车床主轴组件设计（以MJ20为参考）

项目名称车床主轴回转精度测量及其主轴组件设计学院专业年级班别学号学生姓名指导教师实验时间设计说明书

目录第一部分项目概述 第一部分项目概述一、项目的性质和目标本课程为基于问题研究的项目课程。学生带着解决特定工艺要求、功能和性能指标要求的制造装备设计问题，在实验室取得对工艺装备感性认识，应用工程力学、机械设计、机械制造、互换性与公差测量技术等相关专业知识，对问题展开综合分析和研究，运用计算机设计和仿真分析工具软件，以团队合作形式分组完成对工艺装备设计的综合性项目训练。全面了解开发、设计一种装备产品的基本过程，初步掌握针对给定的制造工艺工程，设计满足特定工艺条件下的工艺装备或装备的主要功能部件能力，并培养学生正确运用工程技术规范、标准表达设计文件的能力。通过本项目，模拟实际情况得到解决机械制造工艺装备设计技能方面的训练。具体要达到以下目标：(1)掌握针对给定的生产条件，综合考虑制造工艺要求、可制造性和经济新、安全性等问题，设计满足特定工艺条件下的工艺装备或装备的主要功能部件能力。(2)掌握运用计算机设计和分析仿真工具软件完成综合性的设计、仿真分析，发现和预测装备设计中可能的缺陷和局限性，提出改进措施的能力。(3)培养团队协作能力和责任心，能在分组讨论、方案拟定、设计仿真中承担正确的角色和应有的责任。(4)掌握正确理解工艺需求，按工程技术规范表达设计思想、撰写项目报告和编制技术文件的能力，并能够通过PPT和项目答辩对设计意图进行有效陈述。二、项目的任务和要求本次设计任务针对学院实验中心现有的装备或模型，通过观摩、外围零部件的拆装、查找图书资料、网络收集技术资料等方法，对装备或关键零部件进行机械结构方面的设计。具体包括以下任务和要求：(1)实验操作学生通过操作、使用、观摩及测绘等的动态工作过程，了解装备的工艺条件、生产环境和工作原理，拆分工艺装备运动传动链；熟悉多种部件机械结构的构成和功能，掌握机械部件的装配结构，公差选择和标注原则。(2)问题分析及方案指标制定在实验室工作的基础上，分组研究制定工艺装备的设计方案，研究运动、结构、工艺性和成本等制约因素及冲突，发现问题并研究就觉方案；分析机械装置各零件运动联系方式，确定机械的传动链以及工作原理，绘制机械结构运动简图。确定小组分工与配合工作任务，明确个人在项目中的任务角色和职责范围；确定装备设计功能和性能指标。(3)装备结构设计与仿真运用3D设计软件，学生对机械装备本体进行设计，要求能正确地反映设备的详细结构。以小组为单位测绘一个装备或关键部件，小组中每个同学必须完成三件以上零件的建模设计，确定公差配合，绘制工程图。通过运动仿真和有限单元分析软件对设计模型进行仿真分析，在此基础上提出改进措施，优化改进设计参数和结构，进行创新性设计研究。(4)撰写设计报告和答辩每位学生必须根据具体工作内容，完成一篇不少于1000字的设计报告书。每个小组制作PPT，在答辩中陈述发言，说明每个人的设计思想，介绍作品和设计特色，回答老师提出的问题。本项目以实验环节为主，然后开展设计活动，要求学生能每个人亲自动手操作，体会到设计和制造、操纵控制机电实验设备的乐趣。

三、项目的进程安排周次项目设计各阶段内容地点15布置任务、划分小组多媒体教室151、收集有关机械装备的基本资料，熟悉对应指定的实验装置，研讨设计指标2、网上收集资料、调研在实验室完成16各组预约实验室：1、安排在实验室做运行观摩、测绘、数据采集等实验2、制定工作范围，开展结构方案、驱动与执行机构等设计3、提出拟解决问题在实验室和宿舍完成171、讨论找出解决问题的途径2、采用三维设计软件，进行机械机构和结构的设计建模，直至工程图上机完成181、自行开展设计与分析2、辅导与答疑3、学生撰写分析报告上机及实验室完成19小组演讲、批改报告、答辩、评定成绩在多媒体和实验室完成表1项目进度安排四、项目目的及意义（1）在设计过程中，学生会接触到机械的控制、驱动、传动等技术，学习机械制造中的工艺、工装、测量等知识；使学生初步掌握开发、设计一个产品的有关过程。（2）通过完成本实践项目课程，较为熟练的掌握、操作使用SW、CAD设计软件；（3）重点培养团队协助设计能力，要求在自主收集、查阅相关资料的前提下进行项目设计，鼓励创新。五、项目分工表2组内项目分工六、项目阐述车床主轴组件是机床的核心部件，它带动工件或刀具直接参与表面成形运动，其工作性能对机床的加工质量及生产率有直接影响。机床主轴组件的结构形式多种多样，即使同一类机床，由于工作性能要求不同，主轴组件的结构也会存在较大差异。本项目首先对车床主轴进行静态回转精度测量、静态刚度测量，学习测量的方法和工具使用，然后测绘主轴组件，了解组成结构，进行使用结构、加工结构、装配结构的测绘设计。基本工作任务如下：1、分析确定车床主轴的主要技术性能指标；2、根据技术性能指标要求确定总体结构方案；3、主轴的端部接口结构设计；4、主轴组件传动结构设计；5、主轴组件装配结构、工艺结构设计。

