目 錄內容摘要1abstract2第一部分 1.1前言3第二部分 主軸組件設計2.1主軸結構的初步擬定122.2主軸的材料與熱處理132.3主軸的技術要求13(1)軸頸13(2)內錐孔14第三部分 主軸組件的計算143.1主軸直徑的選擇143.2主軸前后支承軸承的選擇15(1)主軸前支承軸承的選擇15(2)主軸后支承軸承的選擇163.3主軸內孔直徑163.4主軸前端懸伸量173.5主軸支承跨距18第四部分 主軸結構圖18第五部分 主軸組件的驗算185.1主軸端部撓度195.2支承的簡化195.3主軸的撓度205.4主軸傾角20第六部分 主軸組件的潤滑和密封216.1主軸軸承的潤滑216.2主軸組件的密封21(1)主軸組件密封裝置的功用22(2)對主軸組件密封裝置的要求22(3)主軸組件密封裝置的類型22(4)主軸組件密封裝置的選擇22第七部分 主軸組件中相關部件237.1軸肩擋圈237.2擋圈237.3圓螺母237.4套筒247.5前、后支承的軸承蓋257.6主軸用套筒及其鎖緊部分267.7主軸尾部的內花鍵27第八部分 主軸組件軸向調節機構288.1絲杠螺紋288.2絲杠軸承的選擇288.3絲杠螺母298.4絲杠中段螺紋298.5絲杠上的內隔套298.6絲杠上調節用錐齒輪30第九部分 箱體設計30參考文獻32致謝33內 容 摘 要組合機床，是由大量的通用部件和少量專用部件組成的工序集中的高效率機床。其特點有：結構緊湊、工作質量可靠、設計和制造周期短、投資少、經濟效果好、生產率高等。本次設計首先針對所要加工的零件入手，對機床進行總體方案設計，進而確定機床的總體布局，隨后，對主軸組件進行設計。在設計主軸組件時，以主軸為線索，在滿足剛度、精度等要求下，完成其它（如軸承、軸向調節機構、鎖緊機構等）所有零件的設計。關鍵詞：組合機床；主軸組件；主軸；軸承；軸向調節機構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 .this design, 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； bearings；axial adjustment 第一部分1.1引言金屬切削機床中的組合機床，是根據工件加工需要，以大量通用部件為基礎，配以少量專用部件組成的一種高效專用機床。它具有：生產率高；加工精度穩定；研制周期短，便于設計、制造和使用維護，成本低；配置靈活等。正是由于這些特點的存在，決定了組合機床在當今新形勢下仍能被廣泛應用于汽車、拖拉機、柴油機、電機、儀器儀表、軍工及自行車等輕工行業和機床、機車、工程機械等制造業中。此次設計的是銑削組合機床及主軸組件。首先，對機床進行總體設計，確定總體方案后得到機床總體布局圖；再著重進行主軸組件的設計，其中包括主軸的設計、支承的選取、主軸軸向移動機構和主軸鎖緊機構等的設計。由于能力所限，設計尚有許多不足之處，懇請各位老師給予指導第二部分 主軸組件設計2.1主軸結構的初步擬定主軸的結構主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承和密封裝置等的類型、數目、位置和安裝定位的方法，同時還要考慮主軸加工和裝配的工藝性，一般在機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，常把主軸設計成階梯軸，即軸徑從前軸頸起向后依次遞減。主軸是空心的或者是實心的，主要取決于機床的類型。此次設計的主軸，也設計成階梯形，同時，在滿足剛度要求的前提下，設計成空心軸，以便通過刀具拉桿。主軸端部系指主軸前端。它的形狀決定于機床的類型、安裝夾具或刀具的形式，并應保證夾具或刀具安裝可靠、定位準確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。短圓錐法蘭盤式主軸端部結構形式特點是：主軸端面上有四個螺孔，用來固定和傳遞扭矩給刀具。主軸是空心的，前端有錐度為7:24的錐孔，結構如下所示： 圖2-3 短圓錐法蘭盤式主軸端部結構2.2主軸的材料與熱處理主軸材料主要根據剛度、載荷特點、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，鋼的e值較大（2.110n/cm左右），所以，主軸材料首先考慮用鋼料。鋼的彈性模量e的數值和鋼的種類和熱處理方式無關，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量e基本相同。