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寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
所在學(xué)院
機(jī)電學(xué)院
專(zhuān)業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)
學(xué)生姓名
王饒升
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
題 目
端面磨床砂輪主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容與基本要求：（目標(biāo)、任務(wù)、途徑、方法，應(yīng)掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻(xiàn)）以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求、注意事項(xiàng)等）（紙張不夠可加頁(yè)）
（一）設(shè)計(jì)基本參數(shù)
1、 砂輪主軸轉(zhuǎn)速1200r/min
2、 產(chǎn)品主軸轉(zhuǎn)速100r/min
3、 磨削進(jìn)給速度：0.002mm/min(精磨)；0.02mm/min(粗磨)
4、 加工材料：氧化鋯（ZrO2）
5、 產(chǎn)品磨削面積：3500平方毫米（吸盤(pán)直徑125毫米），產(chǎn)品規(guī)格：直徑2.5毫米，長(zhǎng)度10.5毫米。
6、 砂輪：端面金剛石砂輪（精磨、粗磨兩種）
7、 磨削精度：產(chǎn)品長(zhǎng)度10.5±0.005
8、 操作基本要求：產(chǎn)品經(jīng)人工裝上吸盤(pán)后，設(shè)備自動(dòng)完成磨削并停機(jī)，等待下一次磨削。
（二）課題設(shè)計(jì)途徑與方法：
1、了解氧化鋯及其用途，常用的加工方法。（了解加工對(duì)象：陶瓷插芯）
2、了解常用主軸的性能特點(diǎn)、種類(lèi)、及加工方法、熱處理方法（加工工藝方法）。
3、了解金剛石砂輪的特點(diǎn)與加工性能。
4、了解端面磨削基本結(jié)構(gòu)。（總體構(gòu)思與布局）
5、軸承種類(lèi)與形式、選用、特點(diǎn)及計(jì)算。
6、受力分析、與計(jì)算。
7、設(shè)計(jì)繪圖。
8、設(shè)計(jì)研討會(huì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)。
9、編號(hào)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)，工藝文件等。（計(jì)算）
10、綜述、參考索引、編制。
自己補(bǔ)充 砂輪主軸：1、受力分析
2、工藝：1）材料 40Cr 45鋼……
2）熱處理
3）加工工藝
電動(dòng)機(jī)：功率計(jì)算、負(fù)荷、扭矩……
二、畢業(yè)論文進(jìn)度計(jì)劃
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 2011年6月25日至 2012年3 月 15 日
計(jì) 劃 答 辯 時(shí) 間： 2012 年 4 月15 日
三、專(zhuān)業(yè)（教研室）審批意見(jiàn)：
審批人（簽字）：
工作任務(wù)與工作量要求：原則上查閱文獻(xiàn)資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇；文獻(xiàn)綜述不少于3000字；文獻(xiàn)翻譯不少于2000字；畢業(yè)論文1篇不少于8000字，理工科類(lèi)論文或設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)不少于6000字（同時(shí)提交有關(guān)圖紙和附件），外語(yǔ)類(lèi)專(zhuān)業(yè)論文不少于相當(dāng)6000漢字。 提交相關(guān)圖紙、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、調(diào)研報(bào)告、譯文等其它形式的成果。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫(xiě)規(guī)范及有關(guān)要求，請(qǐng)查閱《寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)手冊(cè)》。
備注：學(xué)生一人一題，指導(dǎo)教師對(duì)每一名學(xué)生下達(dá)一份《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)》。
分 類(lèi) 號(hào)
密 級(jí)
寧寧波大紅鷹學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
端面磨床砂輪主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
誠(chéng) 信 承 諾
我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文《端面磨床砂輪主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋?zhuān)粲胁粚?shí)，后果由本人承擔(dān)。
承諾人（簽名）：
年 月 日
摘 要
主軸組件是機(jī)床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)，完成表面成形運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還起傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩、承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，因此它是機(jī)床中的一個(gè)關(guān)鍵組件。
主軸和一般傳動(dòng)軸的相同點(diǎn)是，兩者都傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩并承受傳動(dòng)力，都要保證傳動(dòng)件和支承的正常工件條件，但主軸直接承受切削力，還要帶動(dòng)工件或刀具，實(shí)現(xiàn)表面成形運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)主軸有較高的要求。
本人針對(duì)端面磨床的砂輪主軸部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。
關(guān)鍵詞：磨床，端面磨床，砂輪，主軸
35
Abstract
Main components of machine tools is the execution part, its function is to support and promote the development of the workpiece or tool to rotate, to complete the surface forming movement, also pass the motion and torque, bear cutting force and driving force of load. As a result of spindle components of working performance directly affects the machining quality and productivity, it is one of the key components of machine tool.
