毕业设计（论文）-机床主轴设计及静态特性分析

第一章知识介绍与总体方案设计1.1铣削力的决定因素铣削力的计算应先计算铣削功率，关于铣削功率的计算，有以下参考表1-1表1-1硬质合金铣刀功率的计算公式及参考系数公式（1.1）式中D———铣刀直径（单位：mm）；t———铣削深度（单位：mm）；———每齿走刀量（单位：mm/齿）；B———铣削宽度(单位：mm)；Z———铣刀齿数；n———铣刀转速（单位：rpm）；Kn———铣削修正系数。1.2铣削主要参数1.2.1铣削速度V指铣削加工时铣刀的外圆周线速度，单位为m/min。计算公式：公式（1.2）式中：d——铣刀直径，单位为mm；n——铣刀转速，单位为r/min。1.2.2进给量铣削加工时，工件相对于铣刀的移动称为进给，相对移动的速度称为铣削的进给量。进给量有以下三种不同的表示方法:：每齿进给量铣刀每旋转过一个齿时被加工工件沿进给方向移动的距离，单位mm/z；(2)每转进给量f铣刀每旋转一转，工件沿进给方向移动距距离，单位为mm/r[3]；每分钟进给量V铣削加工时，单位时间（一分钟）内，工件沿进给方向移动的距离，单位为mm/min。三种进给量的关系为：公式（1.3）式中：z——铣刀转速，单位为rpm；n——齿数。1.2.3.铣削层用量(1)铣削宽度a铣刀在一次进给运动中所切削掉工件表面材料的宽度，单位为mm。一般情况下，端面铣刀的铣削宽度约为铣刀直径的[3]。（2）背吃刀量a(即切削深度)铣刀在一次进给中所切削掉工件表面材料的厚度，即工件的已加工表面和将要加工到的表面间的垂直距离，单位为mm。一般粗铣时的背吃刀量应不超过铣刀半径，防止背吃刀量过大而造成刀具的损坏；背吃刀量，精铣时约为0.05~0.30mm；端铣刀粗铣时约为2~5mm，精铣时约0.10~0.50mm[5]。1.3铣刀的选择1.3.1铣刀类型的选择常用的铣刀类型如下1）圆柱形铣刀常用于卧式铣床，适合加工工件平面。圆柱形铣刀的刀齿分布在其圆周上，按齿形分为直齿和螺旋齿两种。螺旋齿粗齿铣刀齿数少，刀齿强度大，容屑空间充足，较适用于粗加工。细齿铣刀，刀齿密集，容屑空间小，但加工精度较高，多用于精铣加工。2）面铣刀多见于端面铣床、立式铣床和龙门铣床上。特征为：面铣刀的端面和圆周上都有刀齿。3）立铣刀适用于用于加工沟槽和台阶面等。特征为：立铣刀的端面和圆周上都有刀齿，但是一般不能进行轴向进给。4）三面刃铣刀适用于加工沟槽和台阶面等。特征为：三面铣刀的两侧面和圆周上有刀齿，多为可转位刀具。对于本课题所设计的卧式加工中心，拟选用圆柱铣刀。1.3.2铣刀齿数的选择铣刀齿数能决定生产效率，即铣刀齿数越多，生产效率越高，但受受铣刀容屑空隙、刀齿的强度、机床功率及刚性等限制条件的影响，不同类型的铣刀的齿数均有相应最佳值。为满足不同用户的需要，同一直径的铣刀一般有粗齿、中齿、密齿三种类型[3]。1）粗齿铣刀，适用于普通铣削机床进行大余量粗加工、软材料的加工或切削宽度较大的铣削加工；当机床功率较小时，也常选用粗齿铣刀，以保证切削稳定性。2）中齿铣刀,通用系列铣刀，应用范围广泛，在满足一定的金属切除率的同时能具有足够的切削稳定性。3)密齿铣刀,适用于铸铁和铝合金等的切削加工，进给速度一般较大。在流水线加工中，也多选用密齿铣刀，以充分利用\t"/t/30076/2016/0320/_blank"设备、提高生产效率(注意：这里所用密齿铣刀以满足要求为主，所用铣刀不一定为标准铣刀)。除以上常见类型外，另有不等分齿距铣刀，这种铣刀能防止工艺系统出现共振，使切削平稳。