成果体现形式：1、小组学习成果：包括一套完整的设计流程，小组工作总结；2、个人学习成果：包括个人构思的方案及计算说明，设计日志，小组分工中个人负责的图纸等；3、演讲与答辩环节的表现；4、综合评分（单独体现）。提供以下结课文件：1、设计报告1份(说明书、日志)、装配图1张、零件图3张2、建模文件/模拟文件(动画或有限元)+答辩PPT

第二部分车床测定指标与确定方案一、分析确定车床主要技术性能指标1.1车床主要技术参数床身上最大工件回转直径：400mm刀架上最大工件回转直径：210mm最大工件长度：750mm、1000mm、1500mm、2000mm主轴通孔直径：50mm1.2主传动系统特点1、目前数控机床的主传动电动机已不再采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机，它们已逐步被新型的交流调速电动机和直流调速电动机所代替。2、转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率的切削和高速切削，实现高效率加工。3、变速围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn＞100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。4、主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。1.3主传动系统要求1.具有较大的调速范围，并实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中工件一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。3.良好的抗振性和热稳定性。数控机床一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀运动部件不平稳以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力—抗振性。抗振性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度阻尼比及固有频率等参数。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。1.4主轴组件的技术要求主轴组件由主轴及其支承轴承、传动件、定位元件等组成。主轴组件是主运动的执行件，是机床重要的组成部分。它的功用是缩小主运动的传动误差，并将运动传递给工件或刀具进行切削,形成表面成形运动;承受切削力和传动力等载荷。主轴组件直接参与切削,其性能影响加工精度和生产效率，因而是决定机床性能和经济性指标的重要因素。主轴组件应满足的基本要求如下。1.4.1主轴部件的性能要求1.旋转精度主轴的旋转精度是机床几何精度的组成部分，它是指主轴组件装配后，静止或低速空载状态下，刀具或工件安装基面上的全跳动值。它取决于主轴、主轴的支承轴承、箱体孔等的制造精度、装配和调整精度。2.静刚度静刚度简称刚度,是主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力,通常以主轴端部产生单位位移弹性变形时，位移方向上所施加的力表示。典型主轴的力学模型为外伸梁（简支梁和悬臂梁的组合）当外伸端受径向作用力F（单位：N）时，受力方向的弹性位移为y（单位：μm）时，如图2.1所示，主轴的刚度K为K=图1主轴组件刚度简图3.动刚度机床在额定载荷下切削时.主轴组件抵抗变形的能力称为动刚度。由于工件毛坯硬度不匀尺寸误差、断续切削、多刃切削等因素，使切削力成为变量，主轴组件的弹性位移随之成为变化的值，形成振动。动态刚度实际上是指机床抵抗受迫振动和自激振动的能力。习惯上上述两个能力称为切削的稳定性。主轴组件的动刚度直接影响加工精度和刀具的使用寿命，是机床重要的性能指标。但目前对抗振性的指标尚无统一标准,设计时可在统计分析的基础上结合实验进行确定。动刚度与静刚度成正比，在共振区，与阻尼(振动的阻力)近似成正比。可通过增加静刚度，增加阻尼比来提高动刚度。4.温升和热变形当主轴组件工作时,轴承的摩擦形成热源，切削热和齿轮啮合热的传递，导致主轴部件温度升高,产生热变形。主轴热变形可引起轴承间隙变化，轴心位置偏移,定位基面的形状尺寸和位置产生变化;润滑油温度升高后，黏度下降,阻尼降低。因此主轴组件的热变形，将严重影响加工精度。各类机床对温升都有一定限制，室温为20℃时，普通机床温升为30-40℃，室温不为20度时，温升Tt的许可值可表示为:T式中Kt—润滑剂修正系数，当润滑油牌号为N32\N46时，Kt分别为0.6/0.5；脂润滑时Kt=0.9。5.精度保持性主轴组件的精度保持性是指长期保持其原始制造精度的能力。主轴组件的主要失效形式是磨损，所以精度保持性又称为耐磨性。主轴组件的主要磨损有:主轴轴承的疲劳磨损，主轴轴颈表面、装卡刀具的定位基面的磨损等。磨损的速度与摩擦性质、摩擦副的结构特点、摩擦副材料的硬度、摩擦面积、摩擦面表面精度以及润滑方式等有关。