铣削组合机床及其主轴组件设计说明书 1 毕业设计.doc

四 川 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目 铣 削 组 合 机 床 及 其 主 轴 组 件 设 计系 别 机 电 工 程 系 专 业 班 级 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 摘 要组合机床，是由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率机床。其特点有：结构紧凑、工作质量可靠、设计和制造周期短、投资少、经济效果好、生产率高等。本次设计的题目是铣削组合机床及主轴组件。首先针对所要加工的零件入手，对机床进行总体方案设计，进而确定机床的总体布局，随后，对主轴组件进行设计。在设计主轴组件时，以主轴为线索，在满足刚度、精度等要求下，完成其它（如轴承、轴向调节机构、锁紧机构等）所有零件的设计。关键词：组合机床，主轴组件，刚度，主轴，轴承，轴向调节机构ABSTRACTModular Machine, by the large number of common parts and a small number of specialized components of the process focused efficient machine. Its features include : compact, reliable quality, design and manufacturing cycle shorter, less investment and economic effects, and higher productivity .The design is the subject of combined milling machine spindle components. First in response to the processing of parts, the paper machine for the overall program design, which will determine the overall layout of the machine. Subsequently, the spindle components of the design. Spindle components in the design, a spindle for clues to meet stiffness and precision requirements, the completion of the other (eg, bearings, Axial adjustment, locking, etc.) all parts of the design. Keywords: Modular Machine, spindle components, stiffness, spindle, bearings, axial adjustment目 录摘要1ABSTRACT2前言第1章 机床总体设计1 1.1 机床总体方案设计的依据1 1.1.1工件1 1.1.2刀具1 1.2工艺分析1 1.2.1工艺方法的确定11.2.2 机床总体布局21.2.3 机床运动的确定21.3机床主要技术参数的确定31.3.1确定工件余量31.3.2选择切削用量31.3.3运动参数31.3.3.1主轴最高，最低转速31.3.3.2主轴转速的合理排列41.3.4 动力参数主运动驱动电动机功率的确定41.3.4.1切削力的计算51.3.4.2切削功率的计算51.3.4.3估算电动机功率51.3.4.4选择主电机51.4进给驱动电动机功率的确定5第2章 主轴组件设计62.1主轴的基本要求62.1.1旋转精度62.1.2刚度62.1.3抗振性72.1.3.1抵抗受迫振动的能力82.1.3.2抵抗切削自激振动的能力82.1.4温升和热变形82.1.5耐磨性92.1.6其他92.2主轴组件的布局92.2.1适应刚度和承载能力的要求102.2.2适应转速要求112.2.3适应精度的要求112.2.4适应结构的要求112.2.5适应经济性要求112.3主轴结构的初步拟定122.4主轴的材料与热处理132.5主轴的技术要求132.5.1轴颈132.5.2内锥孔142.6主轴组件的计算142.6.1主轴直径的选择142.6.2主轴前后支承轴承的选择152.6.2.1主轴前支承轴承的选择152.6.2.2主轴后支承轴承的选择162.6.3主轴内孔直径162.6.4主轴前端悬伸量172.6.5主轴支承跨距182.7主轴结构图182.8主轴组件的验算182.8.1主轴端部挠度192.8.1.1支承的简化192.8.1.2主轴的挠度202.8.1.3主轴倾角202.9主轴组