如WALTER公司的NOVEX系列铣刀均采用了不等分齿距技术。在铸件的大余量粗切削加中多选用不等分齿距铣刀。铣削加工过程中，工艺上往往要求粗精铣分开加工，而粗铣精度往往低于精铣，且消耗量是精铣的几倍，一般在粗加工时尽可能的发挥机床的潜力，保证合理的刀具寿命；精加工时，则首先保证加工精度好表明粗糙度，同时兼顾加工效率[3]。在确定铣刀的齿数时，为使铣刀获得最佳的工作性能，没有制定通用规定来规定铣刀的齿数。然而，在确定铣刀齿数时必须考虑以下两个点：1）铣刀的齿数不能太多，如果铣刀的齿数过多，齿过于密集，排屑槽的空间就会过小，铣屑的排出将受到影响。2）排屑槽必须很平滑，不能有凸起或者毛刺，否则铣屑可能会滞留在排屑槽内，滞留的铣削会影响铣削加工的精度。为得到满意的切削性能，铣削刀具的齿数不能远超过一次铣削所用齿。为满足上述要求，推荐使用下列公式来确定铣刀齿数：端面铣刀：公式（1.4）外周铣刀:公式（1.5）式中，A为刀具的螺旋角（对于圆柱平面铣刀，螺旋角为0）。根据以上公式可以大致得出铣刀的齿数,需注意的是铣刀的齿数尽可能的向大圆整。1.3.3铣刀直径的选择铣刀直径的根据加工产品及生产批量的不同而不同，铣刀\t"/t/30106/2014/0712/_blank"刀具直径的选用主要取决于\t"/t/30106/2014/0712/_blank"设备的规格和工件的加工尺寸。常用的圆柱铣刀直径分别为50mm，63mm，80mm，100mm[3]。因为本课题设计主轴的转速较低，工件的加工尺寸未知，铣刀的直径初拟取较大值80mm。1.3.4部分铣刀参数的选择铣削的进给量不仅与铣刀的类型、铣刀的工作情况有关，而且与加工的材料有关。查《实用机床设计手册》部分铣削刀具与加工工件材料对应的铣削每齿进给量如下表1-2：表1-2每齿进给量的推荐表（单位：mm)

铣削宽度主要由工件的加工余量和加工工件的表面粗糙度来决定。当机床功率较大，主轴的刚性较好，同时精度要求不高，加工余量较小时，可在一次加工过程中就铣去全部余量，铣削的宽度取较大值；如果加工精度要求较高或表明粗糙度要求较高时，加工过程必须先粗铣后精铣，不能一次铣去大量的余量，铣削的宽度取较小值。需要注意的是铣削加工过程中，工艺上往往要求粗精铣分开加工，而粗铣精度往往低于精铣，且消耗量是精铣的几倍。铣削宽度参考值如下表1-3：表1-3铣削宽度参考值(单位：mm)主偏角为铣刀切削刃与切削平面间的夹角。铣刀的主偏角常用尺寸有90°、88°、75°、70°、60°、45°等几种[3]。平面铣削的铣刀的主偏角一般选取为60°-75°。铣削的适用切削速度由铣刀的材质以及所加工工件的材料决定，经验值如表1-4。表1-4铣削加工常用切削速度经验值（单位：m/min）通过以上内容，可以对铣削以及铣削力有一定的了解。在对设计对象有了一定的了解后，可以开始初步的设计。1.4卧式加工中心主轴总体设计1.4.1设计内容设计内容是卧式加工中心的主轴单元，包括传动件，主轴，轴承。该加工中心的主轴转速不高，为一般机床，未要求极高的加工精度。已知数据为主轴的最大转速为2000rpm(即2000r/min)，预计铣削切削力为900N。设计要求包括对主轴部件进行设计与计算，建立主轴三维模型，利用有限元软件Simulation进行主轴静力学分析以及对主轴进行优化设计。1.4.2总体设计主轴部件由主轴、轴承、传动件（如齿轮、带轮）和固定件（如螺母）等组成，是机床的重要组成部分[2]。铣削加工时由主轴夹持铣刀直接参加表面成形运动，对工件的表明进行加工，因此，铣削主轴部件的工作性能对加工质量和机床生产率有重要影响。