The spindle and the general drive shaft are similar, both transfer motion, torque and bear the transmission power, transmission parts and support to ensure the normal work conditions, but the cutting force under the direct axis, but also drives the workpiece or tool, realize the surface forming movement, therefore has a higher requirement on the spindle.
I aimed at the end grinding wheel spindle part design and analysis.
Key Words: Grinder, surface grinder, grinding wheel, a spindle
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒 論 5
1.1 磨床的類(lèi)型與用途 5
1.1.1 磨床的類(lèi)型及其特點(diǎn) 5
1.1.2 磨床的用途 6
1.1.3 端面磨床 6
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 7
1.3 端面磨床的設(shè)計(jì)任務(wù)要求 7
第二章 主軸組件設(shè)計(jì) 8
2.1 主軸的基本要求 9
2.1.1 旋轉(zhuǎn)精度 9
2.1.2 剛度 9
2.1.3 抗振性 10
2.1.4 溫升和熱變形 11
2.1.5 耐磨性 11
2.1.6 其他 12
2.2 主軸組件的布局 12
2.2.1 適應(yīng)剛度和承載能力的要求 12
2.2.2 適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求 13
2.2.3 適應(yīng)精度的要求 14
2.2.4 適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求 14
2.2.5 適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求 14
2.3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 14
2.4 主軸的材料與熱處理 15
2.5 主軸的技術(shù)要求 16
2.5.1 軸頸 16
2.5.2 內(nèi)錐孔 16
2.6 主軸組件的計(jì)算 16
2.6.1 主軸直徑的選擇（含電動(dòng)機(jī)：功率計(jì)算、扭矩） 17
2.6.2 主軸前后支承軸承的選擇 18
2.6.3 主軸內(nèi)孔直徑 19
2.6.4 主軸前端懸伸量 20
2.6.5 主軸支承跨距 21
2.7 主軸結(jié)構(gòu)圖 21
2.8 主軸組件的驗(yàn)算 22
2.8.1 主軸端部撓度 22
2.9 主軸組件的潤(rùn)滑和密封 25
2.9.1 主軸軸承的潤(rùn)滑 25
2.9.2 主軸組件的密封 25
2.10 主軸組件中相關(guān)部件 32
2.10.1 軸肩擋圈 32
2.10.2 擋圈 32
2.10.3 圓螺母 32
參 考 文 獻(xiàn) 34
致 謝 35
寧波大紅鷹學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 磨床的類(lèi)型與用途
機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造水平，主要取決于機(jī)械制造裝備的先進(jìn)程度。機(jī)械制造裝備的核心是金屬切削機(jī)床，精密零件的加工，主要依賴切削加工來(lái)達(dá)到所需要的精度。金屬切削機(jī)床所擔(dān)負(fù)的工作量約占機(jī)器制造總工作量的40%～60%，金屬切削機(jī)床的技術(shù)水平直接影響到機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。換言之，一個(gè)國(guó)家的機(jī)床工業(yè)水平在很大程度上代表著這個(gè)國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。顯然，金屬切削機(jī)床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化建設(shè)中起著不可替代的作用。
縱觀幾十年來(lái)的歷史，機(jī)械制造業(yè)從早期降低成本的競(jìng)爭(zhēng)，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)70年代、80年代發(fā)展到20世紀(jì)90年代乃至21世紀(jì)初的新的產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。目前，我國(guó)已加入世界貿(mào)易組織，經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也面臨著新的形勢(shì)：知識(shí)——技術(shù)——產(chǎn)品的更新周期越來(lái)越短，產(chǎn)品的批量越來(lái)越小，產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)和綠色制造的呼聲越來(lái)越強(qiáng)，因而以敏捷制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)將是制造業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)需要、不斷推出新產(chǎn)品、贏得競(jìng)爭(zhēng)、求得生存和發(fā)展的主要手段。
1.1.1 磨床的類(lèi)型及其特點(diǎn)
