2 主軸組件的布局 8
3.3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 11
3.4 主軸的材料與熱處理 11
3.5 主軸的技術(shù)要求 12
3.6 主軸直徑的選擇 13
3.7 主軸前后軸承的選擇 13
3.8 軸承的選型及校核 14
3.9 主軸前端懸伸量 16
3.10 主軸支承跨距 17
3.11 主軸結(jié)構(gòu)圖 18
3.12 主軸組件的驗(yàn)算 18
3.13 帶傳動(dòng)計(jì)算 21
3.13.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 21
3.13.2 選擇帶型 22
3.13.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)證帶速 22
3.13.4 確定中心距離、帶的基準(zhǔn)長度并驗(yàn)算小輪包角 23
3.13.5 確定帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 24
第4章 工具磨床主軸相關(guān)部件 26
4.1 主軸軸承的潤滑 26
4.2 主軸組件的密封 26
4.2.1 主軸組件密封裝置的類型 26
4.2.2 主軸組件密封裝置的選擇 26
4.3 軸肩擋圈 27
4.4 擋圈 27
4.5 圓螺母 27
第5章 水平進(jìn)給結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 29
5.1 水平滾珠絲桿副的選擇 29
5.2 校核 32
5.3 電機(jī)的選擇 35
第6章 升降進(jìn)給機(jī)構(gòu)的計(jì)算 38
6.1 電機(jī)計(jì)算 38
6.2 齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算 40
6.3 升降方向運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件的計(jì)算 44
6.4 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 51
總 結(jié) 54
參考文獻(xiàn) 55
致 謝 56
第1章 緒 論
1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)人類社會(huì)最偉大的科技成果是計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進(jìn)步。自從1952年美國第１臺(tái)數(shù)控銑床問世至今已經(jīng)歷了50個(gè)年頭。
數(shù)控設(shè)備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專機(jī)，形成龐大的數(shù)控制造設(shè)備家族，每年全世界的產(chǎn)量有10～20萬臺(tái)，產(chǎn)值上百億美元。 世界制造業(yè)在20世紀(jì)末的十幾年中經(jīng)歷了幾次反復(fù)，曾一度幾乎快成為夕陽工業(yè)，所以美國人首先提出了要振興現(xiàn)代制造業(yè)。90年代的全世界數(shù)控機(jī)床制造業(yè)都經(jīng)過重大改組。如美國、德國等幾大制造商都經(jīng)過較大變動(dòng)，從90年代初開始已出現(xiàn)明顯的回升，在全世界制造業(yè)形成新的技術(shù)更新浪潮。如德國機(jī)床行業(yè)從2000年至今已接受３個(gè)月以后的訂貨合同，生產(chǎn)任務(wù)飽滿。
我國數(shù)控機(jī)床制造業(yè)在80年代曾有過高速發(fā)展的階段，許多機(jī)床廠從傳統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型。但總的來說，技術(shù)水平不高，質(zhì)量不佳，所以在90年代初期面臨國家經(jīng)濟(jì)由計(jì)劃性經(jīng)濟(jì)向市場經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)移調(diào)整，經(jīng)歷了幾年最困難的蕭條時(shí)期，那時(shí)生產(chǎn)能力降到50％，庫存超過４個(gè)月。從1995年“九五”以后國家從擴(kuò)大內(nèi)需啟動(dòng)機(jī)床市場，加強(qiáng)限制進(jìn)口數(shù)控設(shè)備的審批，投資重點(diǎn)支持關(guān)鍵數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)攻關(guān)，對數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)起到了很大的促進(jìn)作用，尤其是在1999年以后，國家向國防工業(yè)及關(guān)鍵民用工業(yè)部門投入大量技改資金，使數(shù)控設(shè)備制造市場一派繁榮。從2000年８月份的上海數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)和2001年４月北京國際機(jī)床展覽會(huì)上，也可以看到多品種產(chǎn)品的繁榮景象。
數(shù)控技術(shù)經(jīng)過50年的２個(gè)階段和６代的發(fā)展： 第１階段：硬件數(shù)控（NC） 第１代：1952年的電子管 第２代：1959年晶體管分離元件 第３代：1965年的小規(guī)模集成電路。第２階段：軟件數(shù)控（CNC） 第４代：1970年的小型計(jì)算機(jī) 第５代：1974年的微處理器 第６代：1990年基于個(gè)人PC機(jī)（PC-BASEO） 第６代的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要有：
（１） 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達(dá)到５萬小時(shí)以上；
（2） 提供了開放式基礎(chǔ)，可供利用的軟、硬件資源豐富，使數(shù)控功能擴(kuò)展到很寬的領(lǐng)域（如CAD、CAM、CAPP，連接網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、攝影機(jī)等）；
（3） 對數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化了硬件。 目前，國際上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠是日本FANUC公司，１年生產(chǎn)５萬套以上系統(tǒng)，占世界市場約40％左右，其次是德國的西門子公司約占15％以上，再次是德海德漢爾，西班牙發(fā)格，意大利菲亞，法國的ＮＵＭ，日本的三菱、安川。
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢
隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動(dòng)化磨床等方向發(fā)展[4]，如用于超精密磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達(dá)0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá)400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為40－60m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復(fù)定位精度≤±1μm的機(jī)床已越來越多；從主軸轉(zhuǎn)速來看，8.2kw主軸達(dá)60000r/min，13kw達(dá)42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。
北京第二機(jī)床廠引進(jìn)日本豐田工機(jī)公司先進(jìn)技術(shù)并與之合作生產(chǎn)的GA（P）62－63數(shù)控外圓/數(shù)控端面外圓磨床，砂輪架采用原裝進(jìn)口，砂輪線速度可達(dá)60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動(dòng)靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn)精度，采用日本豐田工機(jī)公司GC32－ECNC磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二軸（X和Z）到四軸（X、Z、U和W）控制。
此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī)系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。
1.3 設(shè)計(jì)意義