主轴的传动方式采用一级传动，将原动机动力通过传动带直接传递给主轴，这样的优点是使结构紧凑，装卸方便，同时带传动传动平稳有利于降低卧式铣削机床振动较大的问题。主轴的强度验算是判定主轴设计是否正确的依据之一,因而主轴强度校核在主轴设计中必不可少。主轴部件中最重要的组件是轴承，由于主轴转速为2000rpm,转速较低，回转精度比较高，故采用角接触球轴承支承，轴承润滑方式采用脂润滑，轴承的配置采用双支点单向固定；根据主轴工作情况，主轴支承采用前后两个支承，这种方式结构简单，制造装配方便，容易保证精度。第二章传动系的设计2.1传动的重要性工作机一般都要靠原动机供给一定形式的能量（绝大多数是机械能）才能工作。但是，把原动机和工作机直接连接起来的情况是很少的，往往需在两者之间加入传递动力或者改变运动状态的传动装置[3]。其原因主要有：1.工作机要求的速度一般与原动机的最优速度不相符；2.很多工作机都需要根据生产要求来进行速度调整，仅依靠调整原动机的速度是无法达到这个目的的；3.某些情况下需要一台原动机同时带动若干工作速度不同的工作主机；4.为了方便维护以及减少机床的占地面积。2.2传动方式的分类与选取机械传动主要分为摩擦传动（主要为带传动）、啮合传动（主要为齿轮传动）、液力传动和气压传动[4]。在这里我们主要考虑的是机械传动中的带传动和齿轮传动。带传动是一种挠性传动。带传动主要由带轮和传动带组成。带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点，在机械工业中应用十分广泛。但是带传动的精度不能达到很高，同时带传动的工作寿命较低，传动比不稳定对其工作可靠性也有一定的影响。齿轮传动通过齿轮之间的啮合来传递能量，能够传递很高的功率。齿轮传动具有传动效率高，结构紧凑，工作可靠寿命长，传动比稳定等优点。但是，齿轮传动的制造安装精度要求较高，其造价也十分昂贵。选择传动类型时应注意传动效率，外轮廓尺寸大小，质量，运动性能，以及是否符合生产条件。在这里本课题所设计的机床转速较低，同时并未要求极高的精度，并且考虑到造价与体型大小，传动方式应选择带传动。2.3主传动功率计算方法选择主传动功率是选择电动机的依据，可根据消耗在切削过程中的切削功率和带传动的总效率确定,铣削功率为主切削力和进给力做功所消耗的功率之和。=/公式（2.2）=××××××××公式（2.2）这里需要指出的是，从第一章关于铣削知识的介绍可知为实际铣削功率，计算条件复杂，并且机床的设计过程中只要知道铣削功率的大致范围也可以进行主传动功率的计算。因此，拟采用估算的方式计算大致的铣削功率。2.4电动的选择已知铣削力为900N，主轴转速为2000RPM，铣刀初拟为80mm圆柱形铣刀，根据《实用机床设计手册》，可大致估算铣削功率:公式（2.3）根据切削功率选择电动机，还要考虑机床的传动效率。一般取为0.75～0.85，由于机床主轴采用电动机带动同步带轮的一级传动，并且轴承精度等级很高，故机床主传动效率很高，可取较大值，这里取＝0.80，公式（2.4）我们已知=7.54KW,则9.43kW查高等教育出版社《机械设计课程设计》Y系列三相异步电动机的技术数据表(国标ZBK22007-88)。电机型号Y160M-8，同步转速1000RPM,2极，额定功率为11kW满载转速为970r/min,堵转转矩/额定转矩=2.0，最大转矩/额定转矩=2.2，质量119Kg。