畢業(yè)設(shè)計（論文）-機(jī)床主軸設(shè)計及靜態(tài)特性分析

第一章知識介紹與總體方案設(shè)計1.1銑削力的決定因素銑削力的計算應(yīng)先計算銑削功率，關(guān)于銑削功率的計算，有以下參考表1-1表1-1硬質(zhì)合金銑刀功率的計算公式及參考系數(shù)公式（1.1）式中D———銑刀直徑（單位：mm）；t———銑削深度（單位：mm）；———每齒走刀量（單位：mm/齒）；B———銑削寬度(單位：mm)；Z———銑刀齒數(shù)；n———銑刀轉(zhuǎn)速（單位：rpm）；Kn———銑削修正系數(shù)。1.2銑削主要參數(shù)1.2.1銑削速度V指銑削加工時銑刀的外圓周線速度，單位為m/min。計算公式：公式（1.2）式中：d——銑刀直徑，單位為mm；n——銑刀轉(zhuǎn)速，單位為r/min。1.2.2進(jìn)給量銑削加工時，工件相對于銑刀的移動稱為進(jìn)給，相對移動的速度稱為銑削的進(jìn)給量。進(jìn)給量有以下三種不同的表示方法:：每齒進(jìn)給量銑刀每旋轉(zhuǎn)過一個齒時被加工工件沿進(jìn)給方向移動的距離，單位mm/z；(2)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f銑刀每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，工件沿進(jìn)給方向移動距距離，單位為mm/r[3]；每分鐘進(jìn)給量V銑削加工時，單位時間（一分鐘）內(nèi)，工件沿進(jìn)給方向移動的距離，單位為mm/min。三種進(jìn)給量的關(guān)系為：公式（1.3）式中：z——銑刀轉(zhuǎn)速，單位為rpm；n——齒數(shù)。1.2.3.銑削層用量(1)銑削寬度a銑刀在一次進(jìn)給運動中所切削掉工件表面材料的寬度，單位為mm。一般情況下，端面銑刀的銑削寬度約為銑刀直徑的[3]。（2）背吃刀量a(即切削深度)銑刀在一次進(jìn)給中所切削掉工件表面材料的厚度，即工件的已加工表面和將要加工到的表面間的垂直距離，單位為mm。一般粗銑時的背吃刀量應(yīng)不超過銑刀半徑，防止背吃刀量過大而造成刀具的損壞；背吃刀量，精銑時約為0.05~0.30mm；端銑刀粗銑時約為2~5mm，精銑時約0.10~0.50mm[5]。1.3銑刀的選擇1.3.1銑刀類型的選擇常用的銑刀類型如下1）圓柱形銑刀常用于臥式銑床，適合加工工件平面。圓柱形銑刀的刀齒分布在其圓周上，按齒形分為直齒和螺旋齒兩種。螺旋齒粗齒銑刀齒數(shù)少，刀齒強(qiáng)度大，容屑空間充足，較適用于粗加工。細(xì)齒銑刀，刀齒密集，容屑空間小，但加工精度較高，多用于精銑加工。2）面銑刀多見于端面銑床、立式銑床和龍門銑床上。特征為：面銑刀的端面和圓周上都有刀齒。3）立銑刀適用于用于加工溝槽和臺階面等。特征為：立銑刀的端面和圓周上都有刀齒，但是一般不能進(jìn)行軸向進(jìn)給。4）三面刃銑刀適用于加工溝槽和臺階面等。特征為：三面銑刀的兩側(cè)面和圓周上有刀齒，多為可轉(zhuǎn)位刀具。對于本課題所設(shè)計的臥式加工中心，擬選用圓柱銑刀。1.3.2銑刀齒數(shù)的選擇銑刀齒數(shù)能決定生產(chǎn)效率，即銑刀齒數(shù)越多，生產(chǎn)效率越高，但受受銑刀容屑空隙、刀齒的強(qiáng)度、機(jī)床功率及剛性等限制條件的影響，不同類型的銑刀的齒數(shù)均有相應(yīng)最佳值。為滿足不同用戶的需要，同一直徑的銑刀一般有粗齒、中齒、密齒三種類型[3]。1）粗齒銑刀，適用于普通銑削機(jī)床進(jìn)行大余量粗加工、軟材料的加工或切削寬度較大的銑削加工；當(dāng)機(jī)床功率較小時，也常選用粗齒銑刀，以保證切削穩(wěn)定性。2）中齒銑刀,通用系列銑刀，應(yīng)用范圍廣泛，在滿足一定的金屬切除率的同時能具有足夠的切削穩(wěn)定性。3)密齒銑刀,適用于鑄鐵和鋁合金等的切削加工，進(jìn)給速度一般較大。在流水線加工中，也多選用密齒銑刀，以充分利用\t"/t/30076/2016/0320/_blank"設(shè)備、提高生產(chǎn)效率(注意：這里所用密齒銑刀以滿足要求為主，所用銑刀不一定為標(biāo)準(zhǔn)銑刀)。除以上常見類型外，另有不等分齒距銑刀，這種銑刀能防止工藝系統(tǒng)出現(xiàn)共振，使切削平穩(wěn)。如WALTER公司的NOVEX系列銑刀均采用了不等分齒距技術(shù)。在鑄件的大余量粗切削加中多選用不等分齒距銑刀。