此畢業(yè)設(shè)計(jì)題目來源于生產(chǎn)實(shí)際，由于刀具是工裝的重要組成部分，它對于生產(chǎn)的順利進(jìn)行及生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的精度保證起著至關(guān)重要的作用。因此，設(shè)計(jì)一種高精度的萬能工具磨床具有較大的實(shí)用價(jià)值。
本設(shè)計(jì)的主要完成對確定萬能工件頭的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)的縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)大范圍角度調(diào)整的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
第2章 總體設(shè)計(jì)方案
2.1 設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)
2.1.1 M-40萬能刀具磨床主軸頭設(shè)計(jì)
主軸頭即為砂輪頭，砂輪的轉(zhuǎn)速最高達(dá)6200rpm。主軸功率0.75kw。并實(shí)現(xiàn)三級變速。砂輪頭在水平面上可360度旋轉(zhuǎn)，并可在垂直面上作30度（±15度）的上下傾斜。
2.1.2 M-40型萬能工具磨床砂輪頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
其功能要求實(shí)現(xiàn)升降及前后的移動(dòng)。要求砂輪前后移動(dòng)距離250mm，砂輪升降移動(dòng)距離250mm
設(shè)計(jì)中需要查閱大量的文獻(xiàn)資料，并需要翻譯與畢業(yè)設(shè)計(jì)題目相關(guān)的外文資料，從而達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生外語應(yīng)用能力的目的。設(shè)計(jì)中需要采用CAD繪圖、WORD排版設(shè)計(jì)說明書，能夠提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。
2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一般來講，普通萬能工具磨床的數(shù)控設(shè)計(jì)主要有兩部分，一是設(shè)計(jì)一套簡易微機(jī)數(shù)控工作臺(tái)，固定在萬能工具磨床的工作臺(tái)上。二是將控制上、下運(yùn)動(dòng)的手柄拆去，改用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)通上下運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)只對工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。取萬能工具磨床步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖，步進(jìn)電機(jī)的步距角0.9°。
方案
⑴ 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。數(shù)控萬能工具磨床在工作臺(tái)移動(dòng)過程中頭并不進(jìn)行孔加工，因此數(shù)控裝置可采用點(diǎn)位控制方式。對點(diǎn)位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。?
(2) 伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達(dá)到較高水平的基本問題，但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會(huì)積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。并且步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統(tǒng)中，增加了位置檢測、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在普通立式萬能工具磨床上進(jìn)行設(shè)計(jì)，精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。?
(3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定?
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝配時(shí)，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
①盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌等。
②盡量消除傳動(dòng)間隙。如步進(jìn)電機(jī)上的傳動(dòng)齒輪采用偏心軸套式消隙結(jié)構(gòu)。?
③縮短傳動(dòng)鏈?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動(dòng)副，絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動(dòng)剛度。萬能工具磨床傳動(dòng)采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。
(4) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇
計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般由微機(jī)部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路等幾部分所組成。在簡易數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用8位微處理器的微型計(jì)算機(jī)。如何采用Z80CPU或MCS-51單片機(jī)組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。
Z80CPU有芯片價(jià)廉，通用性強(qiáng)，維修方便等特點(diǎn)。MCS-51單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快和很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)。通過比較，對于簡易數(shù)控機(jī)床推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。
微機(jī)數(shù)控的萬能工具磨床。由于萬能工具磨床的運(yùn)動(dòng)部件重量，因此選用有預(yù)加載荷的滾珠導(dǎo)軌。采用滾動(dòng)導(dǎo)軌可減小兩個(gè)相對運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)。考慮到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率0.01mm要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。
綜上所述，本文總體方案確定為：采用MCS-51單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件的縱向、橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為了防止意外事故，保護(hù)微機(jī)及其它設(shè)備，還設(shè)置報(bào)警，急停電路等，
第3章 工具磨床主軸系統(tǒng)及其帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
主軸組件是工具磨床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)，完成表面成形運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還起傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩、承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到工具磨床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，因此它是工具磨床中的一個(gè)關(guān)鍵組件。
主軸和一般傳動(dòng)軸的相同點(diǎn)是，兩者都傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩并承受傳動(dòng)力，都要保證傳動(dòng)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(dòng)工件或刀具，實(shí)現(xiàn)表面成形運(yùn)動(dòng)，因此對主軸有較高的要求。