如普通机床主轴，一般采用45或60优质结构钢，主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面,高频淬火，硬度为50~55HRC。6.主轴回转精度测量主轴在作转动运动时，在同一瞬间，主轴上线速度为零的点的连线，称为主轴在该瞬间的回转中心线，在理想状况下，主轴在每一瞬间的回转中心线的空间位置，相对于某一固定的参考系统（例如：刀架、主轴箱体或工具机的工作台面）来说，应该是固定不变的。但实际上，由于主轴的轴颈支承在轴承上，轴承又安装在主轴箱体孔内，主轴上还有齿轮或其它传动件，由于轴颈的不圆、轴承的缺陷、支承端面对轴颈中心线的不垂直，主轴的挠曲和工具机结构的共振等原因，主轴回转中心线的空间位置，在每一瞬时都是变动的。把回转主轴的这些瞬间回转中心线的平均空间位置定义为主轴的理想回转中心线，而且与固定的参考坐标系统联系在一起。这样，主轴瞬间回转中心线的空间位置相对于理想中心线的空间位置的偏离就是回转主轴在该瞬间的误差运动。这些瞬间误差运动的轨迹，就是回转主轴误差运动的轨迹。由此可见，主轴的回转精度，说明回转主轴中心线空间位置的稳定性特点。 主轴回转误差是一个综合性的误差，它可以分为三种基本形式：纯径向跳动、纯轴向窜动、纯角度摆动。如图3.2所示。通常纯径向跳动、纯角度摆动被称为主轴的回转精度误差。图2主轴的回转精度误差目前，主轴回转精度测量的方法有单点法、双点法、三点法、虚拟仪器法、CCD法等，具体原理和操作见参看文献。1.4.2主轴组件的动态特性1.平移 主轴作为一个刚体〔实际上略有弯曲〕，在弹性支承上作平移振动，主轴各点的振动方向一致。2.摇摆 主轴在弹性支座上摇摆，左右振动方向相反。3.弯曲 主轴本身作弯曲振动，主轴中间与两端的振动方向相反，有两个节点。这两节点位于支承点附近。每个振型都有其固有频率。每个振型按固有频率排列的次序，称为阶。上述三个振型的固有频率，以平移振型为最低，弯曲振型为最高，三个振型分别为第一二三振型，振型和固有频率合称为模态。可以看出，第一二阶模态的弹性环节主要是轴承；第三阶则主要是轴承。当轴的刚度提高时，第一二阶模态的固有频率也随之提高，但第三阶模态提高不多主轴是一个连续体，又无穷个模态。例如还有主轴的扭转振动、纵向振动等。但是，这些模态的固有频率较高，工作时不可能发生共振，所以，只需研究最低几阶模态。主轴的模态，可用有限元法或传递矩阵法，借助计算机计算。通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴特别是带装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施：〔1〕是主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上〔轴承〕的刚体振动的第一阶〔平移〕和第二阶〔摇摆〕模态，则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以π/30。也可能来自断续切削，这时激振频率还应乘以刀齿数Z。〔2〕增大比尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。〔3〕采用消振装置。二、根据技术性能指标要求确定总体结构方案2.1主传动系统方案设计2.1.1主传动系统概述1.主传动系统特点1、目前数控机床的主传动电动机已不再采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机，它们已逐步被新型的交流调速电动机和直流调速电动机所代替。2、转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率的切削和高速切削，实现高效率加工。3、变速围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn＞100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。4、主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。2.对主传动系统的要求数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还提出如下要求：1.具有较大的调速范围，并实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中工件一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。3.良好的抗振性和热稳定性。数控机床一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀运动部件不平稳以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力—抗振性。