件的润滑和密封212.9.1主轴轴承的润滑212.9.2主轴组件的密封212.9.2.1主轴组件密封装置的功用222.9.2.2对主轴组件密封装置的要求222.9.2.3主轴组件密封装置的类型222.9.2.4主轴组件密封装置的选择222.10主轴组件中相关部件232.10.1轴肩挡圈232.10.2挡圈232.10.3圆螺母232.10.4套筒242.10.5前、后支承的轴承盖252.10.6主轴用套筒及其锁紧部分262.10.7主轴尾部的内花键272.11主轴组件轴向调节机构282.11.1丝杠螺纹282.11.2丝杠轴承的选择282.11.3丝杠螺母292.11.4丝杠中段螺纹292.11.5丝杠上的内隔套292.11.6丝杠上调节用锥齿轮302.12箱体设计30第3章 结论31参考文献32致谢33前 言机械制造业在国民经济中占有重要的地位，是国民经济各部门赖以发展的基础，是国民经济的重要支柱，是生产力的重要组成部分。机械制造业不仅为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种生产设备、仪器仪表和工具，而且为制造业包括机械制造业本身提供机械制造装备。机械制造业的生产能力和制造水平标志着一个国家或地区的科学技术水平、经济实力。机械制造业的生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。机械制造装备的核心是金属切削机床，精密零件的加工，主要依赖切削加工来达到所需要的精度。金属切削机床所担负的工作量约占机器制造总工作量的40%60%，金属切削机床的技术水平直接影响到机械制造业的产品质量和劳动生产率。换言之，一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。显然，金属切削机床在国民经济现代化建设中起着不可替代的作用。纵观几十年来的历史，机械制造业从早期降低成本的竞争，经过20世纪70年代、80年代发展到20世纪90年代乃至21世纪初的新的产品的竞争。目前，我国已加入世界贸易组织，经济全球化时代已经到来，我国机械制造业面临严峻的挑战，也面临着新的形势：知识技术产品的更新周期越来越短，产品的批量越来越小，产品的性能和质量的要求越来越高，环境保护意识和绿色制造的呼声越来越强，因而以敏捷制造为代表的先进制造技术将是制造业快速响应市场需要、不断推出新产品、赢得竞争、求得生存和发展的主要手段。金属切削机床中的组合机床，是根据工件加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。它具有：生产率高；加工精度稳定；研制周期短，便于设计、制造和使用维护，成本低；配置灵活等。正是由于这些特点的存在，决定了组合机床在当今新形势下仍能被广泛应用于汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪器仪表、军工及自行车等轻工行业和机床、机车、工程机械等制造业中。此次设计的是铣削组合机床及主轴组件。首先，对机床进行总体设计，确定总体方案后得到机床总体布局图；再着重进行主轴组件的设计，其中包括主轴的设计、支承的选取、主轴轴向移动机构和主轴锁紧机构等的设计。由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请各位老师给予指导。第一章 机床总体设计 设计机床的第一步，是确定总体方案。总体方案是机床部件和零件的设计依据，对整个设计的影响较大。因此，在拟定总体方案的过程中，必须全面地、周密地考虑，使所定方案技术先进、经济合理。1.1 机床总体方案设计的依据1.1.1 工件工件是机床总体方案设计的重要依据之一，设计者必须明确工件的特点和加工要求。本次毕业设计要求设计一台组合机床，用于加工VF-6/7型空压机减荷阀体的两侧面，工件材料为HT200，硬度为190210HB,生产批量为大批量，铸造毛坯。加工部位的加工要求如下：(1)被加工表面的粗糙度均为R10；(2)被加工表面的相互位置精度为：平面12之间的距离为225mm；平面12与95中心线的垂直度要求为0.03mm。1.1.2刀具 图1-1 减荷阀体简图硬质合金端铣刀，刀齿材料为YG6，铣刀盘直径为75110，刀具齿数Z=4。1.2 工艺分析1.2.1 工艺方法的确定机床的工艺方法是多种多样的，按工种可分为车、铣、刨、钻、镗、磨、研磨、电加工、振动加工、激光加工等；每一种还可再分，如车削加工有车外圆、车端面、车槽、车球面等之分；按加工精度各表面粗糙度可分为粗加工、半精加工、光整加工等；按工序集中程度可分为单刀、多刀、单工件、多工件、单工位、多工位等；按作业形式可分平行作业、顺序作业、平行-顺序作业等。工艺方法对机床的结构和性能的影响很大，工艺方法的改变常导致机床的运动、传动、布局、结构、性能以及经济效果等方面的一系列变化。