銑削加工過程中，工藝上往往要求粗精銑分開加工，而粗銑精度往往低于精銑，且消耗量是精銑的幾倍，一般在粗加工時盡可能的發(fā)揮機(jī)床的潛力，保證合理的刀具壽命；精加工時，則首先保證加工精度好表明粗糙度，同時兼顧加工效率[3]。在確定銑刀的齒數(shù)時，為使銑刀獲得最佳的工作性能，沒有制定通用規(guī)定來規(guī)定銑刀的齒數(shù)。然而，在確定銑刀齒數(shù)時必須考慮以下兩個點：1）銑刀的齒數(shù)不能太多，如果銑刀的齒數(shù)過多，齒過于密集，排屑槽的空間就會過小，銑屑的排出將受到影響。2）排屑槽必須很平滑，不能有凸起或者毛刺，否則銑屑可能會滯留在排屑槽內(nèi)，滯留的銑削會影響銑削加工的精度。為得到滿意的切削性能，銑削刀具的齒數(shù)不能遠(yuǎn)超過一次銑削所用齒。為滿足上述要求，推薦使用下列公式來確定銑刀齒數(shù)：端面銑刀：公式（1.4）外周銑刀:公式（1.5）式中，A為刀具的螺旋角（對于圓柱平面銑刀，螺旋角為0）。根據(jù)以上公式可以大致得出銑刀的齒數(shù),需注意的是銑刀的齒數(shù)盡可能的向大圓整。1.3.3銑刀直徑的選擇銑刀直徑的根據(jù)加工產(chǎn)品及生產(chǎn)批量的不同而不同，銑刀\t"/t/30106/2014/0712/_blank"刀具直徑的選用主要取決于\t"/t/30106/2014/0712/_blank"設(shè)備的規(guī)格和工件的加工尺寸。常用的圓柱銑刀直徑分別為50mm，63mm，80mm，100mm[3]。因為本課題設(shè)計主軸的轉(zhuǎn)速較低，工件的加工尺寸未知，銑刀的直徑初擬取較大值80mm。1.3.4部分銑刀參數(shù)的選擇銑削的進(jìn)給量不僅與銑刀的類型、銑刀的工作情況有關(guān)，而且與加工的材料有關(guān)。查《實用機(jī)床設(shè)計手冊》部分銑削刀具與加工工件材料對應(yīng)的銑削每齒進(jìn)給量如下表1-2：表1-2每齒進(jìn)給量的推薦表（單位：mm)

銑削寬度主要由工件的加工余量和加工工件的表面粗糙度來決定。當(dāng)機(jī)床功率較大，主軸的剛性較好，同時精度要求不高，加工余量較小時，可在一次加工過程中就銑去全部余量，銑削的寬度取較大值；如果加工精度要求較高或表明粗糙度要求較高時，加工過程必須先粗銑后精銑，不能一次銑去大量的余量，銑削的寬度取較小值。需要注意的是銑削加工過程中，工藝上往往要求粗精銑分開加工，而粗銑精度往往低于精銑，且消耗量是精銑的幾倍。銑削寬度參考值如下表1-3：表1-3銑削寬度參考值(單位：mm)主偏角為銑刀切削刃與切削平面間的夾角。銑刀的主偏角常用尺寸有90°、88°、75°、70°、60°、45°等幾種[3]。平面銑削的銑刀的主偏角一般選取為60°-75°。銑削的適用切削速度由銑刀的材質(zhì)以及所加工工件的材料決定，經(jīng)驗值如表1-4。表1-4銑削加工常用切削速度經(jīng)驗值（單位：m/min）通過以上內(nèi)容，可以對銑削以及銑削力有一定的了解。在對設(shè)計對象有了一定的了解后，可以開始初步的設(shè)計。1.4臥式加工中心主軸總體設(shè)計1.4.1設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容是臥式加工中心的主軸單元，包括傳動件，主軸，軸承。該加工中心的主軸轉(zhuǎn)速不高，為一般機(jī)床，未要求極高的加工精度。已知數(shù)據(jù)為主軸的最大轉(zhuǎn)速為2000rpm(即2000r/min)，預(yù)計銑削切削力為900N。設(shè)計要求包括對主軸部件進(jìn)行設(shè)計與計算，建立主軸三維模型，利用有限元軟件Simulation進(jìn)行主軸靜力學(xué)分析以及對主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。1.4.2總體設(shè)計主軸部件由主軸、軸承、傳動件（如齒輪、帶輪）和固定件（如螺母）等組成，是機(jī)床的重要組成部分[2]。銑削加工時由主軸夾持銑刀直接參加表面成形運動，對工件的表明進(jìn)行加工，因此，銑削主軸部件的工作性能對加工質(zhì)量和機(jī)床生產(chǎn)率有重要影響。主軸的傳動方式采用一級傳動，將原動機(jī)動力通過傳動帶直接傳遞給主軸，這樣的優(yōu)點是使結(jié)構(gòu)緊湊，裝卸方便，同時帶傳動傳動平穩(wěn)有利于降低臥式銑削機(jī)床振動較大的問題。主軸的強(qiáng)度驗算是判定主軸設(shè)計是否正確的依據(jù)之一,因而主軸強(qiáng)度校核在主軸設(shè)計中必不可少。