2.5主传动带及带轮设计由于主轴的最高转速为1194RPM，电动机的满载转速为720RPM，故取同步带传动比=2.1。2.5.1确定计算功率由《机械设计(第九版)》工作系数表，金属切削机床的工作情况系数K=1.1，则==1.111kW=12.1kW公式（2.5）根据，n,查普通V带选型图，V带带型选C型。2.5.2初选小带轮的基本直径并验算带速v。由《机械设计（第九版）》V带轮的最小基准直径表和普通V带轮的直径系列表，取小带轮的基准直径=200mm。验算带速:公式（2.6）因为5m/s<v<20m/s，故带速合适。计算大带轮直径：公式（2.7）根据《机械设计（第九版）》普通V带轮的直径系列表，取标准值为450mm。2.5.3确定V带的中心距a和基准长度L初定中心距，4551300，这里初拟a=700mm。计算带所需的基准长度:公式（2.8）由《机械设计（第九版）》普通V带的基准长度表，选带的基准长度=2420mm。计算实际中心距公式（2.9）则中心距的变化范围675.5mm-779mm。验算小带轮上的包角公式（2.10）2.5.4计算带的根数z（1）计算单根V带的额定功率。由查单根普通V带的基本额定功率表，得。根据和C型带，查单根普通V带额定功率的增量表，得△。根据，查包角修正系数表得,由，C型带，查带长修正系数表得，,于是△(6.34+1.76)kW公式（2.11）（2）计算V带的根数公式（2.12）取正为z=2。（3）计算单根V带的初拉力F由V带单位长度的质量表得，C型带的单位长度质量q=0.300kg/m,所以公式（2.14）计算压轴力：公式（2.15）2.5.5带轮的参数选择转速不高时带轮材料多采用HT150与HT200（最小抗拉强度分别为150与200的灰口铸铁）,转速较高时带轮材料多采用铸钢，当传递功率较小时带轮也可采用铸铝或者塑料。这里带轮的材料选为HT150。V带轮主要由轮缘、轮毂、轮辐三部分组成，根据轮辐结构的差异，将V带轮分为实心式、腹板式、孔板式和椭圆轮辐式4种[6]。在机械设计过程中，V带轮结构形式的选取与基准直径有关。其中实心式适用于2.5（为带轮直径，d为带轮所在轴的直径）的V带轮，腹板式适用于300mm的V带轮，椭圆轮辐式适用于300mm的带轮。查轮槽截面尺寸表可知，对于C型带，带轮直径315mm，与对应的，两轮槽中心间距e为。第三章主轴设计3.1主轴部件的设计3.1.1主轴部件应满足的基本要求（1）旋转精度主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。旋转精度取决于各主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。主轴支承轴颈的圆度，轴承滚道及滚子的圆度，主轴及随其回转零件的动平衡等因素，均可造成径向跳动；轴承支承端面，主轴轴肩及相关零件端面对主轴回转中心线的垂直度误差，止推轴承的滚道及滚动体误差等将造成主轴轴向跳动；主轴主要定心面（如车床主轴端的定心短锥孔和前端内锥孔）的径向跳动和轴向跳动。（2）刚度主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度[4]。在本文主轴设计中，主要考虑的是主轴的静态特性，因而着重点是满足主轴的刚度要求。3.1.2密封主轴部件密封装置的作用，是防止润滑剂从部件中流出，和防止冷却液、湿气、灰尘、切屑及杂物等侵入部件内，导致主轴、轴承和传动件等腐蚀及磨损过快，影响主轴部件的工作性能[4]。对主轴部件密封装置的要求适应转速的要求，在一定的压力和温度范围内具有良好的密封性能。