3.1 主軸的基本要求
3.1.1 旋轉(zhuǎn)精度
主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在手動(dòng)或低速、空載時(shí)，主軸前端定位面的徑向跳動(dòng)△r、端面跳動(dòng)△a和軸向竄動(dòng)值△o。如圖3-1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。當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的漂移量即為運(yùn)動(dòng)精度。
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(dòng)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(dòng)態(tài)特性。各類通用工具磨床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在工具磨床精度標(biāo)準(zhǔn)中作了規(guī)定，專用工具磨床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度則根據(jù)工件精度要求確定。
圖3-1主軸的旋轉(zhuǎn)誤差
3.1.2 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2-2所示，即K=F/y（單位為N/m），剛度的倒數(shù)y/F稱為柔度。主軸組件的剛度，是主軸、軸承和支承座的剛度的綜合反映，它直接影響主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。顯然，主軸組件的剛度越高，主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(dòng)質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動(dòng)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(dòng)力等作用下，產(chǎn)生過大的受迫振動(dòng)，并容易引起切削自激振動(dòng)，降低了工件的平穩(wěn)性。
圖3-2主軸組件靜剛度
主軸組件的剛度是綜合剛度，影響主軸組件剛度的因素很多，主要有：主軸的結(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動(dòng)件的布置方式、主軸組件的制造與裝配質(zhì)量等。
3.1.3 抗振性
主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)而保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。在切削過程中，主軸組件不僅受靜載荷的作用，同時(shí)也受沖擊載荷和交變載荷的作用，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)。如果主軸組件的抗振性差，工作時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，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(huì)產(chǎn)生噪聲影響工作環(huán)境。隨著工具磨床向高精度、高效率方向發(fā)展，對抗振性要求越來越高。
評價(jià)主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)能力的大小。
3.1.4 溫升和熱變形
主軸組件工作時(shí)因各種相對運(yùn)動(dòng)處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生了溫升，溫升使主軸組件的形狀和位置發(fā)生畸變，稱為熱變形。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。
主軸組件溫升和熱變形，使工具磨床各部件間相對位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度工具磨床尤為嚴(yán)重；熱變形造成主軸彎曲，使傳動(dòng)齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞；熱變形還使主軸和軸承，軸承與支承座之間已調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承正常工作，間隙過小將加速齒輪和軸承等零件的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生軸承抱軸現(xiàn)象。
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。
3.1.5 耐磨性
主軸組件的耐磨性是指長期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主軸組件各個(gè)滑動(dòng)表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動(dòng)軸承配合的軸頸表面，移動(dòng)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。
為了提高主軸組件的耐磨性，應(yīng)該正確地選用主軸和滑動(dòng)軸承的材料及熱處理方法、潤滑方式，合理調(diào)整軸承間隙，良好的潤滑和可靠的密封。
3.2 主軸組件的布局
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。
工具磨床主軸有前、后兩個(gè)支承和前、中、后三個(gè)支承兩種，以前者較多見。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。在選擇時(shí)，具體有以下要求：
3.2.1 適應(yīng)剛度和承載能力的要求
主軸軸承選型應(yīng)滿足所要求的剛度和承載能力。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。雙列滾動(dòng)軸承的徑向剛度和承載能力，比單列的大。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)軸承大。一般來說，前支承的剛度，應(yīng)比后支承的大。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。表3-1所示為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較。
表3-1滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較
基本要求
滾動(dòng)軸承
滑動(dòng)軸承
動(dòng)壓軸承
靜壓軸承
旋轉(zhuǎn)精度
精度一般或較差?？稍跓o隙或預(yù)加載荷下工作。精度也可以很高，但制造困難
單油楔軸承一般，多油楔軸承較高
可以很高
剛度
僅與軸承型號有關(guān)，與轉(zhuǎn)速、載荷無關(guān)，預(yù)緊后可提高一些
隨轉(zhuǎn)速和載荷升高而增大
與節(jié)流形式有關(guān)，與載荷轉(zhuǎn)速無關(guān)
承載能力
一般為恒定值，高速時(shí)受材料疲勞強(qiáng)度限制
隨轉(zhuǎn)速增加而增加，高速時(shí)受溫升限制
與油腔相對壓差有關(guān)，不計(jì)動(dòng)壓效應(yīng)時(shí)與速度無關(guān)
抗振性能
不好，阻尼系數(shù)D=0.029
較好，阻尼系數(shù)D=0.055
很好，阻尼系數(shù)D=0.4
速度性能
高速受疲勞強(qiáng)度和離心力限制，低中速性能較好
中高速性能較好。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=0.002～0.008
較小f=0.001~0.08
本身功耗小，但有相當(dāng)大的泵功耗f=0.0005～0.001
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(dòng)時(shí)，壽命較長
本身壽命無限，但供油系統(tǒng)的壽命有限
3.2.2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。軸承的規(guī)格越大，精度等級越低，允許的最高轉(zhuǎn)速越低。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。在承受軸向載荷的軸承當(dāng)中，向心推力軸承的極限轉(zhuǎn)速最高；推力球軸承的次之；圓錐滾子軸承的最低，但承載能力與上述次序相反。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。