加工平面的方法有很多，比如说车削，铣削，刨削。对于VF-6/7型空压机减荷阀体，用车床进行车削加工时，由于减荷阀体外形复杂，且为壳类零件，不宜装夹在车床主轴上进行加工，装夹稳定性也不高；用刨床进行刨削加工时，机床需要两个运动，机床和刀具结构简单，装夹在工件台上快速，稳固，但生产率低，加工精度也达不到工件要求；用端铣刀进行铣削加工时，生产率不仅提高了，也能满足工件所要求的加工精度，且装夹快速，方便。与普通机床相比，组合机床具有生产率高，加工精度稳定，研制周期短，便于设计、制造和使用维护、成本低、自动化程度高、劳动强度低，配置灵活等特点，因此，当生产量很大时，用组合机床进行加工更合理。1.2.2 机床总体布局机床的总体布局指确定机床的组成部件之间的相对位置及相对运动关系。合理的总体布局的基本要求有：(1)保证工艺方法所要求的工件与刀具的相对运动关系；(2)保证机床具有足够的加工精度和相适应的刚度和抗振性；(3)便于操纵、调整、维修，便于输送、装卸工件和排屑等；(4)节省材料，占地面积小，即经济效果好；(5)造型美观。根据减荷阀体的加工要求，机床总体布局图如图1-1所示： 图1-2 机床总体布局图1.机座 2.动力滑台 3.工件 4.端铣刀 5.电动机 6.变速箱 7.主轴箱减荷阀体安装在工作台上，铣削动力头带动铣刀作旋转主运动，工作台作纵向进给运动，完成对工件的切削加工。此方案的优点是各部件均是针对减荷阀体设计的，因此，结构紧凑，刚性好，生产率高，加工质量稳定。1.2.3 机床运动的确定确定机床运动，指确定机床运动的数目，运动类型以及运动的执行件。本次毕业设计的组合机床的工艺方法是，用一把端铣刀直接进行加工。相应的表面成形运动为：单主轴的回转运动，工作台纵向进给运动；辅助运动为：主轴轴向调整运动。1.3 机床主要技术参数的确定机床主要技术参数包括主参数和基本参数，基本参数又包括尺寸参数，运动参数，动力参数。1.3.1 确定工件余量VF-6/7型空压机减荷阀体，零件材料为HT200，硬度190210HB，生产类型为大批量，铸造毛坯。查机械制造工艺设计简明手册表2.22.5,取加工余量为2.5mm(此为双边加工)。1.3.2 选择切削用量由于被加工零件的铣削宽度为175mm,需进行二次走刀，故一次走刀为90mm(宽度)，二次走刀为175-90=85mm，即：a=90mm。根据组合机床设计简明手册第132133页，选择铣削切削用量。铣削用量的选择与要求的加工表面粗糙度值及其生产率有关系。当铣削表面粗糙度数值要求较低时，铣削速度应选高一些，每齿走刀量应小些。若生产率要求不高，可以取很小的每齿走刀量，一次铣削45mm的余量达到R=1.6m的表面粗糙度。这时每齿的进给量一般为0.020.03mm。根据本次设计所加工的零件要求，其表面粗糙度数值较高，加工材料为铸铁，查表6-16得：a=0.20.4mm/z,V=5080m/min,取a=0.2mm/z。1.3.3 运动参数 1.3.4动力参数主运动驱动电动机功率的确定1.3.4.1 切削力的计算由前面已知，本次设计的组合机床的最高转速为n=315r/min，则此时的切削速度为： V=108.8m/min<200m/min由此可见，切削速度满足要求。计算铣削工件时的切削力F=9.18×54.5a×a×a×Z×d式中：a铣削宽度，a=90mma铣削深度，由于是一次铣削就能达到设计尺寸，则铣削深度为工件加工余量，即a=2.5mm。a每齿进给量，a=0.2mm/rZ转数级数，取Z=4则铣削力的大小为： F=9.18×54.5×90×0.2×2.5×4×110=1213.1N1.3.4.2 切削功率的计算根据机械制造工艺金属机床设计指导第72页，可得切削功率公式为：P=2.2KW1.3.4.3 估算电动机功率根据机械制造工艺金属机床设计指导第72页，有P=3.14KW 式中：主传动系统的机械效率，回转运动的机床=0.70.85。1.3.4.4 选择主电机查机械设计课程设计手册第155页表12-1，选Y112-4电机，主要参数有：额定功率P=4KW，满载转速 n=1440r/min，同步转速n=1500r/min，级数P=4，质量m=43kg。1.4 进给驱动电动机功率的确定查金属切削机床设计第41页，可知：进给驱动电动机功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率，即：N=式中：N进给驱动电动机功率(KW) Q 进给抗力(N) V进给速度(m/min)进给传动系统的总机械效率(一般取0.150.2)粗略计算时，可根据进给传动与主传动所需功率之比值来估算进给驱动电机功率。对于铣床： N=0.2×N=0.2×4=0.8KW查机械设计课程设计手册第155页表12-1，选Y90S-4电机，主要参数有：额定功率P=1.1KW，满载转速n=1440r/min，同步转速n=1500r/min，级数P=4，质量m=22kg。