抗振性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度阻尼比及固有频率等参数。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。2.1.2传动布局本设计由于是精密车床，故采用分离式传动布局。把主轴组件和主传动的大部分变速机构分离装在两个箱体内，将该两个部件分别称为主轴箱和变速箱，中间一般采用带传动。优点是变速箱中产生的振动和热量不易传给主轴，从而减少了主轴的振动和热变形；当主轴采用背轮传动时，主轴通过带传动直接得到高转速，故运转平稳，加工表面质量提高。缺点是箱体数多，加工、装配工作量较大，成本较高；位于传动链后面的带传动，低转速时传递转矩较大，容易打滑（没劲）；更换传动带不方便等。2.1.3变速方式本设计采用无级变速，指一定速度（转速）范围内，能连续、任意地变速。可选用最合理的切削速度，没有速度损失，生产率得到提高；可在运转中变速，减少辅助时间；操纵方便；传动平稳等，因此机床上应用有所增加。本设计采用交流变频调速电动机实现无级调速，这种装置多用于精密、大型机床或数控机床。2.1.4主轴的极限转速nn极限切削速度vvd式中：D——机床加工最大直径K——系数卧式车床K=0.5dddn取标准系列nn取标准系列n无极转速范围31.5r/min~1440r/min2.1.5电机选择1.交流伺服电机用于闭环和半闭环系统的伺服驱动装置常有直流伺服电机、交流伺服电机等,这与主轴驱动装置类似。交流伺服电机驱动是最新发展起来的新型伺服系统,也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。该系统克服了直流驱动系统中的电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速围产生理想的转矩,结构简单,运行可靠,用于数控机床等进给驱动系统为精密位置控制的情况。交流伺服电机的功工作原理和两相异步电动机相似。由于它在数控机床中作为执行元件,将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度,所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位,无法控制信号时它不转动,特别是当它已在转动时,如果控制信号消失,它立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后,若控制信号消失,往往不能立即停止而要继续转动一会。交流伺服电机也是有转子和定子构成的。定子上有励磁绕组和控制绕组,这两个绕组在空间上相差90°电角度。若有两相绕组上加以幅值相等、相位差90°电角度的对称电压,则在电机的气隙中产生圆形的旋转磁场。若两个电压的幅值不等或相位不为90°电角度,则产生的磁场是一个椭圆型旋转磁场。加在控制绕组上的信号不同,产生的磁场椭圆度也不同。例如,负载转矩一定,改变控制信号,就可以改变磁场的椭圆度,从而控制伺服电机的转速。2.交流伺服电动机的调速交流伺服电动机调速与交流主轴电机的调速相似,即采用变频调速。下面介绍变频调速产生的磁场定向调速系统,即矢量变换控制。磁场定向调速的基本原理是通过矢量变换,把交流电动机等效为直流电动机,因为异步电动机的电磁转矩难以直接控制,也就不易获得良好的控制性能,而直流电动机能对电磁转矩进行良好的控制,使直流调速系统具有良好的动态性能。其思路是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则建立的。它先将三相对称绕组等效成两相对称绕组,再将其等效成旋转的两个直流正交绕组,这两个正交绕组组成正交坐标轴,一个相当于直流电机的等效磁通,另一个相当于直流电机的等效电枢电流。在旋转的正交坐标系,交流电动机的数学模型和直流电动机的一样。这种等效要经过三相-二相交换、矢量旋转变换、直角坐标-极坐标变换等,才能得到所需的控制变量,使交流电动机能像直流电动一样,对转矩进行有效的控制,故称其为矢量变换控制。又因为旋转的两个正交坐标轴是由磁通矢量方向决定的,所以又称磁场定位控制。交流伺服电动机由幅值控制、相位控制以及幅值-相位混合控制三种控制方法。保持控制电压和励磁电压之间的相位差角为90°,仅仅改变控制电压的幅值,这种控制方式叫幅值控制；保持控制电压和励磁电压之间的不变,仅仅改变控制电压与励磁电压之间的相位差角,这种控制方式叫相位控制；在励磁电路串联移相电容,改变控制电压的幅值及其对于控制电压的相位差发生变化,这种控制方式,叫幅值-相位混合控制。3.电机选择普通卧式CA6140车床典型切削条件如下：刀具材料：YT15工件材料：45号钢切削方式：车削外圆查《数控机床系统设计》可知：若以切深ap=3.5mm，进给量f(s)=0.35mm/r切削速度车床的主切削力F车床切削功率p主电机功率p=图3主轴电机参数图（节选）综上所述查上表选择电机α6额定功率为5.5kw，额定转速为1500r/min2.1.7确定皮带轮直径1.