3.2.3適應(yīng)精度的要求
起止推作用的軸承的布置有三種方式：前端定位—止推軸承集中布置在前支承；后端定位—集中布置在后支承；兩端定位—分別布置在前、后支承。
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。
3.2.4適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求
當(dāng)要求主軸組件在性能上有較高的剛度和一定的承載能力，而在結(jié)構(gòu)上徑向尺寸要緊湊時(shí)，則可在一個(gè)支承（尤其是前支承）中配置兩個(gè)或兩個(gè)以上的軸承。
對于軸間距很小的多主軸工具磨床，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。
3.2.5適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求
確定主軸軸承配置型式，除應(yīng)考慮滿足性能和結(jié)構(gòu)方面要求外，還應(yīng)作經(jīng)濟(jì)性分析，使經(jīng)濟(jì)效果好。
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。
綜合考慮以上因素，本設(shè)計(jì)的主軸采用前、后支承的兩支承主軸，前支承采用雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合，D級精度；后支承采用圓柱滾子軸承，E級精度。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(dòng)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。前支承的總體特點(diǎn)是：主軸靜剛度好，回轉(zhuǎn)精度高，溫升小，徑向間隙可以調(diào)整，易保持主軸精度，但由于前支承結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，前、后支承的溫升不同，熱變形較大，此外，裝配、調(diào)整比較麻煩。
3.3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定
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(dòng)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，一般在工具磨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。主軸是空心的或者是實(shí)心的，主要取決于工具磨床的類型。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。
主軸端部系指主軸前端。它的形狀決定于工具磨床的類型、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。
3.4 主軸的材料與熱處理
主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、耐磨性和熱處理變形大小等因素選擇。
主軸的剛度與材料的彈性模量E值有關(guān)，鋼的E值較大（2.1×10N/cm左右），所以，主軸材料首先考慮用鋼料。鋼的彈性模量E的數(shù)值和鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量E基本相同。因此在選擇鋼料時(shí)應(yīng)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼（如45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時(shí)，或者精密工具磨床主軸需要減少熱處理后的變形時(shí)，或者軸向移動(dòng)的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮選用合金鋼。
當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸可不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少45鋼主軸軸頸仍進(jìn)行高頻淬火（HRC48～54）.有關(guān)45鋼主軸熱處理情況如下表3-2所列：
表3-2使用滾動(dòng)軸承的45鋼主軸熱處理等參數(shù)
工作條件
使用機(jī)床
材料牌號
熱處理
硬度
常用
代用
輕中負(fù)載
車、鉆、銑、磨床主軸
45
50
調(diào)質(zhì)
HB220～250
輕中負(fù)載局部要求高硬度
磨床的砂輪軸
45
50
高頻淬火
HRC52～58
輕中負(fù)載PV≤40（N·m/cm·s）
車、鉆、銑、磨床的主軸
45
50
淬火回火高頻淬火
HRC42～50
HRC52～58
此次設(shè)計(jì)的工具磨床主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選用價(jià)格便宜的中碳鋼（45鋼）。查表2-2中，因工作中承受輕、中負(fù)荷，且要求局部高硬度，故熱處理采用高頻淬火，HRC52～58。
3.5 主軸的技術(shù)要求
主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。主軸和軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關(guān)系到接觸剛度，零件接觸表面形狀愈準(zhǔn)確、表面粗糙度愈低，則受力后的接觸變形愈小，亦即接觸剛度愈高。因此，對主軸設(shè)計(jì)必須提出一定的技術(shù)要求。
3.5.1 軸頸
此次設(shè)計(jì)的主軸，應(yīng)首先考慮軸頸。支承軸頸是主軸的工作基面、工藝基面和測量基面。主軸工作時(shí)，以軸頸作為工作基面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；加工主軸時(shí)，為了保證錐孔中心和軸頸中心同軸，一般都以軸頸作為工藝基面來最后精磨錐孔；在檢查主軸精度時(shí)，以軸頸作為測量基面來檢查各部分的同軸度和垂直度。采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸的精度必須與軸承的精度相適應(yīng)。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動(dòng)軸承的配合質(zhì)量。
對于普通精度級工具磨床的主軸，其支承軸頸的尺寸精度為IT5，軸頸的幾何形狀允差（圓度、圓柱度等）通常應(yīng)小于直徑公差的1/4～1/2。
3.5.2內(nèi)錐孔
內(nèi)錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗(yàn)工具磨床精度時(shí)，它是代表主軸中心線的基準(zhǔn)，用來檢查主軸與其他部件的相互位置精度，如主軸與導(dǎo)軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經(jīng)常裝拆，故內(nèi)錐孔必須耐磨。
錐孔與軸承軸頸的同軸度，一般以錐孔端部及其相距100～300毫米處對軸頸的徑向跳動(dòng)表示；其形狀誤差用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)錐著色檢查的接觸面積大小來檢驗(yàn)，此乃綜合指標(biāo)；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。
3.6 主軸直徑的選擇
主軸直徑對主軸組件剛度的影響很大，直徑越大，主軸本身的變形和軸承變形引起的主軸前端位移越小，即主軸組件的剛度越高。
但主軸前端軸頸直徑D1越大，與之相配的軸承等零件的尺寸越大，要達(dá)到相同的公差則制造越困難，重量也增加。同時(shí)，加大直徑還受到軸承所允許的極限轉(zhuǎn)速的限制，甚至為工具磨床結(jié)構(gòu)所不允許。
通常，主軸前軸頸直徑D1可根據(jù)傳遞功率，并參考現(xiàn)有同類工具磨床的主軸軸頸尺寸確定。查《金屬切削工具磨床設(shè)計(jì)》第506頁表5-12中，幾種常見的通用工具磨床鋼質(zhì)主軸前軸頸的直徑D1，可供參考，如下表3-3所示：
工具磨床，查上表中對應(yīng)項(xiàng)，初取D1=D2=30。
表3-3主軸前軸頸直徑D1的選擇
機(jī)床
機(jī)床功率（千瓦）
1.47～2.5
2.6～3.6
3.7～5.5
5.6～7.3
7.4～11
11～14.7
車床
60～80
70～90
70～105
95～130
110～145
140～165
銑床
50～90
60～90
60～95
75～100
90～105
100～115
外圓磨床
—
50～90
55～70
70～80
75～90
75～100
3.7 主軸前后軸承的選擇
根據(jù)前述關(guān)于軸承的選擇原則，查《金屬切削設(shè)計(jì)簡明手冊》第375頁，選取主軸前支承的雙列角接觸球軸承.