因此在選擇鋼料時應首先選用價格便宜的中碳鋼（如45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時，或者精密機床主軸需要減少熱處理后的變形時，或者軸向移動的主軸需要保證其耐磨性時，才考慮選用合金鋼。當主軸軸承采用滾動軸承時，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鋼主軸軸頸仍進行高頻淬火（hrc4854）.有關45鋼主軸熱處理情況如下表2-2所列：表2-2 使用滾動軸承的45鋼主軸熱處理等參數工 作 條 件使 用 機 床材 料 牌 號熱 處 理硬 度常 用代 用輕中負載車、鉆、銑、磨床主軸4550調質hb220250輕中負載局部要求高硬度磨床的砂輪軸4550高頻淬火hrc5258輕中負載pv400（nm/cms）車、鉆、銑、磨床的主軸4550淬火回火高頻淬火hrc4250hrc5258此次設計的機床主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選用價格便宜的中碳鋼（45鋼）。查表2-2中，因工作中承受輕、中負荷，且要求局部高硬度，故熱處理采用高頻淬火，hrc5258。2.3主軸的技術要求主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉精度。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，關系到接觸剛度，零件接觸表面形狀愈準確、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，對主軸設計必須提出一定的技術要求。（1）軸頸此次設計的主軸，應首先考慮軸頸。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，以軸頸作為工作基面進行旋轉運動；加工主軸時，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，以軸頸作為測量基面來檢查各部分的同軸度和垂直度。采用滾動軸承時，軸頸的精度必須與軸承的精度相適應。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動軸承的配合質量。對于普通精度級機床的主軸，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）通常應小于直徑公差的1/41/2。（2） 內錐孔內錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗機床精度時，它是代表主軸中心線的基準，用來檢查主軸與其他部件的相互位置精度，如主軸與導軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經常裝拆，故內錐孔必須耐磨。錐孔與軸承軸頸的同軸度，一般以錐孔端部及其相距100300毫米處對軸頸的徑向跳動表示；其形狀誤差用標準檢驗錐著色檢查的接觸面積大小來檢驗。第三部分 主 軸 組 件 的 計 算主軸組件的結構參數主要包括：主軸的平均直徑d（初選時常用主軸前軸頸的直徑d來表示）；主軸內孔直徑d；主軸前端部的懸伸量a；以及主軸支承跨距l等。一般步驟是：首先根據機床主電機功率或機床的主參數來選取d，在滿足主軸本身剛度的前提下，按照工藝要求來確定d，根據主軸前端部結構形狀和前支承的結構型式來確定a,最后根據d、a和主軸前支承的支承剛度來確定l。主軸軸承的配置型式，對主要結構參數的確定很有關系，故在設計過程中常需交叉進行，最終以主軸組件剛度等性能來衡量其設計的合理性。3.1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d越大，與之相配的軸承等零件的尺寸越大，要達到相同的公差則制造越困難，重量也增加。同時，加大直徑還受到軸承所允許的極限轉速的限制，甚至為機床結構所不允許。通常，主軸前軸頸直徑d可根據傳遞功率，并參考現有同類機床的主軸軸頸尺寸確定。幾種常見的通用機床鋼質主軸前軸頸的直徑d，如下表2-3所示：已知主電機功率p=4kw，機床類型是銑床，查上表中對應項，初取d=80。主軸后軸頸直徑d和前軸頸直徑d的關系，可根據下列經驗公式來定：d=（0.70.85）d因此，有d=（0.70.85）d=（0.70.85）80=5668，取d=65。