主軸部件中最重要的組件是軸承，由于主軸轉(zhuǎn)速為2000rpm,轉(zhuǎn)速較低，回轉(zhuǎn)精度比較高，故采用角接觸球軸承支承，軸承潤滑方式采用脂潤滑，軸承的配置采用雙支點單向固定；根據(jù)主軸工作情況，主軸支承采用前后兩個支承，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配方便，容易保證精度。第二章傳動系的設(shè)計2.1傳動的重要性工作機(jī)一般都要靠原動機(jī)供給一定形式的能量（絕大多數(shù)是機(jī)械能）才能工作。但是，把原動機(jī)和工作機(jī)直接連接起來的情況是很少的，往往需在兩者之間加入傳遞動力或者改變運動狀態(tài)的傳動裝置[3]。其原因主要有：1.工作機(jī)要求的速度一般與原動機(jī)的最優(yōu)速度不相符；2.很多工作機(jī)都需要根據(jù)生產(chǎn)要求來進(jìn)行速度調(diào)整，僅依靠調(diào)整原動機(jī)的速度是無法達(dá)到這個目的的；3.某些情況下需要一臺原動機(jī)同時帶動若干工作速度不同的工作主機(jī)；4.為了方便維護(hù)以及減少機(jī)床的占地面積。2.2傳動方式的分類與選取機(jī)械傳動主要分為摩擦傳動（主要為帶傳動）、嚙合傳動（主要為齒輪傳動）、液力傳動和氣壓傳動[4]。在這里我們主要考慮的是機(jī)械傳動中的帶傳動和齒輪傳動。帶傳動是一種撓性傳動。帶傳動主要由帶輪和傳動帶組成。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點，在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。但是帶傳動的精度不能達(dá)到很高，同時帶傳動的工作壽命較低，傳動比不穩(wěn)定對其工作可靠性也有一定的影響。齒輪傳動通過齒輪之間的嚙合來傳遞能量，能夠傳遞很高的功率。齒輪傳動具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠壽命長，傳動比穩(wěn)定等優(yōu)點。但是，齒輪傳動的制造安裝精度要求較高，其造價也十分昂貴。選擇傳動類型時應(yīng)注意傳動效率，外輪廓尺寸大小，質(zhì)量，運動性能，以及是否符合生產(chǎn)條件。在這里本課題所設(shè)計的機(jī)床轉(zhuǎn)速較低，同時并未要求極高的精度，并且考慮到造價與體型大小，傳動方式應(yīng)選擇帶傳動。2.3主傳動功率計算方法選擇主傳動功率是選擇電動機(jī)的依據(jù)，可根據(jù)消耗在切削過程中的切削功率和帶傳動的總效率確定,銑削功率為主切削力和進(jìn)給力做功所消耗的功率之和。=/公式（2.2）=××××××××公式（2.2）這里需要指出的是，從第一章關(guān)于銑削知識的介紹可知為實際銑削功率，計算條件復(fù)雜，并且機(jī)床的設(shè)計過程中只要知道銑削功率的大致范圍也可以進(jìn)行主傳動功率的計算。因此，擬采用估算的方式計算大致的銑削功率。2.4電動的選擇已知銑削力為900N，主軸轉(zhuǎn)速為2000RPM，銑刀初擬為80mm圓柱形銑刀，根據(jù)《實用機(jī)床設(shè)計手冊》，可大致估算銑削功率:公式（2.3）根據(jù)切削功率選擇電動機(jī)，還要考慮機(jī)床的傳動效率。一般取為0.75～0.85，由于機(jī)床主軸采用電動機(jī)帶動同步帶輪的一級傳動，并且軸承精度等級很高，故機(jī)床主傳動效率很高，可取較大值，這里?。?.80，公式（2.4）我們已知=7.54KW,則9.43kW查高等教育出版社《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》Y系列三相異步電動機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)表(國標(biāo)ZBK22007-88)。電機(jī)型號Y160M-8，同步轉(zhuǎn)速1000RPM,2極，額定功率為11kW滿載轉(zhuǎn)速為970r/min,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩=2.0，最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩=2.2，質(zhì)量119Kg。2.5主傳動帶及帶輪設(shè)計由于主軸的最高轉(zhuǎn)速為1194RPM，電動機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速為720RPM，故取同步帶傳動比=2.1。