在密封部位引起的摩擦力应尽量小，摩擦系数应尽量稳定。1)适应工作环境的要求，密封性能好、耐腐蚀、磨损小、工作寿命长。磨损后，在一定程度上能自动补偿。2)结构尽可能紧凑，特别是主轴前支承处的密封装置，轴向尺寸应尽量小，以减少主轴前端部的悬伸量，提高主轴部件刚度。同时力求结构简单、装卸方便。在主轴部件的装配过程中，主轴的密封与轴承的密封应同时考虑。3.2主轴设计已知电动机功率是11Kw,转速为970PRM，轴上带轮直径d=200mm,轴上功率P为7.54Kw，主轴转速n=2000rpm,切削力Fz为900N。轴上转矩:公式（3.1）由《实用机床设计手册》查得：由经验公式，轴向切削分力,径向切削分力。这里，取；。按扭转强度条件初步确定轴的最小直径，由扭转强度公式：公式（3.2）式子中：为扭转切应力，单位MPa；T为施加在轴上的扭矩，单位；为轴的抗扭截面系数，单位；n为设计轴的转速，单位RPM；P为需要通过轴传递的功率，单位kW；d为所计算的轴的直径，单位mm；为允许用扭转切应力，单位MPa,查《机械设计》第九版，可以得知45钢的许用扭转切应力=（25-35）。由以上式子可以得，轴的直径约束条件为：d公式（3.3）这里将用A替代，而A可以查标准值，查机械设计第九版，得45钢的=(126-103)，考虑到机床主轴不仅受扭矩作用，且轴向载荷较大，故应该取较大值，这里取=1.26。则轴的计算最小直径公式（3.4）考虑到圆柱铣刀的安装与带轮与轴的连接需依靠键槽，而轴上的键槽的对于轴的强度具有一定的削弱作用，因而需要增到轴径。查相关资料可知，对于直径大于100mm的轴，因为键槽对轴的削弱作用，当轴上有一个键槽，轴径应当增大3%，当轴上有两个键槽时，轴径应当增大7%[4]。对于直径不大于100mm的轴，当轴上有一个键槽时，轴径应当增大5%-7%；当轴上有两个键槽时，轴径应当增大10%-15%。同时，计算后的值都应当元整为轴径的标准直径。这里，初算所得的轴的最小直径为20.01mm，显然轴的直径应不大于100mm，同时轴上有两个键槽，轴径应增大10%-15%，这里，轴径增大15%。则d公式（3.5）将轴径圆整为标准值为同时查《中华人民共和国国家标准:圆柱形铣刀(第1部分)•型式和尺寸(GB/T1115.1-2002)》可得以下表：表3-1圆柱形铣刀可用尺（注：键槽的尺寸按照GB/T6132的规定）由上表可知80mm尺寸得铣刀，其安装轴孔为32mm，铣刀长度为63mm。则对应轴段的轴径为32mm，对应轴段的长度为63mm。圆柱形轴伸查机械工业出版社《实用机床设计手册》可得。为了不过多的削弱主轴刚度，卧式机床床主轴孔径d通常不小于主轴平均直径的55%—60%[4]。其余轴颈轴段的轴径与轴段长度与轴承的尺寸有关，在轴承的设计部分完成后继续进行。第四章轴承设计4.1轴承的结构4.1.1轴承的配置常用的轴承配置方法有：双支点单向固定、一支点双向固定，另一支点游动、两端游动支承[4]。双支点单向固定常用两个反向安装的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，两个轴承各限制在一个方向的轴向移动。这种方式支承刚度差。一支点双向固定，另一支点游动适用于跨度较大，工作温度较高，热伸长量大的轴。两端游动支承适用于人字齿轮，防止人字齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均匀。4.1.2轴承配合正确的选择轴承配合应保证轴承正常运转，防止内圈与轴、外圈与外壳孔在工作时发生相对转动。