圖3-6軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
選擇3211型號的軸承
3.8 軸承的選型及校核
滾動(dòng)軸承的選擇包括軸承類型選擇、軸承精度等級選擇和軸承尺寸選擇。
軸承類型選擇適當(dāng)與否，直接影響軸承壽命以至機(jī)器的工作性能。選擇軸承類型時(shí)應(yīng)當(dāng)分析比較各類軸承的特性，并參照同類機(jī)器中的軸承使用經(jīng)驗(yàn)。
在選擇軸承類型時(shí)，首先要考慮載荷的大小、方向以及軸的轉(zhuǎn)速。一般說來，球軸承便宜，在載荷較小時(shí)，宜優(yōu)先選用。滾子軸承的承載能力比球軸承大，而且能承受沖擊載荷，因此在重載荷或受有振動(dòng)、沖擊載荷時(shí)，應(yīng)考慮選用滾子軸承。但要注意滾子軸承對角偏斜比較敏感。
當(dāng)主要承受徑向載荷時(shí)，應(yīng)選用向心軸承。當(dāng)承受軸向載荷而轉(zhuǎn)速不高時(shí)，可選用推力軸承；如轉(zhuǎn)速較高，可選用角接觸球軸承。當(dāng)同時(shí)承受徑向裁荷和軸向載荷時(shí)，若軸向載荷較小，可選用向心球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承；若軸向載荷較大，而轉(zhuǎn)速不高，可選用推力軸承和向心軸承的組合方式，分別承受軸向載荷和徑向載荷；’當(dāng)軸向載荷較大，且轉(zhuǎn)速較高時(shí)，則應(yīng)選用接觸角較大的角接觸軸承。
各類軸承適用的轉(zhuǎn)速范圍是不相同的，在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中列出了各類軸承的極限轉(zhuǎn)速。一般應(yīng)使軸承在低于極限轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。向心球軸承、角接觸球軸承和短圓柱痞子軸承的極限轉(zhuǎn)速較高。適用于較高轉(zhuǎn)速場合。推力軸承的極限轉(zhuǎn)速較低．只能用于較低轉(zhuǎn)速場合。
其次，在選擇軸承類型時(shí)還需考慮安裝尺寸限制、裝拆要求，以及軸承的調(diào)心件能和風(fēng)度，一般球軸承外形尺寸較大，滾子軸承較小，滾針軸承的徑向尺寸最小而軸向尺寸較大，此外，不同系列的軸承，其外形尺寸也不相同。
選擇軸承一般應(yīng)根據(jù)機(jī)械的類型、工作條件、可靠性要求及軸承的工作轉(zhuǎn)速n，預(yù)先確定一個(gè)適當(dāng)?shù)氖褂脡勖麹b(用工作小時(shí)表示)，再進(jìn)行額定動(dòng)裁荷和額定靜載荷的計(jì)算。
對于轉(zhuǎn)速較高的軸承(n>10r／min),可按基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值選擇軸承，然后校核其額定靜載荷是否滿足要求。當(dāng)軸承可靠性為90％、軸承材料為常規(guī)材料并在常規(guī)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，取500h作為額定壽命的基準(zhǔn)，同時(shí)考慮溫度、振動(dòng)、沖擊等變化，則軸承基本額定動(dòng)載荷可按下式進(jìn)行簡化計(jì)算。
C——基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值，N；
P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N；
fh——壽命因數(shù)；1
fn——速度因數(shù)；0.822
fm——力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時(shí)取1.5，較大時(shí)取2；
fd——沖擊載荷因數(shù)；1.5
fT——溫度因數(shù)；1
CT——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動(dòng)載荷，N；
查文獻(xiàn)[3]中的表6-2-8至6-2-12，得，fh=1；fn=0.822；fm=1.5；fd=1.5；fT=1。
在本輸送裝置中，可以假設(shè)軸承只承受徑向載荷，則當(dāng)量動(dòng)載荷為：
P=XFr+YFa
查文獻(xiàn)[3]的表6-2-18，得，X=1，Y=0；
所以，P=Fr=1128N。由以上可得：
3-1
本輸送機(jī)中的軸承承受的載荷多為徑向載荷，所以選取深溝球軸承，查文獻(xiàn)[6]的附表6-1，并考慮軸的外徑，選取軸承6305-RZ，其具體參數(shù)為：內(nèi)徑d=25mm，外徑D=62mm，基本額定載荷，基本額定靜載荷，極限速度為10000r/min，質(zhì)量為0.219kg。
然后校核該軸承的額定靜載荷。額定靜載荷的計(jì)算公式為：
式中：
——基本額定靜載荷計(jì)算值，N;
——當(dāng)量靜載荷，N；
——安全因數(shù)
——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷，N。
查文獻(xiàn)[3]的表6-2-14知，對于深溝球軸承，其當(dāng)量靜載荷等于徑向載荷。
查文獻(xiàn)[3]的表6-2-14知，安全系數(shù)
則軸承的基本額定靜載荷為：
由上式可知，選取的軸承符合要求。
3.9 主軸前端懸伸量
主軸前端懸伸量a指的是主軸前支承支反力的作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離，它對主軸組件剛度的影響較大。懸伸量越小，主軸組件剛度越好。