2.5.1確定計算功率由《機(jī)械設(shè)計(第九版)》工作系數(shù)表，金屬切削機(jī)床的工作情況系數(shù)K=1.1，則==1.111kW=12.1kW公式（2.5）根據(jù)，n,查普通V帶選型圖，V帶帶型選C型。2.5.2初選小帶輪的基本直徑并驗算帶速v。由《機(jī)械設(shè)計（第九版）》V帶輪的最小基準(zhǔn)直徑表和普通V帶輪的直徑系列表，取小帶輪的基準(zhǔn)直徑=200mm。驗算帶速:公式（2.6）因為5m/s<v<20m/s，故帶速合適。計算大帶輪直徑：公式（2.7）根據(jù)《機(jī)械設(shè)計（第九版）》普通V帶輪的直徑系列表，取標(biāo)準(zhǔn)值為450mm。2.5.3確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長度L初定中心距，4551300，這里初擬a=700mm。計算帶所需的基準(zhǔn)長度:公式（2.8）由《機(jī)械設(shè)計（第九版）》普通V帶的基準(zhǔn)長度表，選帶的基準(zhǔn)長度=2420mm。計算實際中心距公式（2.9）則中心距的變化范圍675.5mm-779mm。驗算小帶輪上的包角公式（2.10）2.5.4計算帶的根數(shù)z（1）計算單根V帶的額定功率。由查單根普通V帶的基本額定功率表，得。根據(jù)和C型帶，查單根普通V帶額定功率的增量表，得△。根據(jù)，查包角修正系數(shù)表得,由，C型帶，查帶長修正系數(shù)表得，,于是△(6.34+1.76)kW公式（2.11）（2）計算V帶的根數(shù)公式（2.12）取正為z=2。（3）計算單根V帶的初拉力F由V帶單位長度的質(zhì)量表得，C型帶的單位長度質(zhì)量q=0.300kg/m,所以公式（2.14）計算壓軸力：公式（2.15）2.5.5帶輪的參數(shù)選擇轉(zhuǎn)速不高時帶輪材料多采用HT150與HT200（最小抗拉強(qiáng)度分別為150與200的灰口鑄鐵）,轉(zhuǎn)速較高時帶輪材料多采用鑄鋼，當(dāng)傳遞功率較小時帶輪也可采用鑄鋁或者塑料。這里帶輪的材料選為HT150。V帶輪主要由輪緣、輪轂、輪輻三部分組成，根據(jù)輪輻結(jié)構(gòu)的差異，將V帶輪分為實心式、腹板式、孔板式和橢圓輪輻式4種[6]。在機(jī)械設(shè)計過程中，V帶輪結(jié)構(gòu)形式的選取與基準(zhǔn)直徑有關(guān)。其中實心式適用于2.5（為帶輪直徑，d為帶輪所在軸的直徑）的V帶輪，腹板式適用于300mm的V帶輪，橢圓輪輻式適用于300mm的帶輪。查輪槽截面尺寸表可知，對于C型帶，帶輪直徑315mm，與對應(yīng)的，兩輪槽中心間距e為。第三章主軸設(shè)計3.1主軸部件的設(shè)計3.1.1主軸部件應(yīng)滿足的基本要求（1）旋轉(zhuǎn)精度主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于各主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。主軸支承軸頸的圓度，軸承滾道及滾子的圓度，主軸及隨其回轉(zhuǎn)零件的動平衡等因素，均可造成徑向跳動；軸承支承端面，主軸軸肩及相關(guān)零件端面對主軸回轉(zhuǎn)中心線的垂直度誤差，止推軸承的滾道及滾動體誤差等將造成主軸軸向跳動；主軸主要定心面（如車床主軸端的定心短錐孔和前端內(nèi)錐孔）的徑向跳動和軸向跳動。（2）剛度主軸部件的剛度是指其在外加載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時，在位移方向上所施加的作用力來定義。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，傳動件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸部件的剛度[4]。在本文主軸設(shè)計中，主要考慮的是主軸的靜態(tài)特性，因而著重點是滿足主軸的剛度要求。3.1.2密封主軸部件密封裝置的作用，是防止?jié)櫥瑒牟考辛鞒?，和防止冷卻液、濕氣、灰塵、切屑及雜物等侵入部件內(nèi)，導(dǎo)致主軸、軸承和傳動件等腐蝕及磨損過快，影響主軸部件的工作性能[4]。對主軸部件密封裝置的要求適應(yīng)轉(zhuǎn)速的要求，在一定的壓力和溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能。