第二章 主轴组件设计主轴组件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具旋转，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键组件。主轴和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工件条件，但主轴直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动，因此对主轴有较高的要求。2.1 主轴的基本要求2.1.1 旋转精度主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动r、端面跳动a和轴向窜动值o。如图2-1所示：图中实线表示理想的旋转轴线，虚线表示实际的旋转轴线。当主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。主轴组件的旋转精度取决于部件中各主要件（如主轴、轴承及支承座孔等）的制造精度和装配、调整精度；运动精度还取决于主轴的转速、轴承的性能和润滑以及主轴部件的动态特性。各类通用机床主轴部件的旋转精度已在机床精度标准中作了规定，专用机床主轴部件的旋转精度则根据工件精度要求确定。2.1.2 刚度主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图2-2所示，即K=F/y（单位为N/m），刚度的倒数y/F称为柔度。主轴组件的刚度，是主轴、轴承和支承座的刚度的综合反映，它直接影响主轴组件的旋转精度。显然，主轴组件的刚度越高，主 图2-1 主轴的旋转误差轴受力后的变形就越小，如若刚度不足，在加工精度方面，主轴前端弹性变形直接影响着工件的精度；在传动质量方面，主轴的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况，并使轴承产生侧边压力，从而使这些零件的磨损加剧，寿命缩短；在工件平稳性方面，将使主轴在变化的切削力和传动力等作用下，产生过大的受迫振动，并容易引起切削自激振动，降低了工件的平稳性。图2-2 主轴组件静刚度主轴组件的刚度是综合刚度，影响主轴组件刚度的因素很多，主要有：主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造与装配质量等。2.1.3 抗振性主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。在切削过程中，主轴组件不仅受静载荷的作用，同时也受冲击载荷和交变载荷的作用，使主轴产生振动。如果主轴组件的抗振性差，工作时容易产生振动，从而影响工件的表面质量，降低刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声影响工作环境。随着机床向高精度、高效率方向发展，对抗振性要求越来越高。评价主轴组件的抗振性，主要考虑其抵抗受迫振动和自激振动能力的大小。2.1.3.1 抵抗受迫振动的能力主轴组件受迫振动的干扰力，主要包括由于主轴上旋转零件（主轴、传动件和所装的工件或刀具等）的偏心质量而产生的离心力，传动件运动速度不均匀而产生的惯性力，以及断续切削产生的周期性变化的切削力。由于这些干扰力，引起主轴并带着刀具或工件一起振动，而在加工表面上留下振纹，使工件表面粗糙度提高。根据所设计的机床加工表面粗糙度的要求，确定主轴前端的允许振幅，然后计算或测定主轴组件在各种动态干扰力的作用下，其前端的振幅，并同允许值比较，评价是否满足要求。在单独分析主轴组件时，只能求得主轴前端在切削部位的绝对振幅，它只能部分地反映刀具和工件之间的相对振幅。两者关系与激振频率有关，目前主要由试验来确定。此外，主轴组件的低阶固有频率与振型也是其抗振性的评价指标。一般来说，低阶固有频率应高些，并远离激振频率；主轴振型的节点应靠近切削部位。2.1.3.2 抵抗切削自激振动的能力金属切削加工时，虽然没有外界动态干扰力的作用，但由于机床工件刀具弹性系统振动对切削过程的反馈作用，刀具与工件之间发生了周期性的强烈的相对振动，称为切削自激振动，简称为颤振。颤振将使加工表面质量恶化，甚至使切削过程无法继续下去，从而不得不降低切削用量来避免之，所以机床的切削用量极限往往不是由机床的功率来决定，而是由加工时发生颤振的条件来决定。机床切削时，从没有颤振到颤振的产生之间存在着明显的界限，这个界限即是稳定性的极限，或称为机床稳定性的条件。对现有机床的试验表明，切削自振频率往往接近于主轴组件弯曲振动的低阶固有频率。即主轴组件是颤振的主振部分，它的低阶弯曲振动模态是决定机床抵抗切削自振能力的主要模态。因此，在单独分析主轴组件时，可以认为主轴前端在切削部位激振点动柔度（在主振方向）的最大负实部，反映了主轴组件抵抗切削自振的能力。