磨床種類(lèi)很多，主要有：外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來(lái)磨削特定表面和工件的專(zhuān)門(mén)化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等[2]。
對(duì)外圓磨床來(lái)說(shuō)，又可分為普通外圓磨床、萬(wàn)能外圓磨床、無(wú)心外圓磨床、 寬砂輪外圓磨床、端面外圓磨床等
以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。
磨床與其他機(jī)床相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1、磨床的磨具（砂輪）相對(duì)于工件做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（一般砂輪圓周線速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上發(fā)展）；
2、它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件；
3、它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度；
4、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和自動(dòng)線，進(jìn)行高效率生產(chǎn)；
5、磨床通常是電動(dòng)機(jī)---油泵---發(fā)動(dòng)部件，通過(guò)機(jī)械，電氣，液壓傳動(dòng)---傳動(dòng)部件帶動(dòng)工件和砂輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)---工件部分組成[1]。
1.1.2 磨床的用途
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，各種高硬度材料的應(yīng)用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強(qiáng)力磨削，進(jìn)一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴(kuò)大。它在金屬切削機(jī)床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中，磨床在機(jī)床總數(shù)中的比例已達(dá)30%----40%。據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(huì)(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車(chē)削只占23%， 鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車(chē)床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[3]。由此可見(jiàn)，在精密加工當(dāng)中，有許多零部件是通過(guò)精密磨削來(lái)達(dá)到其要求的，而精密磨削加工會(huì)要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實(shí)現(xiàn)精密磨削加工，則所用的磨床就應(yīng)該滿足以下幾個(gè)基本要求：
高幾何精度。 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和導(dǎo)軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長(zhǎng)三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動(dòng)壓軸承及動(dòng)靜壓組合軸承等。當(dāng)前采用動(dòng)壓軸承和動(dòng)靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動(dòng)一般應(yīng)小于1um，軸向圓跳動(dòng)應(yīng)限制在2—3um以內(nèi)。
2.低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導(dǎo)程要求10—15mm/min，因此工作臺(tái)必須低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，要求無(wú)爬行和無(wú)沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。
3.減少振動(dòng)。 精密磨削時(shí)如果產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。故對(duì)于精密磨床，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮減少振動(dòng)。
4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會(huì)達(dá)到總誤差的50％，故機(jī)床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)精密磨削的主要障礙。
1.1.3 端面磨床
端面磨床是高精度端面加工設(shè)備，有著高強(qiáng)度機(jī)械構(gòu)造和穩(wěn)定的精度。
應(yīng)用領(lǐng)域：液壓氣動(dòng)元件、液壓馬達(dá)部件、汽車(chē)轉(zhuǎn)向泵零部件、制冷壓縮機(jī)零部件、油泵油嘴零部件、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、高精密軸承、密封件、活塞環(huán)、量刃具、模具、儀表、硬質(zhì)合金刀片、陶瓷閥芯、磁性材料等產(chǎn)品的雙面研磨加工。