在密封部位引起的摩擦力應(yīng)盡量小，摩擦系數(shù)應(yīng)盡量穩(wěn)定。1)適應(yīng)工作環(huán)境的要求，密封性能好、耐腐蝕、磨損小、工作壽命長。磨損后，在一定程度上能自動補(bǔ)償。2)結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，特別是主軸前支承處的密封裝置，軸向尺寸應(yīng)盡量小，以減少主軸前端部的懸伸量，提高主軸部件剛度。同時力求結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便。在主軸部件的裝配過程中，主軸的密封與軸承的密封應(yīng)同時考慮。3.2主軸設(shè)計已知電動機(jī)功率是11Kw,轉(zhuǎn)速為970PRM，軸上帶輪直徑d=200mm,軸上功率P為7.54Kw，主軸轉(zhuǎn)速n=2000rpm,切削力Fz為900N。軸上轉(zhuǎn)矩:公式（3.1）由《實用機(jī)床設(shè)計手冊》查得：由經(jīng)驗公式，軸向切削分力,徑向切削分力。這里，??；。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件初步確定軸的最小直徑，由扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度公式：公式（3.2）式子中：為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPa；T為施加在軸上的扭矩，單位；為軸的抗扭截面系數(shù)，單位；n為設(shè)計軸的轉(zhuǎn)速，單位RPM；P為需要通過軸傳遞的功率，單位kW；d為所計算的軸的直徑，單位mm；為允許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPa,查《機(jī)械設(shè)計》第九版，可以得知45鋼的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力=（25-35）。由以上式子可以得，軸的直徑約束條件為：d公式（3.3）這里將用A替代，而A可以查標(biāo)準(zhǔn)值，查機(jī)械設(shè)計第九版，得45鋼的=(126-103)，考慮到機(jī)床主軸不僅受扭矩作用，且軸向載荷較大，故應(yīng)該取較大值，這里取=1.26。則軸的計算最小直徑公式（3.4）考慮到圓柱銑刀的安裝與帶輪與軸的連接需依靠鍵槽，而軸上的鍵槽的對于軸的強(qiáng)度具有一定的削弱作用，因而需要增到軸徑。查相關(guān)資料可知，對于直徑大于100mm的軸，因為鍵槽對軸的削弱作用，當(dāng)軸上有一個鍵槽，軸徑應(yīng)當(dāng)增大3%，當(dāng)軸上有兩個鍵槽時，軸徑應(yīng)當(dāng)增大7%[4]。對于直徑不大于100mm的軸，當(dāng)軸上有一個鍵槽時，軸徑應(yīng)當(dāng)增大5%-7%；當(dāng)軸上有兩個鍵槽時，軸徑應(yīng)當(dāng)增大10%-15%。同時，計算后的值都應(yīng)當(dāng)元整為軸徑的標(biāo)準(zhǔn)直徑。這里，初算所得的軸的最小直徑為20.01mm，顯然軸的直徑應(yīng)不大于100mm，同時軸上有兩個鍵槽，軸徑應(yīng)增大10%-15%，這里，軸徑增大15%。則d公式（3.5）將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)值為同時查《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn):圓柱形銑刀(第1部分)?型式和尺寸(GB/T1115.1-2002)》可得以下表：表3-1圓柱形銑刀可用尺（注：鍵槽的尺寸按照GB/T6132的規(guī)定）由上表可知80mm尺寸得銑刀，其安裝軸孔為32mm，銑刀長度為63mm。則對應(yīng)軸段的軸徑為32mm，對應(yīng)軸段的長度為63mm。圓柱形軸伸查機(jī)械工業(yè)出版社《實用機(jī)床設(shè)計手冊》可得。為了不過多的削弱主軸剛度，臥式機(jī)床床主軸孔徑d通常不小于主軸平均直徑的55%—60%[4]。其余軸頸軸段的軸徑與軸段長度與軸承的尺寸有關(guān)，在軸承的設(shè)計部分完成后繼續(xù)進(jìn)行。第四章軸承設(shè)計4.1軸承的結(jié)構(gòu)4.1.1軸承的配置常用的軸承配置方法有：雙支點單向固定、一支點雙向固定，另一支點游動、兩端游動支承[4]。