主軸前端懸伸量a取決于主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，一般應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取，有時(shí)為了提高主軸剛度或定心精度，也可不按標(biāo)準(zhǔn)取。
另外，主軸前端懸伸量a還與前支承中軸承的類型及組合型式、工件或夾具的夾緊方式以及前支承的潤滑與密封裝置的結(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān)。
因此，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡可能減小懸伸量a，以利于提高主軸組件的剛度。
初算時(shí)，可查《金屬切削工具磨床設(shè)計(jì)》第158頁，如下表3-4所示：
表3-4主軸的懸伸量與直徑之比
類型
機(jī)床和主軸的類型
a/D1
Ⅰ
通用和精密車床，自動(dòng)車床和短主軸端銑床，用滾動(dòng)軸承支承，適用于高精度和普通精度要求
0.6～1.5
Ⅱ
中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸量不太長（不是細(xì)長）的精密鏜床和內(nèi)圓磨，用滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承支承，適用于絕大部分普通生產(chǎn)的要求
1.25～2.5
Ⅲ
孔加工工具磨床，專用加工細(xì)長深孔的工具磨床，由加工技術(shù)決定需要有長的懸伸刀桿或主軸可移動(dòng)，由于切削較重而不適用于有高精度要求的工具磨床
>2.5
根據(jù)上表所列，所設(shè)計(jì)的工具磨床屬于Ⅱ型，所以取a/D1為1.25～2.5，即：
a=（1.25～2.5）D1=（1.25～2.5）×30=37.5～75
初取a=45。
3.10 主軸支承跨距
主軸支承跨距L是指主軸前、后支承支承反力作用點(diǎn)之間的距離。
合理確定主軸支承跨距，可提高主軸部件的靜剛度?？梢宰C明，支承跨距越小，主軸自身的剛度越大，彎曲變形越小，但支承的變形引起的主軸前端的位移量將增大；支承跨距大，支承的變形引起的主軸前端的位移量較小，但主軸本身的彎曲變形將增大?？梢?，支承跨距過大或過小都會(huì)降低主軸部件的剛度。
有關(guān)資料對合理跨距選擇的推薦值可作參考：
（1）L=（4～5）D1
（2）L=（3～5）a，用于懸伸長度較小時(shí)；
（3）L=（1～2）a，用于懸伸長度較大時(shí)。
根據(jù)此次設(shè)計(jì)的工具磨床剛性主軸的懸伸量較大，取L≤2.5a為宜。即此次設(shè)計(jì)的主軸兩支承的合理跨距
L≤2.5a=2.5×120=300
初取L=280。
3.11 主軸結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)以上的分析計(jì)算，可初步得出主軸的結(jié)構(gòu)如圖3-7所示：
圖3-7主軸結(jié)構(gòu)圖
3.12 主軸組件的驗(yàn)算
主軸在工作中的受力情況嚴(yán)重，而允許的變形則很微小，決定主軸尺寸的基本因素是所允許的變形的大小，因此主軸的計(jì)算主要是剛度的驗(yàn)算，與一般軸著重于強(qiáng)度的情況不一樣。通常能滿足剛度要求的主軸也能滿足強(qiáng)度的要求。
剛度乃是載荷與彈性變形的比值。當(dāng)載荷一定時(shí)，剛度與彈性變形成反比。因此，算出彈性變形量后，很容易得到靜剛度。主軸組件的彈性變形計(jì)算包括：主軸端部撓度和主軸傾角的計(jì)算。
3.12.1支承的簡化
對于兩支承主軸，若每個(gè)支承中僅有一個(gè)單列或雙列滾動(dòng)軸承，或者有兩個(gè)單列球軸承，則可將主軸組件簡化為簡支梁，如下圖2-8所示；若前支承有兩個(gè)以上滾動(dòng)軸承，可認(rèn)為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為固定端梁，如圖2-9所示：
圖3-8主軸組件簡化為簡支梁
圖3-9主軸組件簡化為固定端梁
此次設(shè)計(jì)的主軸，前支承選用了一個(gè)雙列向心短圓柱滾子軸承和兩個(gè)推力球軸承作為支承，即可認(rèn)為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為上圖2-9所示。
3.12.2主軸的撓度
查《材料力學(xué)I》第188頁的表6.1，對圖2-9作更進(jìn)一步的分析，如下圖3-10所示：
根據(jù)圖3-10，可得此時(shí)的最大撓度
=
其中，
F—主軸前端受力。此處，F(xiàn)=F=1213.1N
l—A、B之間的距離。此處，l=a=12cm
圖3-10固定端梁在載荷作用下的變形
E—主軸材料的彈性模量。45鋼的E=2.1×10N/cm
I—主軸截面的平均慣性矩。當(dāng)主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時(shí)，
I=。此處，D=35
故可計(jì)算出，主軸端部的最大撓度：
=-1.87×10mm 3-2
3.12.3主軸傾角
主軸上安裝主軸和安裝傳動(dòng)齒輪處的傾角，稱為主軸的傾角。此次設(shè)計(jì)的主軸主要考慮主軸前支承處的傾角。若安裝軸承處的傾角太大，會(huì)破壞軸承的正常工作，縮短軸承的使用壽命。
根據(jù)圖2-10，可得此時(shí)的最大傾角
=
其中，
F—主軸前端受力。此處，F(xiàn)=F·z=1213.1N
l—A、B之間的距離。此處，l=a=12cm
E—主軸材料的彈性模量。45鋼的E=2.1×10N/cm