表2-3 主軸前軸頸直徑d的選擇機床機 床 功 率 （千瓦）1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.7車床608070907010595130110145140165銑床5090609060957510090105100115外圓磨床5090557070807590751003.2主軸前后支承軸承的選擇（1）主軸前支承軸承的選擇根據前述關于軸承的選擇原則，選取主軸前支承的雙列向心短圓柱滾子軸承型號為3182116。其中，d=80，d=125，b=34，d=91，d=117，d=117，r=1。具體結構參數如圖2-4所示： 圖2-4 雙列向心短圓柱滾子軸承（gb285-87）結構參數及安裝尺寸再選取主軸前支承的推力球軸軸承型號為8215。其中，d=75，d=75.2，d=110，h=27, d=86, d=99，r=1。具體結構參數如圖2-5所示：（2）主軸后支承軸承的選擇選取主軸后支承的圓柱滾子軸承型號為2213。其中：d=65，d=120，b=23，d=77，d=110，r=1.5。具體結構參數如圖2-6所示：3.3主軸內孔直徑該組合機床用于銑削加工，其主軸需有一通過銑刀拉桿的孔，該主軸內孔直徑應取在一定范圍內，才不致影響主軸剛度。一般，主軸內孔直徑受到主軸后軸頸的直徑所限制。 圖2-5 推力球軸承（gb301-84）結構參數及安裝尺寸 圖2-6 圓柱滾子軸承（gb283-87）結構參數及安裝尺寸由材料力學可知，剛度k正比于截面慣性矩i，它與直徑之間有下列關系：=1-（）=1-根據此式可得：當0.3時，空心與實心截面主軸的剛度很接近；當=0.5時，空心主軸的剛度為實心主軸剛度的90%，對剛度影響不大；0.7時，則主軸剛度急劇下降，故一般應使0.7，即d0.7d。由以上分析可得：d0.7 d=0.765=45.5考慮到此組合機床主軸為銑削主軸，銑刀拉桿的直徑比較小，故可將取小些，即取=0.5，即：d2.5根據上表所列，所設計的組合機床屬于型，所以取a/ d為1.252.5，即：a=（1.252.5）d=（1.252.5）80=100200初取a=120。3.5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。可以證明，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。可見，支承跨距過大或過小都會降低主軸部件的剛度。有關資料對合理跨距選擇的推薦值可作參考：（1） l=（45）d；（2） l=（35）a，用于懸伸長度較小時；（3） l=（12）a，用于懸伸長度較大時。根據此次設計的組合機床剛性主軸的懸伸量較大，取l2.5a為宜。即此次設計的主軸兩支承的合理跨距l2.5a=2.5120=300初取l=280。第四部分 主 軸 結 構 圖根據以上的分析計算，可初步得出主軸的結構如圖2-7所示：第五部分 主 軸 組 件 的 驗 算主軸在工作中的受力情況嚴重，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，因此主軸的計算主要是剛度的驗算，與一般軸著重于強度的情況不一樣。通常能滿足剛度要求的主軸也能滿足強度的要求。剛度乃是載荷與彈性變形的比值。當載荷一定時，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算包括：主軸端部撓度和主軸傾角的計算。5.1主軸端部撓度主軸端部撓度直接影響加工精度和表面粗糙度，因此必須加以限制，一般計算主軸端部最大撓度。5.2支承的簡化對于兩支承主軸，若每個支承中僅有一個單列或雙列滾動軸承，或者有兩個單列球軸承，則可將主軸組件簡化為簡支梁，如下圖2-8所示；若前支承有兩個以上滾動軸承，圖2-8 主軸組件簡化為簡支梁可認為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為固定端梁，如下圖2-9所示：圖2-9 主軸組件簡化為固定端梁此次設計的主軸，前支承選用了一個雙列向心短圓柱滾子軸承和兩個推力球軸承作為支承，即可認為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為上圖2-9所示。5.3主軸的撓度查表，對圖2-9作更進一步的分析，如下圖2-10所示：根據圖2-10，可得此時的最大撓度=-其中，f主軸前端受力。此處，f=f=1213.1nla、b之間的距離。此處，l=a=12cm圖2-10 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=2.110n/cmi主軸截面的平均慣性矩。