雙支點單向固定常用兩個反向安裝的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，兩個軸承各限制在一個方向的軸向移動。這種方式支承剛度差。一支點雙向固定，另一支點游動適用于跨度較大，工作溫度較高，熱伸長量大的軸。兩端游動支承適用于人字齒輪，防止人字齒輪卡死或人字齒的兩側(cè)受力不均勻。4.1.2軸承配合正確的選擇軸承配合應(yīng)保證軸承正常運轉(zhuǎn)，防止內(nèi)圈與軸、外圈與外殼孔在工作時發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。4.1.3軸承的密封裝置軸承的裝密封置不僅能夠阻止塵埃、水氣、腐蝕物質(zhì)以及其他雜質(zhì)進(jìn)入軸承中，而且能夠有效的阻止?jié)櫥镔|(zhì)的氧化與流失。密封裝置主要有兩種類型：（1）接觸式密封這種密封方式通過在軸承蓋內(nèi)放置能夠與接觸的柔軟的材料使軸承密封。其常用的幾種結(jié)構(gòu)形式為氈圈油封、唇形密封圈、密封環(huán)。a.氈圈油封在軸承蓋上預(yù)留梯形槽，毛氈制成大小適中的環(huán)形或者帶形（尺寸不大時多用環(huán)形，尺寸較大時多用帶形），將氈圈放置在預(yù)留的梯形槽內(nèi)從而與軸密合接觸。這種密封一般用于脂潤滑的軸承，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但是由于其摩擦較大，只能用與滑動速度較小的地方（滑動速度應(yīng)小于4~5m/s，當(dāng)提高軸的表面粗糙度或者提高毛氈的質(zhì)量時對應(yīng)速度有所提升，但不會高于7~8m/s）。b.唇形密封圈用耐油橡膠制作密封圈，將該密封圈放置在軸承蓋中，依靠折彎的橡膠的彈力緊緊的套在軸上，從而實現(xiàn)密封。密封圈的唇應(yīng)朝向密封部位。這中密封方式能夠用于滑動速度小于10m/s的密封軸承（軸頸需要精車，當(dāng)軸頸磨光處理時，滑動速度上限可達(dá)15m/s），需要注意的是，這種密封方式對軸頸與密封圈接觸部位的耐磨性要求較高，一般軸的這個部位需要進(jìn)行硬化處理。c.密封環(huán)密封環(huán)是一種環(huán)形密封件，把它放置在套筒的環(huán)槽內(nèi)，套筒與軸一起轉(zhuǎn)動，密封環(huán)缺口被壓攏后所具有恢復(fù)原狀的彈力使之能夠與內(nèi)環(huán)壁精密結(jié)合，從而起到密封作用。這種密封方式適用于滑動速度低于100m/s以下的情況，需要注意的是這種密封方式各個接觸面必須經(jīng)過硬化處理并且進(jìn)行磨光。（2）非接觸式密封相對與接觸式密封，非接觸式密封能夠有效避免接觸位置產(chǎn)生的滑動摩擦，從而提高軸的使用壽命。其中常用的非接觸式密封為隙縫密封、甩油密封和曲路密封。a.隙縫密封對于脂潤滑的軸承，通過在軸承和軸承蓋的通孔壁上預(yù)留一個極窄的縫隙，能夠起到一定的密封作用。b.甩油密封對于油潤滑的軸承，通過在軸上開一個槽，使軸在按一個方向旋轉(zhuǎn)時，能夠使將要向外流失的潤滑油回流到軸承腔內(nèi)，從而起到密封作用。c.曲路密封這種密封方式由旋轉(zhuǎn)和固定的密封零件之間拼接成的曲折的縫隙形成，縫隙內(nèi)充入潤滑脂，從而實現(xiàn)密封。當(dāng)軸承的工作環(huán)境比較濕潤比較臟時，曲路密封仍能保持良好的密封。根據(jù)設(shè)計要求，主軸的轉(zhuǎn)速較高，應(yīng)考慮到接觸式密封在轉(zhuǎn)速過高時的發(fā)熱問題，將接觸式密封排除在外，同時，考慮到密封的可靠性以及工作環(huán)境，應(yīng)選擇曲路密封，并且在隙縫中填入潤滑脂。4.2軸承設(shè)計已知，軸的軸向載荷Fa為560N，徑向載荷為Fr=450N。軸與軸承的轉(zhuǎn)速為2000RPM,在軸的設(shè)計部分，軸的直徑不大于100mm，則安裝軸承處的軸頸直徑也不大于100mm。設(shè)計的軸承在金屬切削機(jī)床上使用，查表可知，預(yù)期的計算壽命為20000至30000小時。求比值Fa/Fr=公式（4.1）根據(jù)表13-5，角接觸球軸承的最大e值為0.56，此時滿足Fa/Fre。初步計算當(dāng)量載荷P，根據(jù)式子=k公式（4.2）公式（4.3）則公式（4.4）機(jī)床的載荷性質(zhì)為中等沖擊或者中等慣性沖擊，的取值范圍為1.2-1.8，這里，取=1.4。查表得，角接觸球軸承的X取值為0.44，Y值需要在已知軸承型號和基本額定靜載荷后才能查出。Y值的取值范圍為1.00至1.47，現(xiàn)初步擬定Y=1.24。