機(jī)床特點(diǎn)：高精度精密軸承，保證機(jī)床剛性及精度。
氣動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)輕壓、重壓、輕壓三階段壓力任意調(diào)整和自動(dòng)轉(zhuǎn)換?！び|摸屏控制界面，方便、快捷。高效率、高精度的金剛石磨盤(pán)研磨，備有修整環(huán)。
端面磨床及其特點(diǎn)：
端面磨床是外圓磨床的一種變形機(jī)床，它宜于大批量磨削軸類(lèi)端面工件，有較高的生產(chǎn)率。它的特點(diǎn)如下
（1）這種磨床的布局形成和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系與外圓磨床相似，為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。
（2）由于它適用于大批量生產(chǎn)，所以具有自動(dòng)磨削循環(huán)，完成快速進(jìn)給（長(zhǎng)切入）---粗磨---精磨—無(wú)花磨削。由定程裝置或自動(dòng)測(cè)量控制工件尺寸。
（3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向?qū)Φ堆b置。
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)
隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開(kāi)發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動(dòng)化磨床等方向發(fā)展[4]，如用于超精密磨削的樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達(dá)0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá)400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為40－60m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復(fù)定位精度≤±1μm的機(jī)床已越來(lái)越多；從主軸轉(zhuǎn)速來(lái)看，8.2kw主軸達(dá)60000r/min，13kw達(dá)42000r/min，高速已不是小功率主軸的專(zhuān)有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。
此外，對(duì)磨床的環(huán)保要求越來(lái)越高，絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對(duì)沒(méi)有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī)系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)環(huán)保越來(lái)越高的要求。
1.3 端面磨床的設(shè)計(jì)任務(wù)要求
（一）設(shè)計(jì)基本參數(shù)
砂輪主軸轉(zhuǎn)速1200r/min
產(chǎn)品主軸轉(zhuǎn)速100r/min
磨削進(jìn)給速度：0.002mm/min(精磨)；0.02mm/min(粗磨)
加工材料：氧化鋯（ZrO2）
產(chǎn)品磨削面積：3500平方毫米（吸盤(pán)直徑125毫米），產(chǎn)品規(guī)格：直徑2.5毫米，長(zhǎng)度10.5毫米。
砂輪：端面金剛石砂輪（精磨、粗磨兩種）
磨削精度：產(chǎn)品長(zhǎng)度10.5±0.005
操作基本要求：產(chǎn)品經(jīng)人工裝上吸盤(pán)后，設(shè)備自動(dòng)完成磨削并停機(jī)，等待下一次磨削。
（二）課題設(shè)計(jì)途徑與方法：
1、了解氧化鋯及其用途，常用的加工方法。（了解加工對(duì)象：陶瓷插芯）
2、了解常用主軸的性能特點(diǎn)、種類(lèi)、及加工方法、熱處理方法（加工工藝方法）。
3、了解金剛石砂輪的特點(diǎn)與加工性能。
4、了解端面磨削基本結(jié)構(gòu)。（總體構(gòu)思與布局）
5、軸承種類(lèi)與形式、選用、特點(diǎn)及計(jì)算。
6、受力分析、與計(jì)算。
7、設(shè)計(jì)繪圖。
8、設(shè)計(jì)研討會(huì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)。
9、編號(hào)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)，工藝文件等。（計(jì)算）
10、綜述、參考索引、編制。
第二章 主軸組件設(shè)計(jì)
主軸組件是機(jī)床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)，完成表面成形運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還起傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩、承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，因此它是機(jī)床中的一個(gè)關(guān)鍵組件。
主軸和一般傳動(dòng)軸的相同點(diǎn)是，兩者都傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩并承受傳動(dòng)力，都要保證傳動(dòng)件和支承的正常工件條件，但主軸直接承受切削力，還要帶動(dòng)工件或刀具，實(shí)現(xiàn)表面成形運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)主軸有較高的要求。
2.1 主軸的基本要求
2.1.1 旋轉(zhuǎn)精度