4.1.3轴承的密封装置轴承的装密封置不仅能够阻止尘埃、水气、腐蚀物质以及其他杂质进入轴承中，而且能够有效的阻止润滑物质的氧化与流失。密封装置主要有两种类型：（1）接触式密封这种密封方式通过在轴承盖内放置能够与接触的柔软的材料使轴承密封。其常用的几种结构形式为毡圈油封、唇形密封圈、密封环。a.毡圈油封在轴承盖上预留梯形槽，毛毡制成大小适中的环形或者带形（尺寸不大时多用环形，尺寸较大时多用带形），将毡圈放置在预留的梯形槽内从而与轴密合接触。这种密封一般用于脂润滑的轴承，这种方式结构简单，但是由于其摩擦较大，只能用与滑动速度较小的地方（滑动速度应小于4~5m/s，当提高轴的表面粗糙度或者提高毛毡的质量时对应速度有所提升，但不会高于7~8m/s）。b.唇形密封圈用耐油橡胶制作密封圈，将该密封圈放置在轴承盖中，依靠折弯的橡胶的弹力紧紧的套在轴上，从而实现密封。密封圈的唇应朝向密封部位。这中密封方式能够用于滑动速度小于10m/s的密封轴承（轴颈需要精车，当轴颈磨光处理时，滑动速度上限可达15m/s），需要注意的是，这种密封方式对轴颈与密封圈接触部位的耐磨性要求较高，一般轴的这个部位需要进行硬化处理。c.密封环密封环是一种环形密封件，把它放置在套筒的环槽内，套筒与轴一起转动，密封环缺口被压拢后所具有恢复原状的弹力使之能够与内环壁精密结合，从而起到密封作用。这种密封方式适用于滑动速度低于100m/s以下的情况，需要注意的是这种密封方式各个接触面必须经过硬化处理并且进行磨光。（2）非接触式密封相对与接触式密封，非接触式密封能够有效避免接触位置产生的滑动摩擦，从而提高轴的使用寿命。其中常用的非接触式密封为隙缝密封、甩油密封和曲路密封。a.隙缝密封对于脂润滑的轴承，通过在轴承和轴承盖的通孔壁上预留一个极窄的缝隙，能够起到一定的密封作用。b.甩油密封对于油润滑的轴承，通过在轴上开一个槽，使轴在按一个方向旋转时，能够使将要向外流失的润滑油回流到轴承腔内，从而起到密封作用。c.曲路密封这种密封方式由旋转和固定的密封零件之间拼接成的曲折的缝隙形成，缝隙内充入润滑脂，从而实现密封。当轴承的工作环境比较湿润比较脏时，曲路密封仍能保持良好的密封。根据设计要求，主轴的转速较高，应考虑到接触式密封在转速过高时的发热问题，将接触式密封排除在外，同时，考虑到密封的可靠性以及工作环境，应选择曲路密封，并且在隙缝中填入润滑脂。4.2轴承设计已知，轴的轴向载荷Fa为560N，径向载荷为Fr=450N。轴与轴承的转速为2000RPM,在轴的设计部分，轴的直径不大于100mm，则安装轴承处的轴颈直径也不大于100mm。设计的轴承在金属切削机床上使用，查表可知，预期的计算寿命为20000至30000小时。求比值Fa/Fr=公式（4.1）根据表13-5，角接触球轴承的最大e值为0.56，此时满足Fa/Fre。初步计算当量载荷P，根据式子=k公式（4.2）公式（4.3）则公式（4.4）机床的载荷性质为中等冲击或者中等惯性冲击，的取值范围为1.2-1.8，这里，取=1.4。查表得，角接触球轴承的X取值为0.44，Y值需要在已知轴承型号和基本额定静载荷后才能查出。Y值的取值范围为1.00至1.47，现初步拟定Y=1.24。则轴承应有的基本额定动载荷可根据经验公式求出式子中L的单位为10r,为指数，对于角接触球轴承，的取值为3。则，设计轴承应有的基本额定动载荷为：公式（4.5）按照轴承样本，同时联系到圆柱铣刀的内径尺寸，选择角接触球轴承7207C型角接触球轴承。