當主軸平均直徑為d，內孔直徑為d時，i=。此處，d=133故可計算出，主軸端部的最大撓度：=-1.8710 mm5.4主軸傾角主軸上安裝主軸和安裝傳動齒輪處的傾角，稱為主軸的傾角。此次設計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，會破壞軸承的正常工作，縮短軸承的使用壽命。根據圖2-10，可得此時的最大傾角=-其中，f主軸前端受力。此處，f=f=1213.1nla、b之間的距離。此處，l=a=12cme主軸材料的彈性模量。45鋼的e=2.110n/cmi主軸截面的平均慣性矩。當主軸平均直徑為d，內孔直徑為d時，i=。此處，d=133故可計算出，主軸傾角為：=-2.310 rad當x0.0002l mm0.001 rad時，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。將已知數據和代入，即可得：初步設計的主軸滿足剛度要求。第六部分 主 軸 組 件 的 潤 滑 和 密 封6.1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，保護軸承不受外物的磨損和防止腐蝕。潤滑劑和潤滑方式決定于軸承的類型、速度和工作負荷。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。滾動軸承可以用潤滑油或潤滑脂來潤滑。試驗證明，在速度較低時，用潤滑脂比用潤滑油溫升低。所以，此次設計的主軸支承均采用潤滑脂。同時，主軸是裝在主軸套筒內的，為防止使用潤滑油時泄漏，也應采用潤滑脂潤滑。加潤滑脂時，應該注意潤滑脂的充填量不能過多，不能把軸承的空間填滿，否則會引起過高的發熱，并使潤滑脂熔化流出而惡化潤滑效果。6.2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。機床主軸密封不好，將使潤滑劑外流，造成浪費，加速零件的磨損，還會嚴重地影響到工作環境及機床的外觀。（1）主軸組件密封裝置的功用密封裝置的功用是：防止潤滑劑從主軸組件及傳動部件中泄漏，從而避免浪費，保護工作環境，防止冷卻液及雜物（如灰塵、臟物、水氣和切屑等）從外面進入部件內，以減少機床零件的腐蝕及磨損，延長其使用壽命。（2）對主軸組件密封裝置的要求對主軸組件密封裝置的要求是：在一定的壓力、溫度范圍內具有良好的密封性能；由密封裝置所形成的摩擦力應盡量小，摩擦系數應盡量穩定；耐腐蝕、磨損小、工作壽命長，磨損后，在一定程度上能自動補償；結構簡單、裝卸方便。對具體的主軸組件及傳動部件，應根據實際情況選擇有效而又經濟密封裝置。（3）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）主軸組件密封裝置的選擇選用密封裝置時，應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性質；主軸組件的工作溫度；周圍介質的情況；主軸組件的結構特點；密封裝置的主要用途等。綜合考慮上述因素，主軸前支承處，為了更好地防止外界的灰塵屑末等雜物進入，故考慮選用迷宮式密封，形成一條長而曲曲折折的通道，徑向尺寸不超過0.3mm，中填潤滑脂，軸向尺寸不超過1.5mm。此次選用的迷宮式密封裝置的結構參數如下圖2-11所示：圖2-11 迷宮式密封裝置的結構參數其中，d=80，d=130，e=1第七部分 主 軸 組 件 中 相 關 部 件7.1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，此次選用的擋圈的結構參數如下圖2-12所示：圖2-12 軸肩擋圈的結構參數其中，d=95，d=80，h=67.2擋圈兩推力球之間用的擋圈為非標準件，徑向尺寸依主軸套筒尺寸而定，軸向尺寸可初取為6mm。7.3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的套筒，分別采用兩個圓螺母，為了增加可靠性，再加一止動螺釘。