主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在手動(dòng)或低速、空載時(shí)，主軸前端定位面的徑向跳動(dòng)△r、端面跳動(dòng)△a和軸向竄動(dòng)值△o。如圖2-1所示：圖中實(shí)線表示理想的旋轉(zhuǎn)軸線，虛線表示實(shí)際的旋轉(zhuǎn)軸線。當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的漂移量即為運(yùn)動(dòng)精度。
主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各主要件（如主軸、軸承及支承座孔等）的制造精度和裝配、調(diào)整精度；運(yùn)動(dòng)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能和潤(rùn)滑以及主軸部件的動(dòng)態(tài)特性。各類(lèi)通用機(jī)床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)中作了規(guī)定，專(zhuān)用機(jī)床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度則根據(jù)工件精度要求確定。
2.1.2 剛度
主軸組件的剛度K是指其在承受外載荷時(shí)抵抗變形的能力，如圖2-2所示，即K=F/y（單位為N/m），剛度的倒數(shù)y/F稱(chēng)為柔度。主軸組件的剛度，是主軸、軸承和支承座的剛度的綜合反映，它直接影響主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。顯然，主軸組件的剛度越高，主
圖2-1 主軸的旋轉(zhuǎn)誤差
軸受力后的變形就越小，如若剛度不足，在加工精度方面，主軸前端彈性變形直接影響著工件的精度；在傳動(dòng)質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動(dòng)齒輪的嚙合狀況，并使軸承產(chǎn)生側(cè)邊壓力，從而使這些零件的磨損加劇，壽命縮短；在工件平穩(wěn)性方面，將使主軸在變化的切削力和傳動(dòng)力等作用下，產(chǎn)生過(guò)大的受迫振動(dòng)，并容易引起切削自激振動(dòng)，降低了工件的平穩(wěn)性。
圖2-2 主軸組件靜剛度
主軸組件的剛度是綜合剛度，影響主軸組件剛度的因素很多，主要有：主軸的結(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類(lèi)型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動(dòng)件的布置方式、主軸組件的制造與裝配質(zhì)量等。
2.1.3 抗振性
主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)而保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。在切削過(guò)程中，主軸組件不僅受靜載荷的作用，同時(shí)也受沖擊載荷和交變載荷的作用，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)。如果主軸組件的抗振性差，工作時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響工件的表面質(zhì)量，降低刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲影響工作環(huán)境。隨著機(jī)床向高精度、高效率方向發(fā)展，對(duì)抗振性要求越來(lái)越高。
評(píng)價(jià)主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)能力的大小。
（1） 抵抗受迫振動(dòng)的能力
主軸組件受迫振動(dòng)的干擾力，主要包括由于主軸上旋轉(zhuǎn)零件（主軸、傳動(dòng)件和所裝的工件或刀具等）的偏心質(zhì)量而產(chǎn)生的離心力，傳動(dòng)件運(yùn)動(dòng)速度不均勻而產(chǎn)生的慣性力，以及斷續(xù)切削產(chǎn)生的周期性變化的切削力。由于這些干擾力，引起主軸并帶著刀具或工件一起振動(dòng)，而在加工表面上留下振紋，使工件表面粗糙度提高。
根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)床加工表面粗糙度的要求，確定主軸前端的允許振幅，然后計(jì)算或測(cè)定主軸組件在各種動(dòng)態(tài)干擾力的作用下，其前端的振幅，并同允許值比較，評(píng)價(jià)是否滿足要求。在單獨(dú)分析主軸組件時(shí)，只能求得主軸前端在切削部位的絕對(duì)振幅，它只能部分地反映刀具和工件之間的相對(duì)振幅。兩者關(guān)系與激振頻率有關(guān)，目前主要由試驗(yàn)來(lái)確定。此外，主軸組件的低階固有頻率與振型也是其抗振性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，低階固有頻率應(yīng)高些，并遠(yuǎn)離激振頻率；主軸振型的節(jié)點(diǎn)應(yīng)靠近切削部位。
（2） 抵抗切削自激振動(dòng)的能力
金屬切削加工時(shí)，雖然沒(méi)有外界動(dòng)態(tài)干擾力的作用，但由于機(jī)床—工件—刀具彈性系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)切削過(guò)程的反饋?zhàn)饔茫毒吲c工件之間發(fā)生了周期性的強(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng)，稱(chēng)為切削自激振動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為顫振。