确定计算功率Pca由表8-8查得工作情况系数KA=1.2，故P2.选择V带的带型根据Pca、n=1440r/min由图8-11选用A型。3.确定主轴带轮的基准直径dd并验算带速1）初选小带轮的基准直径dd1。由表8-7、图8-11和表8-9，取小带轮的基准直径dd1=150mm。2）验算带速v。按式（8-13）验算带的速度v=带速在5～30m/s范围内，合适。3）计算电机带轮的基准直径。根据式（8-15a），计算电机带轮的基准直径d根据表8-9，取标准值为dd2=150mm。4.确定V带的中心距a和基准长Ld度根据式（8-20）0.7初定中心距a0=420mm。由式（8-22）计算带所需的基准长度L2由表选带的基准长度Ld=1430mm。按式（8-23）计算实际中心距a。a按式（8-24）,中心距的变化范围为442～506.5mm。5.验算主轴带轮的包角αaα6.计算带的根数z1）计算单根V带的额定功率Pr。由dd1=150mm和n=1440r/min,查表8-4得P0=2.73kW。根据n=1440r/min，i=1和A型带，查表8-5得△P0=0.00kW。查表8-6得Kα=1，表8-2得KL=0.95，于是P2）计算带的根数zz=取3根。7.计算单根V带的初拉力F0由表8-3得A型带的单位长度质量q=0.105kg/m，所以F8.计算主轴压轴力FpF1)主轴带轮结构设计带轮的轴孔直径d=70mm因为带轮dd1=150mm主轴带轮结构选择为实心式。因此主轴带轮尺寸如下：代号名称计算公式代入数据尺寸取值内孔直径d主轴D=70mm70mm分度圆直径dd1150mmdadd1+2ha150+2×3.5157mm轮毂直径d1(1.8～2)d(1.8～2)×70126mmB(z-1)×e+2×f(3-1)×15+2×12.555mmLB<1.5dB=L55mm表3主轴带轮尺寸图4主轴带轮结构示意图2.2主轴结构方案2.2.1主轴构造初步拟定主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。设计时还应考虑主轴加工工艺性和装配工艺性。主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。主轴空心，减轻重量，提高抗扭刚度，空心主轴才能装夹具和刀具，内径越大可加工的工件尺寸越大。主轴的前端结构形式取决于机床类型和安装夹具或刀具的结构形式。主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，应遵照标准进行设计。下图所示为几种机床上通用的主轴部件的结构形式。图5主轴剖图下图所示为本设计采用的车床主轴端部结构，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递转矩，卡盘装有固定螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时卡住，再拧紧螺母将卡盘固牢在主轴端部。主轴前端莫氏锥孔采用莫氏六号锥度，用以安装顶尖或心轴。图6莫氏孔2.2.2主轴材料与热处理主轴的材料应根据载荷特点、耐磨性要求、热处理方法和热处理后变形情况选择。主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大(2.1X1011N/m2左右)，所以主轴材料首先考虑用钢料。值得注意的是，钢的弹性模量E的数值和钢的种类及热处理方式无关，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)，经调质处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬，以提高其耐磨性。只有载荷大和有冲击时，或精密机床需要减小热处理后的变形时，或有其他特殊要求时，才考虑选用合金钢。当支承为滑动轴承，则轴颈也需淬硬，以提高其耐磨性。

第三部分主轴组件的选择和计算一、主轴重要组件1.1主轴直径已知主轴功率11kW，查下表图7主轴直径选取初选主轴前轴颈直径为90mm，一般后轴颈为D2=（0.7车床要求内径50mm，内径与外径比值等于0.56小于0.71.2主轴前后支承轴承选择主轴考虑前端定位的方式，推力轴承在主轴上的位置会影响主轴的轴向精度和主轴热变形的方向和大小。为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向定位精度，必须恰当配置推力轴承的位置。采用前端定位，推力轴承安装在前轴承内侧，前支承结构复杂，受力大，温升高，主轴受热膨胀向后伸长，对主轴前端位置影响较小，故适用于轴向精度高和刚度要求高的高精度车床中。图8推力轴承配置形式1.2.1前支承轴承选用双列圆柱滚子轴承NN3018K/W33承受径向力，选用角接触球轴承7018AC/DB承受轴向力和径向力。图9双列圆柱滚子轴承d图10角接触球轴承da1.2.2后支承轴承选用双列圆柱滚子轴承NN3015/W33承受径向力。图11双列圆柱滚子轴承d1.3主轴内径直径本设计组合机床用于车床加工，空心主轴需要通过车刀拉杆的孔，为了不削弱主轴刚度，该主轴内孔直径应在一定范围内取到。一般主轴内孔直径受到主轴后轴颈的直径限制。由材料力学可知，刚度K正比于截面惯性矩I，与直径之间有下列关系：