圓螺母具體的參數結構如下圖2-13所示：圖2-13 圓螺母（gb812-88）其中，鎖緊靠主軸后支承一邊的推力球軸承用的圓螺母，dp=m802，d=115，d=103，m=15，h=10.36，h=10，t=4.75，t=4，c=1.5，c=1鎖緊兩推力球軸承內的套筒用的圓螺母，dp=m722，d=105，d=93，m=15，h=10.36，h=10，t=4.75，t=4，c=1.5，c=17.4套筒兩推力球軸承之間用的套筒，根據以上計算，可知，軸向尺寸取為92，徑向厚度取為2.5mm，一端加工出長為26的外螺紋m801.5，一端用一緊定螺釘鎖緊在主軸上，套筒結構如圖2-14所示；緊定螺釘的結構參數如圖2-15所示；主軸上的小孔的結構參數如圖2-16所示：其中，緊定螺釘的參數有：m81.25，l=10，d=5.5，n=1.2 , t=2圖2-14 兩推力球軸承內用套筒結構參數軸上固定螺釘用的孔的參數有：d=6，c=5，h5圖2-15 開槽平端緊定螺釘圖2-16 軸上固定螺釘用的孔7.5前、后支承的軸承蓋為了保證軸承的正常運轉，防止外界雜物進入影響軸承的使用壽命，前、后軸承應安裝上軸承蓋，并將其固定在套筒上，與主軸配合處采用間隙配合，初步設計如下圖2-17、2-18所示：圖2-17 前支承用軸承蓋其中，d=124，d=153圖2-18 后支承用軸承蓋其中，d=64，d=153，a=5，b=557.6主軸用套筒及其鎖緊部分根據前面的計算和設計，可以直接得到主軸用套筒的結構及參數如圖2-19所示：套筒的鎖緊部分采用彈性套，當調節螺栓時，彈性套就會隨之變形，從而鎖緊或松開套筒。主軸需要軸向移動（調節）時，便松開螺栓，彈性套也隨之松開套筒，調節完主軸軸向位置后，應擰緊螺栓以鎖緊主軸。同時，彈性套和螺栓固定在主軸組件的箱體上，彈性套的結構及其參數如下圖2-20所示：取m24螺栓，圖2-19 主軸用套筒的結構及參數結構如下圖2-21所示，參數有：l=100，b=54，c=0.2，d=26.4，d=24，d=33.6，e=40，f=4，k=15，k=10.3，r=0.8，s=36，l=31，l=46圖2-20 彈性套結構及參數7.7主軸尾部的內花鍵組合銑床的主軸組件和傳動裝置采用花鍵連接，花鍵采用外徑定心方式，其特點是：定心精度高，加工方便，外花鍵的外徑可在普通機床上加工至所需的精度。內花鍵的硬度不高時，可由拉刀保證其外徑精度。結構如圖2-22所示，參數有：d=42，n=8，d=46，b=8圖2-21 鎖緊螺栓的結構及參數33圖2-22 主軸尾部的內花鍵結構及參數第八部分 主 軸 組 件 軸 向 調 節 機 構主軸組件的軸向調節機構采用一對圓錐齒輪并經絲杠螺母手動調節。它具有傳動比小，傳動精度高，運動平穩，能自鎖等特點。絲杠主要承受軸向力，故采用兩推力球軸承作為絲杠的支承，螺母支承的軸和主軸套筒上的孔相配合，實現主軸的軸向調節。該絲杠螺母支承簡圖如圖2-23所示：8.1絲杠螺紋 絲杠采用梯形螺紋，其牙根強度高，螺紋副對中性好，加工時可以銑和磨，工藝簡單。取螺紋直徑為36，其余參數有：圖2-23 絲杠螺母支承簡圖p=6，d=36，d=33，d=29，l=708.2絲杠軸承的選擇絲杠的調節精度直接影響主軸軸向移動精度，而絲杠的精度除靠梯形螺紋自身保證外，還靠支承的精度保持，故需考慮支承精度。該絲杠采用兩相同推力球軸承承受軸向力，其精度應選用常用的d級精度軸承，選用推力球軸承的型號為8209，其結構如下圖2-24所示，相關參數有：d=45，d=45.2，d=73，h=20，d=55，d=63 圖2-24 推力球軸承（gb301-84）結構參數及安裝尺寸8.3絲杠螺母將絲杠的螺母制成一端具有螺紋孔的短軸，其內螺紋為m366的梯形螺紋，與絲杠配合，軸徑取為20，從螺母中心到軸端距離取為75，軸端與套筒采用過盈配合，以保證軸向位置的調節精度。8.4絲杠中段螺紋絲杠中段制成三角螺紋，直徑為m42，螺距p=1.5，與之相配合的軸承擋圈仍為m421.5，d=40.917，d=41.35，l=10，d=55。8.5絲杠上的內隔套絲杠大端直徑為45，所以內隔套的內徑也為45，相關結構及參數如下圖2-25所示，參數有：d=45，d=55，l=20圖2-25 內隔套的結構及其參數8.6絲杠上調節用錐齒輪調節主軸軸向位置的手柄與絲杠垂直，故采用交角為90（正交）的直齒圓錐齒輪。為了保證軸向調節的可靠，取該嚙合的兩錐齒輪傳動比為 i=1，既不用減速，也不用增速。其精度等級范圍取810級即可。為了更好地保證軸向調節精度，故取8級精度最佳。初取齒數z=18，分度圓直徑d=60，則有：m=3.33取其相近值3.25，即m=3.25，有：d=mz=3.2518=58.5可計算出：分度圓直徑d d=d=58.5齒數z z= z=18大端模數m m= d/z= d/z=3.25節錐角 =arc tgz/z=45，=90-=45錐距r r= d/2sin= d/2sin=41.37齒寬b b=br0.3341.3713.65(0.33，齒寬