I—主軸截面的平均慣性矩。當(dāng)主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時(shí)，
I=。此處，D==133
故可計(jì)算出，主軸傾角為：
=-2.3×10rad 3-3
查《工具磨床設(shè)計(jì)》第一冊中機(jī)械部分的第670頁，可知：
當(dāng)
x≤0.0002Lmm
≤0.001rad
時(shí)，剛性主軸的剛度滿足要求。
此處的x，即為最大撓度和最大傾角，L為主軸支承跨距。
將已知數(shù)據(jù)和代入，即可得：
初步設(shè)計(jì)的主軸滿足剛度要求。
3.13 帶傳動(dòng)計(jì)算
Y801-2Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)
表3-5 Y801-2Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)
1]M-40萬能刀具磨床主軸頭設(shè)計(jì)。主軸頭即為砂輪頭，砂輪的轉(zhuǎn)速最高達(dá)6200rpm。主軸功率0.75kw。并實(shí)現(xiàn)三級變速。
計(jì)算按照砂輪可以達(dá)到的最高砂輪6200rpm來計(jì)算
3.13.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
表3-6工作情況系數(shù)
工作機(jī)
原動(dòng)機(jī)
ⅰ類
ⅱ類
一天工作時(shí)間/h
10~16
10~16
載荷
平穩(wěn)
液體攪拌機(jī)；離心式水泵；通風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)（）；離心式壓縮機(jī)；輕型運(yùn)輸機(jī)
1.0
1.1
1.2
1.1
1.2
1.3
載荷
變動(dòng)小
帶式運(yùn)輸機(jī)（運(yùn)送砂石、谷物），通風(fēng)機(jī)（）；發(fā)電機(jī)；旋轉(zhuǎn)式水泵；金屬切削機(jī)床；剪床；壓力機(jī)；印刷機(jī)；振動(dòng)篩
1.1
1.2
1.3
1.2
1.3
1.4
載荷
變動(dòng)較大
螺旋式運(yùn)輸機(jī)；斗式上料機(jī)；往復(fù)式水泵和壓縮機(jī)；鍛錘；磨粉機(jī)；鋸木機(jī)和木工機(jī)械；紡織機(jī)械
1.2
1.3
1.4
1.4
1.5
1.6
載荷
變動(dòng)很大
破碎機(jī)（旋轉(zhuǎn)式、顎式等）；球磨機(jī)；棒磨機(jī)；起重機(jī)；挖掘機(jī)；橡膠輥壓機(jī)
1.3
1.4
1.5
1.5
1.6
1.8
根據(jù)V帶的載荷平穩(wěn)，兩班工作制（16小時(shí)），查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P296表3-6，
取KA＝1.1。即
3.13.2 選擇帶型
普通V帶的帶型根據(jù)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd和小帶輪的轉(zhuǎn)速n1按《機(jī)械設(shè)計(jì)》P297圖13
根據(jù)算出的Pd＝0.825kW及小帶輪轉(zhuǎn)速n1＝2830r/min，查圖得：dd=112～140可知應(yīng)選取A型V帶。
3.13.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)證帶速
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P298表13－7查得，小帶輪基準(zhǔn)直徑為112～140mm
則取dd1=118mm>ddmin.=75mm（dd1根據(jù)P295表13-4查得）
表3-73V 帶輪最小基準(zhǔn)直徑
槽型
Y
Z
A
B
C
D
E
20
50
75
125
200
355
500
3-4
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P295表13-4查“V帶輪的基準(zhǔn)直徑”，得=250mm
誤差符合要求
②帶速 3-5
滿足5m/s
300mm，所以宜選用E型輪輻式帶輪。
總之，小帶輪選H型孔板式結(jié)構(gòu)，大帶輪選擇E型輪輻式結(jié)構(gòu)。
帶輪的材料：選用灰鑄鐵，HT200。
對帶輪的主要要求是質(zhì)量小且分布均勻、工藝性好、與帶接觸的工作表面加工精度要高，以減少帶的磨損。轉(zhuǎn)速高時(shí)要進(jìn)行動(dòng)平衡，對于鑄造和焊接帶輪的內(nèi)應(yīng)力要小,帶輪由輪緣、腹板（輪輻）和輪轂三部分組成。帶輪的外圈環(huán)形部分稱為輪緣，輪緣是帶輪的工作部分，用以安裝傳動(dòng)帶，制有梯形輪槽。由于普通V帶兩側(cè)面間的夾角是40°，為了適應(yīng)V帶在帶輪上彎曲時(shí)截面變形而使楔角減小，故規(guī)定普通V帶輪槽角為32°、34°、36°、38°（按帶的型號及帶輪直徑確定），輪槽尺寸見表7-3。裝在軸上的筒形部分稱為輪轂，是帶輪與軸的聯(lián)接部分。中間部分稱為輪幅（腹板），用來聯(lián)接輪緣與輪轂成一整體。
表3-10普通V帶輪的輪槽尺寸（摘自GB/T13575.1-92）
項(xiàng)目
符號
槽型
Y
Z
A
B
C
D
E
基準(zhǔn)寬度
bp
5.3
8.5
11.0
14.0
19.0
27.0
32.0
基準(zhǔn)線上槽深
hamin
1.6
2.0
2.75
3.5
4.8
8.1
9.6
基準(zhǔn)線下槽深
hfmin
4.7
7.0
8.7
10.8
14.3
19.9
23.4
槽間距
e
8±0.3
12±0.3