由力学可知，外径为D、内径为d的空心轴的惯性矩为I其与实心惯性矩的比值为I式中：ω——刚度衰减系数。表X-X：ω0.50.60.70.750.8刚度损失/(%)6.2512.9624.0131.6440.96表4刚度损伤表查找资料可知：当刚度衰减系数小于0.3时，内孔对主轴的刚度几乎没有影响；当比值为0.5时，空心主轴的刚度大约为相同直径实心主轴刚度的90%当比值为0.7时，刚度削弱量约为25%，当比值大于0.7时，空心主轴的刚度会急剧下降。由于车床加工主要前轴颈受切削力，故d<0.7故选用内径50mm1.4主轴前端悬伸量主轴前端悬伸量a指的是主轴定位基面至前支承径向⽀反力的作⽤点之间距离，它对主轴组件刚度的影响较大。悬伸量越小，主轴组件刚度越好。主轴前端悬伸量a取决于主轴端部的结构形状及尺寸，一般应按标准选取，有时为了提高主轴刚度或定心精度，也可不按标准取。此外，主轴前端悬伸量a还与前⽀承中轴承的类型及组合型式、⼯件或夹具的夹紧方式以及前支承的润滑与密封装置的结构尺寸等有关。因此，在满⾜结构要求的前提下，应尽可能减小悬伸量a，以利于提高主轴组件的刚度。类型机床和主轴的类型a/D1Ⅰ通用和精密车床，自动车床和短主轴短铣床，用滚动轴承支承，适用于高精度和普通精度要求0.6-1.5Ⅱ中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸量不太长的精密镗床和内磨圆，用滚动和滑动轴承支承，适用于绝大部分普通精度生产的要求1.25-2.5Ⅲ孔加工机床，专用加工细长深孔的机床，有加工技术决定需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，由于切削较重而不适于有高精度要求的机床＞2.5表5悬伸量a与机床关系初算时，可根据表5。本设计的组合机床属于Ⅱ型，则：定悬长量a初取a=120mm1.4主轴支承跨距主轴支承跨距L指主轴前后支承支承反力作用点之间的距离。合理确定主轴支承跨距，可以提高主轴的静刚度。支承跨距越小，其自身的刚度就越大，弯曲变形就越小，但引起主轴前端的位移量增大，刚度降低。支承跨距大，支承变形引起主轴前端位移量小，但主轴本身的弯曲变形将增大。可见选择合理的支承跨距的重要性。参考有关合理跨距的选择推荐值：L0=（3-5）a，用于悬伸长度较小时。L0=（1-2）a，用于悬伸长度较大时。根据此次设计的组合机床的主轴的悬伸量比较大，取L0≤2.5a为宜，即本设计的主轴两支承的合理跨距：L0≤2.5a=2.5×150=375初取L=330mm。二、端部零件2.1前端内孔主轴前端形状取决于机床的类型、安装夹具和刀具的形式，并且能保证夹具安装可靠、定位准确以及能传递一定的扭矩。本设计采用短圆锥法兰盘式的主轴前端部结构，端面上有四个螺纹孔，用来固定和传递扭矩给刀具。采用莫氏6号孔，孔锥度为1:12，如下图所示。图12莫氏6号孔简图三、同步带轮设计主轴的运动经过同步带轮以及同步带带动脉冲编码器,使其与主轴同速运转。AC伺服电动机经同步带轮以及同步带传到滚珠丝杠上,有螺母带动滑板连同刀架沿床身的矩形导轨移动,实现Z轴的进给运动。电动机轴与同步带轮之间用锥环无键连接,锥面相互配合的外锥环,当拧紧螺钉时,法兰的端面压迫外锥环,使其向外膨胀,锥环受力后向电动机轴收缩,从而使电动机轴与同步带轮连接在一起。这种连接方式无需在被连接件上开键槽,而且两锥环的外圆锥面压紧后,使连接配合面无间隙,对中性较好。选用锥环对数的多少,取决于所传递扭矩的大小。图13带轮示意图选用48-T10同步带轮，规格如下：齿数：48，节径d：76.39，外径do：75.54，挡边直径df：82，挡边内径db：64，挡边厚度h：1.5四、支撑零件设计4.1支承件选择机床主轴选用滚动轴承支承，因为：①在转速和载荷变化范围很大的情况下滚动轴承仍能稳定工作，而动压滑动轴承在低速时难以形成具有足够压力的油膜；②滚动轴承能在零间隙、甚至负间隙(预紧到有一定过盈量)的条件下工作，对提高旋转精度和刚度有利，滚动轴承有足够的刚度，有较高的旋转精度，能满足机床主轴的性能要求，而滑动轴承则必须有一定间隙才能正常工作；③滚动摩擦系数小，发热少；④滚动轴承容易润滑，可以用脂润滑，装填一次用到修理时才更换，若用油时所需油量也远比滑动轴承小；⑤滚动轴承为标准件，可以外购，质量稳定，成本低，经济性好。4.2主轴滚动轴承的类型选择机床主轴较粗，主轴轴承的直径较大，轴承所承受的载荷远小于其额定动载荷，约为后者的1/10。因此，一般情况下，承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要依据。主轴轴承类型选择应根据刚度、旋转精度和极限转速、抗振性和主轴结构来选择。