对于粗加工机床，切削宽度大，切削自振的可能性大，但加工表面质量要求不高，可主要考虑不产生颤振的条件。对于精密机床，切削用量小，切削自振的可能性小，但允许的振幅小，可主要考虑抵抗受迫振动的能力。对于高速机床，因为激振力的频率和幅值均随着转速提高而剧增，受迫振动和自激振动都比较突出。因此，在设计和评价高速机床时，自激和受迫振动均应考虑。2.1.4 温升和热变形主轴组件工作时因各种相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生了温升，温升使主轴组件的形状和位置发生畸变，称为热变形。热变形应以主轴组件运转一定时间后各部分位置的变化来度量。主轴组件温升和热变形，使机床各部件间相对位置精度遭到破坏，影响工件加工精度，高精度机床尤为严重；热变形造成主轴弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态变坏；热变形还使主轴和轴承，轴承与支承座之间已调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承正常工作，间隙过小将加速齿轮和轴承等零件的磨损，严重时甚至会发生轴承抱轴现象。影响主轴组件温升、热变形的主要因素有：轴承的类型和布置方式，轴承间隙及预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。目前，对各种类型机床连续运转下的允许温升都有一定的规定。2.1.5 耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主轴组件各个滑动表面，包括主轴端部定位面、锥孔，与滑动轴承配合的轴颈表面，移动式主轴套筒外圆表面等，都必须具有很高的硬度，以保证其耐磨性。为了提高主轴组件的耐磨性，应该正确地选用主轴和滑动轴承的材料及热处理方法、润滑方式，合理调整轴承间隙，良好的润滑和可靠的密封。2.1.6 其他主轴组件除应保证上述基本要求外，还应满足下列要求：（1）主轴的定位可靠。主轴在切削力和传动力的作用下，应有可靠的径向和轴向定位，使主轴在工作时受到的切削力和传动力通过轴承可靠地传至箱体等基础零件上。（2）主轴前端结构应保证工件或刀具装卡可靠，并有足够的定位精度。（3）结构工艺好。在保证好用的基础上，尽可能地做到好造、好装、好拆及好修，并尽可能降低主轴组件的成本。2.2 主轴组件的布局主轴组件的设计，必须保证满足上述的基本要求，从而从全局出发，考虑主轴组件的布局。机床主轴有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种，以前者较多见。两支承主轴轴承的配置型式，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，并考虑轴承的供应、经济性等具体情况，加以确定。在选择时，具体有以下要求：2.2.1 适应刚度和承载能力的要求主轴轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。径向载荷较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力，比单列的大。同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力，比采用单个轴承的大。一般来说，前支承的刚度，应比后支承的大。因为前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后支承的大。表2-1所示为滚动轴承和滑动轴承的比较：表2-1 滚动轴承和滑动轴承的比较基本要求滚动轴承滑 动 轴 承动压轴承静压轴承旋转精度精度一般或较差。可在无隙或预加载荷下工作。精度也可以很高，但制造困难单油楔轴承一般，多油楔轴承较高可以很高刚 度仅与轴承型号有关，与转速、载荷无关，预紧后可提高一些随转速和载荷升高而增大与节流形式有关，与载荷转速无关承载能力一般为恒定值，高速时受材料疲劳强度限制随转速增加而增加，高速时受温升限制与油腔相对压差有关，不计动压效应时与速度无关抗振性能不好，阻尼系数D=0.029较好，阻尼系数D=0.055很好，阻尼系数D=0.4速度性能高速受疲劳强度和离心力限制，低中速性能较好中高速性能较好。低速时形不成油漠，无承载能力适应于各种转速摩擦功耗一般较小，润滑调整不当时则较大f=0.0020.008较小f=0.0010.008本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.00050.001噪 声较大无噪声本身无噪声，泵有噪声寿 命受疲劳强度限制在不频繁启动时，寿命较长本身寿命无限，但供油系统的寿命有限2.2.2 适应转速要求由于结构和制造方面的原因，不同型号和规格的轴承所允许的最高转速是不同的。轴承的规格越大，精度等级越低，允许的最高转速越低。