其基本额定动载荷为C=23.5kN，对应的外形尺寸为孔径35mm，外径72mm，宽17mm，对应的定位轴肩取值范围为（42-56）mm，这里取轴承的的定位轴肩对应的轴径为42mm[7]。7207C型角接触球轴承的基本额定静载荷为16.5kN。验算过程如下：求相对轴向载荷对应的e值与Y值。相对轴向载荷为公式（4.6）在径向动载荷系数X与轴向动载荷Y表中查得，该值介于0.029与0.058之间，对应的e值为0.40-0.43，Y值为1.40-1.30。（2）用线性插值法求Y值公式（4.7）(3)求当量载荷PP=1.2(0.44公式（4.8）验算轴承的寿命，由公式公式（4.9）则轴承的计算寿命为公式（4.10）显然大于则选用的轴承满足设计要求。4.3主轴轴承配置形式轴承的配置形式取决于刚度及精度要求，可有多种方式。为提高主轴的刚度和抗颠覆性，主轴前后轴承采用如图所示方式配置。图4-1其中所采用的圆柱轴承为内径同为35mm的6207深沟球轴承，以便于主轴的装配。4.4主轴机构设计通过以上计算过程后得到的数据，可以进行轴结构的设计,如图4-2:图4-2为满足与80mm圆柱铣刀的连接要求，I-II段带的直径取32mm，轴段长取64mm。III-IV段安装有7207C角接触球轴承与32207圆柱轴承，根据轴承的安装尺寸，改段轴的轴径为35mm，参照工作要求，轴段的长度应大于51mm。IV-V段为与轴承的定位有关，查常用滚动轴承表可知，7207C型角接触球轴承的定位轴肩高为3.5mm，因此IV-V段直径取42mm。V-VI段安装有7207C角接触球轴承根据轴承的安装尺寸，改段轴的轴径为35mm，参照工作要求，轴段的长度应大于34mm。VII-VIII段安装带轮，根据带轮的尺寸，该段的直径为30mm，轴段长70mm。轴承端盖与轴承外圈的轴向定位有关，同时与密封件配合起到密封作用，取轴承端盖的总宽度为20mm，为了方便轴承端盖的装配以及轴承采用油脂润滑需要添加润滑油脂，故III-IV段，V-VI段取31mm的轴段长，并取1mm阶梯过渡。4.5强度计算及结构优化4.5.1主轴的强度计算1）画出轴的计算简图如图4-3所示：图4-3轴的计算简图其中为圆周切削力所产生的径向抗力（即走刀抗力），=450N；为圆周切削力所产生的抗力，=900N；为圆周切削力所产生的轴向抗力，=560N；为带轮对轴的压轴力，=954.40N。为计算方便，如下图，将轴上作用力分解到水平面和垂直面内进行计算。取集中力作用于轴上零件宽度的中点，则L1=112mm,L2=192mm,L3=154mm，轴的受力计算图如图4-4所示。图4-4轴分解到水平面方向上的作用力式中取为铣刀的半径，即=80mm。图4-5轴分解到垂直面方向上的作用2）求支反力：水平面内支反力：公式（4.11）公式（4.12）公式（4.13）综上可得，，（“—”表示主轴组件实际支反力与图示相反）。垂直面内支反力：公式（4.14）公式（4.15）计算得，3）计算轴的弯矩、转矩，画出弯矩图、合成弯矩图、扭矩图：水平面弯矩：公式（4.16）垂直面弯矩：公式（4.17）M公式（4.18）水平面和垂直面弯矩图如图所示。图4-6水平面弯矩图图4-7垂直面弯矩图合成弯矩：公式（4.19）公式（4.20）图4-8合成弯矩图轴的扭矩：公式（4.21）图4-9轴的扭矩图4）计算主轴的当量弯矩：转矩按脉动循环变化计算，取得：公式（4.22）公式(4.23)公式（4.24)进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩的截面的强度，得公式（4.25）公式（4.26）查轴的常用材料及其主要力学性能表可知，45钢调质处理后许用弯曲应力[]=60MPa。