轴承的刚度与轴承的类型有关，线接触的滚子轴承比点接触的球轴承刚度高，双列轴承比单列的刚度高，且刚度是载荷的函数，适当预紧不仅能提高旋转精度，也能提高刚度。轴承的极限转速与轴承滚动体的形状有关，同等尺寸的轴承，球轴承的极限转速高于滚子轴承，圆柱滚子轴承的极限转速高于圆锥滚子轴承；同一类型的轴承，滚动体的分布圆越小，滚动体越小，极限转速越高。轴承的轴向承载能力和刚度，由强到弱依次为：推力球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、角接触球轴承。承受轴向载荷轴承的极限转速由高到低为：角接触球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承。综合CNC车床主轴工作情况，轴承的配置选择为刚度型如图所示。图14车床主轴示例图刚度型（CNC型车床主轴）前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和背对背25°角接触球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。这种轴承配置的主轴部件，适用于中等转速和切削负载较大，要求刚度的机床。故本设计采用前支承采用型号NN3018K/W33双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和轴承型号7218AC/DB背对背25°角接触球轴承承受轴向载荷，后支承采用型号NN3015/W33双列短圆柱滚子轴承。4.3轴承精度的选择主轴轴承中，前、后轴承的精度对主轮旋转精度的影响是不同的，如图a所示，前轴承轴心有偏移δa，后轴承偏移量为零，由偏移量δa。引起的主轴端轴心偏移为：δa1=图4-11(b)表示后轴承有偏移δbδ显然，前支承的精度比后支承对主轴部件的旋转精度影响大。因此轴承精度选取时，前轴承的精度要选得高一点，一般比后轴承精度高一级。另外，在安装主轴轴承时，如将前、后轴承的偏移方向放在同一侧，如图4-11(c)所示，可以有效地减少主轴端部的偏移。如后轴承的偏移量适当地比前轴承的大，可使抽端部的偏移量为零。鉴于设计的主轴为普通精度数控车床的，前轴承选择P3精度的轴承，后轴承选择P5精度的轴承.图15主轴轴承对主轴旋转精度的影响4.4主轴滚动轴承的预紧轴承预紧是使轴承滚道预先承受一定的载荷，消除间隙，并使得滚动体与滚道之间发生一定的变形，增大接触面积，轴承受力时变形减小，抵抗变形的能力增大。因此，对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量，可以提高主轴部件的回转精度、刚度和抗振性，机床主轴部件在装配时要对轴承进行预紧，使用一段时间以后，间隙或过盈有了变化，还需重新调整，所以要求预紧结构应便于调整。滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是使轴承内、外圈相对轴向移动来实现的。本设计采用前端固定，故对前轴承径向、轴向预紧。圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承的径向间隙调整采用螺母经中间轴承，轴向移动螺母实现，同时对中间角接触双列向心推力球轴承进行轴向预紧。五、主轴参数校核5.1支承的简化对于双支承主轴，若每个支承中仅有一个单列滚动轴承，或者有两个单列球轴承，则可将主轴组件简化为简支梁，如下图7.1所示；若前支承有两个以上滚动轴承，可认为主轴在前支承处无弯曲变形，可简化为固定端梁，此次设计的主轴，前支承选用了一个双列调心滚子轴承和推力球轴承作为支承，所以可认为主轴在前支承处没有弯曲变形，将主轴支承简化为如下图7.2所示结构。图16简支梁示意图图17固定端梁简图5.2主轴的刚度校核主轴的刚度计算简图如图7.3所示图18刚度校核理论图主轴的刚度计算简图查阅材料力学相关指导书可得y式中:F为主轴端部作用的外力;a、l为主轴的悬伸长度和跨距;E为主轴材料的弹性模量;I为主轴截面惯性矩。45钢的弹性模量几乎与种类和热处理无关，一般来说：弹性模量：E=惯性矩：I=F=3026Na=0.12m其中，D、d分别为主轴的外径与内径y查阅《机械设计》表15-5可得轴的许用挠度[y]要求为（0.0003~0.0005）l0，l0为支承跨度350mm故yb＜[y5.4主轴的倾角校核此次设计的主轴主要考虑主轴前支承处的倾角。若安装轴承处的倾角太大，会破坏轴承的正常工作，缩短轴承的使用寿命。查阅材料力学相关指导书可得：θ查阅《机械设计》表15-5可得轴的许用偏转角[θ]要求为θ故θB＜θ5.5主轴有限元分析空载：图19车床主轴空载形变图最大位移12.6μm，符合要求图20车床主轴空载应力图最大应力30.92MPa，符合要求；切削，切削力为3062N图21车床主轴切削形变图最大位移13μm图22车床主轴切削应力图最大应力30.87MPa，符合要求六、组件润滑和密封6.1主轴轴承的润滑润滑的作用是降低摩擦，减小温升，并与密封装置在一起，保护轴承不受外物的磨损和防止腐蚀。