則軸承應(yīng)有的基本額定動載荷可根據(jù)經(jīng)驗公式求出式子中L的單位為10r,為指數(shù)，對于角接觸球軸承，的取值為3。則，設(shè)計軸承應(yīng)有的基本額定動載荷為：公式（4.5）按照軸承樣本，同時聯(lián)系到圓柱銑刀的內(nèi)徑尺寸，選擇角接觸球軸承7207C型角接觸球軸承。其基本額定動載荷為C=23.5kN，對應(yīng)的外形尺寸為孔徑35mm，外徑72mm，寬17mm，對應(yīng)的定位軸肩取值范圍為（42-56）mm，這里取軸承的的定位軸肩對應(yīng)的軸徑為42mm[7]。7207C型角接觸球軸承的基本額定靜載荷為16.5kN。驗算過程如下：求相對軸向載荷對應(yīng)的e值與Y值。相對軸向載荷為公式（4.6）在徑向動載荷系數(shù)X與軸向動載荷Y表中查得，該值介于0.029與0.058之間，對應(yīng)的e值為0.40-0.43，Y值為1.40-1.30。（2）用線性插值法求Y值公式（4.7）(3)求當(dāng)量載荷PP=1.2(0.44公式（4.8）驗算軸承的壽命，由公式公式（4.9）則軸承的計算壽命為公式（4.10）顯然大于則選用的軸承滿足設(shè)計要求。4.3主軸軸承配置形式軸承的配置形式取決于剛度及精度要求，可有多種方式。為提高主軸的剛度和抗顛覆性，主軸前后軸承采用如圖所示方式配置。圖4-1其中所采用的圓柱軸承為內(nèi)徑同為35mm的6207深溝球軸承，以便于主軸的裝配。4.4主軸機(jī)構(gòu)設(shè)計通過以上計算過程后得到的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計,如圖4-2:圖4-2為滿足與80mm圓柱銑刀的連接要求，I-II段帶的直徑取32mm，軸段長取64mm。III-IV段安裝有7207C角接觸球軸承與32207圓柱軸承，根據(jù)軸承的安裝尺寸，改段軸的軸徑為35mm，參照工作要求，軸段的長度應(yīng)大于51mm。IV-V段為與軸承的定位有關(guān)，查常用滾動軸承表可知，7207C型角接觸球軸承的定位軸肩高為3.5mm，因此IV-V段直徑取42mm。V-VI段安裝有7207C角接觸球軸承根據(jù)軸承的安裝尺寸，改段軸的軸徑為35mm，參照工作要求，軸段的長度應(yīng)大于34mm。VII-VIII段安裝帶輪，根據(jù)帶輪的尺寸，該段的直徑為30mm，軸段長70mm。軸承端蓋與軸承外圈的軸向定位有關(guān)，同時與密封件配合起到密封作用，取軸承端蓋的總寬度為20mm，為了方便軸承端蓋的裝配以及軸承采用油脂潤滑需要添加潤滑油脂，故III-IV段，V-VI段取31mm的軸段長，并取1mm階梯過渡。4.5強(qiáng)度計算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化4.5.1主軸的強(qiáng)度計算1）畫出軸的計算簡圖如圖4-3所示：圖4-3軸的計算簡圖其中為圓周切削力所產(chǎn)生的徑向抗力（即走刀抗力），=450N；為圓周切削力所產(chǎn)生的抗力，=900N；為圓周切削力所產(chǎn)生的軸向抗力，=560N；為帶輪對軸的壓軸力，=954.40N。為計算方便，如下圖，將軸上作用力分解到水平面和垂直面內(nèi)進(jìn)行計算。取集中力作用于軸上零件寬度的中點，則L1=112mm,L2=192mm,L3=154mm，軸的受力計算圖如圖4-4所示。圖4-4軸分解到水平面方向上的作用力式中取為銑刀的半徑，即=80mm。圖4-5軸分解到垂直面方向上的作用2）求支反力：水平面內(nèi)支反力：公式（4.11）公式（4.12）公式（4.13）綜上可得，，（“—”表示主軸組件實際支反力與圖示相反）。垂直面內(nèi)支反力：公式（4.14）公式（4.15）計算得，3）計算軸的彎矩、轉(zhuǎn)矩，畫出彎矩圖、合成彎矩圖、扭矩圖：水平面彎矩：公式（4.16）垂直面彎矩：公式（4.17）M公式（4.18）水平面和垂直面彎矩圖如圖所示。圖4-6水平面彎矩圖圖4-7垂直面彎矩圖合成彎矩：公式（4.19）公式（4.20）圖4-8合成彎矩圖軸的扭矩：公式（4.21）圖4-9軸的扭矩圖4）計算主軸的當(dāng)量彎矩：轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)變化計算，取得：公式（4.22）公式(4.23)公式（4.24)進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩的截面的強(qiáng)度，得公式（4.25）公式（4.26）查軸的常用材料及其主要力學(xué)性能表可知，45鋼調(diào)質(zhì)處理后許用彎曲應(yīng)力[]=60MPa。