在承受径向载荷的轴承当中，圆柱滚子轴承的极限转速，比圆锥滚子轴承的高。在承受轴向载荷的轴承当中，向心推力轴承的极限转速最高；推力球轴承的次之；圆锥滚子轴承的最低，但承载能力与上述次序相反。因此，应综合考虑转速和承载能力两方面要求来选择轴承型式。例如，当轴向载荷较大，而转速不高时，可采用推力球轴承；反之，当转速较高，而轴向载荷不大时，可采用角接触球轴承；如果转速较高，轴向载荷又较大，则可采用双列推力向心球轴承；如果径向和轴向载荷都较小，而转速较高，则可采用向心推力球轴承。2.2.3 适应精度的要求起止推作用的轴承的布置有三种方式：前端定位止推轴承集中布置在前支承；后端定位集中布置在后支承；两端定位分别布置在前、后支承。采用前端定位时，主轴受热变形向后延伸，不影响轴向定位精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙较不便，前支承处发热量较大；后端定位的特点与前述的相反；两端定位时，主轴受热伸长后，轴承轴向间隙的改变较大，若止推轴承布置在径向轴承内侧，主轴可能因热膨胀而弯曲。2.2.4 适应结构的要求当要求主轴组件在性能上有较高的刚度和一定的承载能力，而在结构上径向尺寸要紧凑时，则可在一个支承（尤其是前支承）中配置两个或两个以上的轴承。对于轴间距很小的多主轴机床，由于结构限制，宜采用滚针轴承来承受径向载荷，用推力球轴承来承受轴向载荷，并使两轴承错开排列。2.2.5 适应经济性要求确定主轴轴承配置型式，除应考虑满足性能和结构方面要求外，还应作经济性分析，使经济效果好。例如，在能够满足要求的情况下，一般采用已经标准化、系列化，且大批量生产的滚动轴承较为经济，但对于一些大型、重型机床的主轴组件，当没有标准的大型号滚动轴承时，可采用动压轴承或静压轴承。在中速和大载荷情况下，采用圆锥滚子轴承要比采用向心轴承和推力轴承组合的配置型式成本低，因为前者节省了两个轴承，而且箱体工艺性较好。综合考虑以上因素，本设计的主轴采用前、后支承的两支承主轴，前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合，D级精度；后支承采用圆柱滚子轴承，E级精度。其中前支承的双列圆柱滚子轴承，滚子直径小，数量多（5060个），具有较高的刚度；两列滚子交错布置，减少了刚度的变化量；外圈无挡边，加工方便；轴承内孔为锥孔，锥度为1：12，轴向移动内圈使之径向变形，调整径向间隙和预紧；黄铜实体保持架，利于轴承散热。前支承的总体特点是：主轴静刚度好，回转精度高，温升小，径向间隙可以调整，易保持主轴精度，但由于前支承结构比较复杂，前、后支承的温升不同，热变形较大，此外，装配、调整比较麻烦。2.3 主轴结构的初步拟定主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位的方法，同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性，一般在机床主轴上装有较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴颈起向后依次递减。主轴是空心的或者是实心的，主要取决于机床的类型。此次设计的主轴，也设计成阶梯形，同时，在满足刚度要求的前提下，设计成空心轴，以便通过刀具拉杆。主轴端部系指主轴前端。它的形状决定于机床的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。查金属切削机床设计第135页中通用机床主轴端部的形状图，选短圆锥法兰盘式主轴端部结构形式。其特点是：主轴端面上有四个螺孔，用来固定和传递扭矩给刀具。主轴是空心的，前端有锥度为7:24的锥孔，结构如下所示： 图2-3 短圆锥法兰盘式主轴端部结构2.4 主轴的材料与热处理主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大（2.1×10N/cm左右），所以，主轴材料首先考虑用钢料。钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减少热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（HRC4854）.有关45钢主轴热处理情况如下表2-2所列：表2-2 使用滚动轴承的45钢主轴热处理等参数工 作 条 件使 用 机 床材 料 牌 号热 处 理硬 度常 用代 用轻中负载车、钻、铣、磨床主轴4550调质HB220250轻中负载局部要求高硬度磨床的砂轮轴4550高频淬火HRC5258轻中负载PV400（N·m/cm·s）车、钻、铣、磨床的主轴4550淬火回火高频淬火HRC4250HRC5258此次设计的机床主轴，考虑到主轴材料的选择原则，选用价格便宜的中碳钢（45钢）。