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择得合适，可以降低轴承的工作温度和延长使用期限。滚动轴承可以用润滑油或润滑脂来润滑。实验证明，在速度较低时，用润滑脂比用润滑油温升低。所以，此次设计的主轴支承均采用润滑脂。同时，主轴是装在车床主轴箱内的，为防止使用润滑油时泄漏，也应采用润滑脂润滑。加润滑脂时，应该注意润滑脂的充填量不能过多，不能把轴承的空间填满，否则会引起过高的发热，并使润滑脂熔化流出而恶化润滑效果。故选用滚珠润滑脂(SY1514—1998)，它适用于车床、汽车、电动机及其他机械的滚动轴承润滑，选用牌号为ZGN69-2的润滑脂。6.2主轴组件的密封密封对主轴组件的工作性能与润滑影响也较大。机床主轴密封不好，将使润滑剂外流，造成浪费，加速零件的磨损，还会严重地影响到工作环境及机床的外观。6.3主轴组件密封装置的功用密封装置的功用是：防止润滑剂从主轴组件及传动部件中泄漏，从而避免浪费，保护工作环境，防止冷却液及杂物（如灰尘、脏物、水气和切屑等）从外面进入部件内，以减少机床零件的腐蚀及磨损，延长其使用寿命。6.4对主轴组件密封装置的要求对主轴组件密封装置的要求是：在一定的压力、温度范围内具有良好的密封性能；由密封装置所形成的摩檫力应尽量小，摩擦系数应尽量稳定；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；结构简单、装卸方便。对具体的主轴组件及传动部件，应根据实际情况选择有效而又经济密封装置。6.5主轴组件密封装置的类型主轴组件密封装置的类型，主要有以下几种：具有弹性元件的接触式密封装置；皮碗（油封）式密封装置；具有金属和石墨元件的接触式密封装置；挡油圈式和螺旋沟式密封装置；圈形间隙式、油沟式和迷宫式密封装置；立式主轴的密封装置等。6.6主轴组件密封装置的选择选用密封装置时，应考虑到主轴组件的下列具体工作条件：密封处主轴颈的线速度；所用润滑剂的种类及其物理化学性质；主轴组件的工作温度；周围介质的情况；主轴组件的结构特点；密封装置的主要用途等。综合考虑上述因素，主轴前支承处，为了更好地防止外界的灰尘屑末等杂物进入，故考虑选用迷宫式密封。七、附加件7.1紧定螺母（标准件）图23紧定螺母工程图螺母M90×2.0Dd螺母M75×2.0Dd螺母M70×2.0装在主轴最后端，固定同步带轮和驱动带轮，防止Dd7.2外壳体外壳体内径在与轴承处过盈配合，固定轴承外圈图24外壳体工程图7.3前调整环前调整环装在主轴上，与主轴过盈配合，与主轴一起旋转，用来固定前支承轴承的位置和预紧。图25前调整环工程图7.4前压环前压环装在前调整环上，与前调整环间隙配合，不与前调整环一起选择，固定在外壳体上。车床使用一段时间，前支撑预紧力渐渐消失，可以通过拧紧前压环上的螺栓，实现重新预紧和调整轴承间隙。图26前压环工程图7.5护套护套装在前压环和前调整环上，与前压环间隙配合，与前调整环过盈配合，不随主轴转动，通过螺栓与前调整环固定。图27护套工程图7.6后法兰后法兰与外壳体螺纹连接，后法兰上的螺栓与外壳体前端法兰的螺栓对齐，用以外部的主轴安装箱体连接。图28后法兰工程图7.7前轴套前轴套用以预紧和调节前支承轴承间隙，防止轴承滑移。轴套与主轴过盈配合图29前轴套工程图7.8后轴套前轴套用以预紧和调节后支承轴承间隙，防止轴承滑移。轴套与主轴过盈配合图30后轴套工程图7.9后密封圈后密封圈用以防止后支承轴承润滑溢出，且用以固定后支承轴承内圈，与主轴间隙配合，与后端盖间隙配合，同主轴旋转，与后端盖分离。图31后密封圈工程图7.10后端盖后端盖通过螺钉安装在外壳体上，与后密封圈间隙配合，且固定后支承轴承外圈。图32后端盖工程图

第四部分装配结构设计本设计三维建模图如下：图33SolidWorks建模图1图34SolidWorks建模图2本设计装配结构设计工程图如下：图35装配图

第五部分工艺结构设计一、主轴的工作条件及性能要求性能要求:因为该轴承受交变弯曲和扭转的复合应力，载荷和转速不高，冲击载荷也不大，属于中等载荷的轴;大端的轴颈、锥孔和卡盘、顶尖之间有摩擦。所以这些因素对主轴的要求是：(1)良好的综合力学性能，即强度和塑性、韧性有良好的配合，以防止过载或冲击断裂。(2)高的疲劳强度，防止疲劳断裂。(3)有相对运动的摩擦部位(如轴颈、花键等处)，应具有较高的硬度和耐磨性。(4)良好的工艺性能，如足够的淬透性、良好的切削加工性等。(5)特殊条件下工作应有的一.些特殊性能要求。如高温性能、耐蚀性等。工作条件：与滚动轴承配合，承受轻载荷或中等载荷，并且转速低[PV≤150N∙m*精度要求不是很高，所受的冲击和交变载荷不大二、毛坯材料的确定及制造方法材料：综合考虑主轴的工作条件及性能要求还有经济因素，选择45号钢作为制造主轴的毛坯材料。制造方法：主轴加工过程中的各加工工序和热处理工序均会不同程度地产生加工误差和应力。为了保证加工质量，稳定加工