顯然，[]，所以軸強(qiáng)度足夠。4.5.2軸的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)便于軸的加工以及軸上零件的裝配，一般來說，在滿足軸的使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)當(dāng)盡量簡化。在該設(shè)計的軸上，為了便于軸上零件的裝配以及去除毛刺，軸端應(yīng)設(shè)有45的倒角，查零件倒角C與圓角半徑推薦值表可知對于軸徑為18-30mm的軸，倒角C推薦值為1.0，對于軸徑為30-50mm的軸，倒角推薦值為1.2mm，同時，我們知道，簡化軸的結(jié)構(gòu)形式時，軸上直徑相似的倒角應(yīng)盡可能的采用相同的尺寸可以減少加工刀具的種類并提高加工的效率，因而，這里將所有的倒角值取為1.0mm。為了便于螺紋的切削，有螺紋的軸段應(yīng)預(yù)留退刀槽，同上，簡化軸的結(jié)構(gòu)形式時，軸上直徑相似的退刀槽寬度應(yīng)盡可能的采用相同的尺寸可以減少加工刀具的種類并提高加工的效率這里退刀槽寬統(tǒng)一取2mm。4.5.3主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化加工中心的主軸一般為空心軸，這樣雖然軸的空間體積比較大，但是軸的重量反而有所降低。同時，在載荷相等的條件下,合理壁厚的空心軸設(shè)計可以在很大程度上節(jié)約材料[8]。根據(jù)材料力學(xué)的原理，當(dāng)軸傳遞力矩時，從軸的徑向面來看，越是遠(yuǎn)離軸心的地方傳遞有效力矩的作用越大，越是軸心部位傳遞力矩的作用越小，因而，在傳遞較大力矩時，采用空心軸同時增大軸徑，是常用的有效措施之一。同時，對于空心軸而言，以上約束條件式子，將加入?yún)⒖枷禂?shù)，為空心軸的空心內(nèi)徑與軸的外徑之比。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度空心軸的直徑約束條件為公式（4.27)通常的取值為（0.5-0.6），這里取空心軸的參考系數(shù)=0.5。綜上，軸的最小直徑考慮到圓柱銑刀的安裝與帶輪與軸的連接需依靠鍵槽，而軸上的鍵槽的對于軸的強(qiáng)度具有一定的削弱作用，因而需要增到軸徑。查相關(guān)資料可知，對于直徑大于100mm的軸，因為鍵槽對軸的削弱作用，當(dāng)軸上有一個鍵槽，軸徑應(yīng)當(dāng)增大3%，當(dāng)軸上有兩個鍵槽時，軸徑應(yīng)當(dāng)增大7%。對于直徑不大于100mm的軸，當(dāng)軸上有一個鍵槽時，軸徑應(yīng)當(dāng)增大5%-7%；當(dāng)軸上有兩個鍵槽時，軸徑應(yīng)當(dāng)增大10%-15%。同時，計算后的值都應(yīng)當(dāng)元整為軸徑的標(biāo)準(zhǔn)直徑。這里，初算所得的軸的最小直徑為20.01mm，顯然軸的直徑應(yīng)不大于100mm，同時軸上有兩個鍵槽，軸徑應(yīng)增大10%-15%，這里，軸徑增大15%。則d=(1+15%)公式（4.28）對優(yōu)化后軸的強(qiáng)度計算：公式（4.29)公式（4.30)[]任然成立，軸的強(qiáng)度依舊足夠。于此同時，軸傳遞的有效力矩的作用有所增強(qiáng)。第五章主軸部件的有限元分析5.1有限元分析的意義工程設(shè)計中的一項重要工作是利用分析工具計算零部件的強(qiáng)度、剛度及動態(tài)性能，從而預(yù)知所設(shè)計的零件是否滿足要求[9]。常用的分析工具是有限元分析軟件，這種方法簡稱有限元法。Simulation插件是SolidWorks軟件中常用的的三維參數(shù)化分析插件，只需確定模型的材料，在三維模型上添加外部載荷和約束條件，對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化劃分并進(jìn)行運算，能得到可靠的有限元分析結(jié)果，對設(shè)計驗證具有極大的參考價值。5.2有限元分析的注意事項利用SolidWorks軟件建立三維模型利用Simulation插件對三維進(jìn)行有限元分析時，對模型進(jìn)行合理的簡化有利于降低分析處理的時間，提高軟件的分析效率。模型的簡化處理方式一般如下：1.階梯軸過渡處忽略，軸直徑以最小處為準(zhǔn)，倒角圓角螺紋退刀槽等也可忽略不計；2.忽略對軸強(qiáng)度影響不大的尺寸較小的工藝孔，注油孔，鍵