显然，[]，所以轴强度足够。4.5.2轴的结构工艺性设计轴的结构应当便于轴的加工以及轴上零件的装配，一般来说，在满足轴的使用要求的前提下，轴的结构形式应当尽量简化。在该设计的轴上，为了便于轴上零件的装配以及去除毛刺，轴端应设有45的倒角，查零件倒角C与圆角半径推荐值表可知对于轴径为18-30mm的轴，倒角C推荐值为1.0，对于轴径为30-50mm的轴，倒角推荐值为1.2mm，同时，我们知道，简化轴的结构形式时，轴上直径相似的倒角应尽可能的采用相同的尺寸可以减少加工刀具的种类并提高加工的效率，因而，这里将所有的倒角值取为1.0mm。为了便于螺纹的切削，有螺纹的轴段应预留退刀槽，同上，简化轴的结构形式时，轴上直径相似的退刀槽宽度应尽可能的采用相同的尺寸可以减少加工刀具的种类并提高加工的效率这里退刀槽宽统一取2mm。4.5.3主轴结构优化加工中心的主轴一般为空心轴，这样虽然轴的空间体积比较大，但是轴的重量反而有所降低。同时，在载荷相等的条件下,合理壁厚的空心轴设计可以在很大程度上节约材料[8]。根据材料力学的原理，当轴传递力矩时，从轴的径向面来看，越是远离轴心的地方传递有效力矩的作用越大，越是轴心部位传递力矩的作用越小，因而，在传递较大力矩时，采用空心轴同时增大轴径，是常用的有效措施之一。同时，对于空心轴而言，以上约束条件式子，将加入参考系数，为空心轴的空心内径与轴的外径之比。按扭转强度空心轴的直径约束条件为公式（4.27)通常的取值为（0.5-0.6），这里取空心轴的参考系数=0.5。综上，轴的最小直径考虑到圆柱铣刀的安装与带轮与轴的连接需依靠键槽，而轴上的键槽的对于轴的强度具有一定的削弱作用，因而需要增到轴径。查相关资料可知，对于直径大于100mm的轴，因为键槽对轴的削弱作用，当轴上有一个键槽，轴径应当增大3%，当轴上有两个键槽时，轴径应当增大7%。对于直径不大于100mm的轴，当轴上有一个键槽时，轴径应当增大5%-7%；当轴上有两个键槽时，轴径应当增大10%-15%。同时，计算后的值都应当元整为轴径的标准直径。这里，初算所得的轴的最小直径为20.01mm，显然轴的直径应不大于100mm，同时轴上有两个键槽，轴径应增大10%-15%，这里，轴径增大15%。则d=(1+15%)公式（4.28）对优化后轴的强度计算：公式（4.29)公式（4.30)[]任然成立，轴的强度依旧足够。于此同时，轴传递的有效力矩的作用有所增强。第五章主轴部件的有限元分析5.1有限元分析的意义工程设计中的一项重要工作是利用分析工具计算零部件的强度、刚度及动态性能，从而预知所设计的零件是否满足要求[9]。常用的分析工具是有限元分析软件，这种方法简称有限元法。Simulation插件是SolidWorks软件中常用的的三维参数化分析插件，只需确定模型的材料，在三维模型上添加外部载荷和约束条件，对三维模型进行网格化划分并进行运算，能得到可靠的有限元分析结果，对设计验证具有极大的参考价值。5.2有限元分析的注意事项利用SolidWorks软件建立三维模型利用Simulation插件对三维进行有限元分析时，对模型进行合理的简化有利于降低分析处理的时间，提高软件的分析效率。模型的简化处理方式一般如下：1.阶梯轴过渡处忽略，轴直径以最小处为准，倒角圆角螺纹退刀槽等也可忽略不计；2.忽略对轴强度影响不大的尺寸较小的工艺孔，注油孔，键