查表2-2中，因工作中承受轻、中负荷，且要求局部高硬度，故热处理采用高频淬火，HRC5258。2.5 主轴的技术要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度，零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求。2.5.1 轴颈此次设计的主轴，应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时，以轴颈作为工作基面进行旋转运动；加工主轴时，为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴，一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔；在检查主轴精度时，以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度。采用滚动轴承时，轴颈的精度必须与轴承的精度相适应。轴颈的表面粗糙度和硬度，将影响其与滚动轴承的配合质量。对于普通精度级机床的主轴，其支承轴颈的尺寸精度为IT5，轴颈的几何形状允差（圆度、圆柱度等）通常应小于直径公差的1/41/2。2.5.2 内锥孔内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面。在检验机床精度时，它是代表主轴中心线的基准，用来检查主轴与其他部件的相互位置精度，如主轴与导轨的平行度等。由于刀具和顶尖要经常装拆，故内锥孔必须耐磨。锥孔与轴承轴颈的同轴度，一般以锥孔端部及其相距100300毫米处对轴颈的径向跳动表示；其形状误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验，此乃综合指标；还要求一定的表面粗糙度和硬度等。2.6 主轴组件的计算主轴组件的结构参数主要包括：主轴的平均直径D（初选时常用主轴前轴颈的直径D来表示）；主轴内孔直径d；主轴前端部的悬伸量a；以及主轴支承跨距L等。一般步骤是：首先根据机床主电机功率或机床的主参数来选取D，在满足主轴本身刚度的前提下，按照工艺要求来确定d，根据主轴前端部结构形状和前支承的结构型式来确定a,最后根据D、a和主轴前支承的支承刚度来确定L。主轴轴承的配置型式，对主要结构参数的确定很有关系，故在设计过程中常需交叉进行，最终以主轴组件刚度等性能来衡量其设计的合理性。2.6.1 主轴直径的选择主轴直径对主轴组件刚度的影响很大，直径越大，主轴本身的变形和轴承变形引起的主轴前端位移越小，即主轴组件的刚度越高。但主轴前端轴颈直径D越大，与之相配的轴承等零件的尺寸越大，要达到相同的公差则制造越困难，重量也增加。同时，加大直径还受到轴承所允许的极限转速的限制，甚至为机床结构所不允许。通常，主轴前轴颈直径D可根据传递功率，并参考现有同类机床的主轴轴颈尺寸确定。查金属切削机床设计第157页表5-12中，几种常见的通用机床钢质主轴前轴颈的直径D，可供参考，如下表2-3所示：已知主电机功率P=4KW，机床类型是铣床，查上表中对应项，初取D=80。主轴后轴颈直径D和前轴颈直径D的关系，可根据下列经验公式来定：D=（0.70.85）D因此，有D=（0.70.85）D=（0.70.85）×80=5668，取D=65。表2-3 主轴前轴颈直径D的选择机床机 床 功 率 （千瓦）1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.7车床608070907010595130110145140165铣床5090609060957510090105100115外圆磨床5090557070807590751002.6.2 主轴前后支承轴承的选择2.6.2.1 主轴前支承轴承的选择根据前述关于轴承的选择原则，查金属切削机床设计简明手册第375页，选取主轴前支承的双列向心短圆柱滚子轴承型号为3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D=91，D=117，D=117，r=1。具体结构参数如图2-4所示： 图2-4 双列向心短圆柱滚子轴承（GB285-87）结构参数及安装尺寸再查金属切削机床设计简明手册第365页，选取主轴前支承的推力球轴轴承型号为8215。其中，d=75，d=75.2，D=110，H=27, D=86, D=99，r=1。具体结构参数如图2-5所示：2.6.2.2 主轴后支承轴承的选择查金属切削机床设计简明手册第368页，选取主轴后支承的圆柱滚子轴承型号为2213。其中：d=65，D=120，B=23，D=77，D=110，r=1.5。具体结构参数如图2-6所示：2.6.3 主轴内孔直径该组合机床用于铣削加工，其主轴需有一通过铣刀拉杆的孔，该主轴内孔直径应取在一定范围内，才不致影响主轴刚度。一般，主