15±0.3
19±0.4
25.5±0.5
37±0.6
44.5±0.7
第一槽對稱面至端面的距離
fmin
6
7
9
11.5
16
23
28
最小輪緣厚
5
5.5
6
7.5
10
12
15
帶輪寬
B
B=(z-1)e+2fz—輪槽數(shù)
外徑
da
輪槽角
32°
對應(yīng)的基準(zhǔn)直徑dd
≤60
-
-
-
-
-
-
34°
-
≤80
≤118
≤190
≤315
-
-
36°
60
-
-
-
-
≤475
≤600
38°
-
＞80
＞118
＞190
＞315
＞475
＞600
極限偏差
±1
±0.5
V帶輪按腹板（輪輻）結(jié)構(gòu)的不同分為以下幾種型式：
（1）實(shí)心帶輪：用于尺寸較小的帶輪(dd≤(2.5～3)d時(shí))，如圖3-11a。
（2）腹板帶輪：用于中小尺寸的帶輪(dd≤300mm時(shí))，如圖3-11b。
（3）孔板帶輪：用于尺寸較大的帶輪((dd－d)＞100mm時(shí))，如圖3-11c。
（4）橢圓輪輻帶輪：用于尺寸大的帶輪(dd＞500mm時(shí))，如圖3-11d。
（a）（b）（c）（d）
圖3-11帶輪結(jié)構(gòu)類型
根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，可以得出結(jié)論：小帶輪選擇實(shí)心帶輪，如圖（a）,大帶輪選擇腹板帶輪如圖（b）
由于是三級傳動(dòng)，需要將3種變速集中在一起。故在（b）基礎(chǔ)上改成三級傳動(dòng)的錐形帶輪。
具體見CAD圖紙。
第4章 工具磨床主軸相關(guān)部件
4.1 主軸軸承的潤滑
潤滑的作用是降低摩擦，減小溫升，并與密封裝置在一起，保護(hù)軸承不受外物的磨損和防止腐蝕。潤滑劑和潤滑方式?jīng)Q定于軸承的類型、速度和工作負(fù)荷。如果選擇得合適，可以降低軸承的工作溫度和延長使用期限。
滾動(dòng)軸承可以用潤滑油或潤滑脂來潤滑。試驗(yàn)證明，在速度較低時(shí)，用潤滑脂比用潤滑油溫升低。所以，此次設(shè)計(jì)的主軸支承均采用潤滑脂。同時(shí)，主軸是裝在主軸套筒內(nèi)的，為防止使用潤滑油時(shí)泄漏，也應(yīng)采用潤滑脂潤滑。
4.2 主軸組件的密封
密封對主軸組件的工作性能與潤滑影響也較大。工具磨床主軸密封不好，將使?jié)櫥瑒┩饬?，造成浪費(fèi)，加速零件的磨損，還會(huì)嚴(yán)重地影響到工作環(huán)境及工具磨床的外觀。
4.2.1 主軸組件密封裝置的類型
主軸組件密封裝置的類型，主要有以下幾種：具有彈性元件的接觸式密封裝置；皮碗（油封）式密封裝置；具有金屬和石墨元件的接觸式密封裝置；擋油圈式和螺旋溝式密封裝置；圈形間隙式、油溝式和迷宮式密封裝置；立式主軸的密封裝置等。
4.2.2 主軸組件密封裝置的選擇
選用密封裝置時(shí)，應(yīng)考慮到主軸組件的下列具體工作條件：密封處主軸頸的線速度；所用潤滑劑的種類及其物理化學(xué)性質(zhì)；主軸組件的工作溫度；周圍介質(zhì)的情況；主軸組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；密封裝置的主要用途等。
綜合考慮上述因素，主軸前支承處選用迷宮式密封，徑向尺寸不超過0.3mm，中填潤滑脂，軸向尺寸不超過1.5mm。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》第87頁表7-17，可得此次選用的迷宮式密封裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖4-1所示：
圖4-1迷宮式密封裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)
4.3 軸肩擋圈
前支承雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承之間所用的擋圈，可查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》第56頁表5-1，可得此次選用的擋圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖4-2所示：
圖4-2軸肩擋圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)
4.4 擋圈
兩推力球之間用的擋圈為非標(biāo)準(zhǔn)件，徑向尺寸依主軸套筒尺寸而定，軸向尺寸可初取為6mm。
4.5 圓螺母
鎖緊靠主軸后支承一邊的推力球軸承以及鎖緊兩推力球軸承內(nèi)的套筒，分別采用兩個(gè)圓螺母，為了增加可靠性，再加一止動(dòng)螺釘。圓螺母具體的參數(shù)可查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》第60頁表5-6，結(jié)構(gòu)如下圖4-3所示：
圖4-3圓螺母（GB812-88）
第5章 水平進(jìn)給結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)
表5-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡圖
特點(diǎn)
一端固定一端自由
結(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動(dòng)
需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會(huì)受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。
5.1 水平滾珠絲桿副的選擇