顫振將使加工表面質(zhì)量惡化，甚至使切削過(guò)程無(wú)法繼續(xù)下去，從而不得不降低切削用量來(lái)避免之，所以機(jī)床的切削用量極限往往不是由機(jī)床的功率來(lái)決定，而是由加工時(shí)發(fā)生顫振的條件來(lái)決定。
機(jī)床切削時(shí)，從沒(méi)有顫振到顫振的產(chǎn)生之間存在著明顯的界限，這個(gè)界限即是穩(wěn)定性的極限，或稱(chēng)為機(jī)床穩(wěn)定性的條件。對(duì)現(xiàn)有機(jī)床的試驗(yàn)表明，切削自振頻率往往接近于主軸組件彎曲振動(dòng)的低階固有頻率。即主軸組件是顫振的主振部分，它的低階彎曲振動(dòng)模態(tài)是決定機(jī)床抵抗切削自振能力的主要模態(tài)。因此，在單獨(dú)分析主軸組件時(shí)，可以認(rèn)為主軸前端在切削部位激振點(diǎn)動(dòng)柔度（在主振方向）的最大負(fù)實(shí)部，反映了主軸組件抵抗切削自振的能力。
對(duì)于粗加工機(jī)床，切削寬度大，切削自振的可能性大，但加工表面質(zhì)量要求不高，可主要考慮不產(chǎn)生顫振的條件。對(duì)于精密機(jī)床，切削用量小，切削自振的可能性小，但允許的振幅小，可主要考慮抵抗受迫振動(dòng)的能力。對(duì)于高速機(jī)床，因?yàn)榧ふ窳Φ念l率和幅值均隨著轉(zhuǎn)速提高而劇增，受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)都比較突出。因此，在設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)高速機(jī)床時(shí)，自激和受迫振動(dòng)均應(yīng)考慮。
2.1.4 溫升和熱變形
主軸組件工作時(shí)因各種相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生了溫升，溫升使主軸組件的形狀和位置發(fā)生畸變，稱(chēng)為熱變形。熱變形應(yīng)以主軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后各部分位置的變化來(lái)度量。
主軸組件溫升和熱變形，使機(jī)床各部件間相對(duì)位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度機(jī)床尤為嚴(yán)重；熱變形造成主軸彎曲，使傳動(dòng)齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞；熱變形還使主軸和軸承，軸承與支承座之間已調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承正常工作，間隙過(guò)小將加速齒輪和軸承等零件的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生軸承抱軸現(xiàn)象。
影響主軸組件溫升、熱變形的主要因素有：軸承的類(lèi)型和布置方式，軸承間隙及預(yù)緊力的大小，潤(rùn)滑方式和散熱條件等。
目前，對(duì)各種類(lèi)型機(jī)床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下的允許溫升都有一定的規(guī)定。
2.1.5 耐磨性
主軸組件的耐磨性是指長(zhǎng)期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主軸組件各個(gè)滑動(dòng)表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動(dòng)軸承配合的軸頸表面，移動(dòng)式主軸套筒外圓表面等，都必須具有很高的硬度，以保證其耐磨性。
為了提高主軸組件的耐磨性，應(yīng)該正確地選用主軸和滑動(dòng)軸承的材料及熱處理方法、潤(rùn)滑方式，合理調(diào)整軸承間隙，良好的潤(rùn)滑和可靠的密封。
2.1.6 其他
主軸組件除應(yīng)保證上述基本要求外，還應(yīng)滿足下列要求：
（1）主軸的定位可靠。主軸在切削力和傳動(dòng)力的作用下，應(yīng)有可靠的徑向和軸向定位，使主軸在工作時(shí)受到的切削力和傳動(dòng)力通過(guò)軸承可靠地傳至箱體等基礎(chǔ)零件上。
（2）主軸前端結(jié)構(gòu)應(yīng)保證工件或刀具裝卡可靠，并有足夠的定位精度。
（3）結(jié)構(gòu)工藝好。在保證好用的基礎(chǔ)上，盡可能地做到好造、好裝、好拆及好修，并盡可能降低主軸組件的成本。
2.2 主軸組件的布局
主軸組件的設(shè)計(jì)，必須保證滿足上述的基本要求，從而從全局出發(fā)，考慮主軸組件的布局。
機(jī)床主軸有前、后兩個(gè)支承和前、中、后三個(gè)支承兩種，以前者較多見(jiàn)。兩支承主軸軸承的配置型式，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求，并考慮軸承的供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性等具體情
況，加以確定。在選擇時(shí)，具體有以下要求：
2.2.1 適應(yīng)剛度和承載能力的要求
主軸軸承選型應(yīng)滿足所要求的剛度和承載能力。徑向載荷較大時(shí)，可選用滾子軸承；較小時(shí)，可選用球軸承。雙列滾動(dòng)軸承的徑向剛度和承載能力，比單列的大。同一支承中采用多個(gè)軸承的支承剛度和承載能力，比采用單個(gè)軸承的大。一般來(lái)說(shuō)，前支承的剛度，應(yīng)比后支承的大。因?yàn)榍爸С袆偠葘?duì)主軸組件剛度的影響要比后支承的大。表2-1所示為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較：
表2-1 滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較
基本要求
滾動(dòng)軸承
滑 動(dòng) 軸 承
動(dòng)壓軸承
靜壓軸承
旋轉(zhuǎn)精度
精度一般或較差。可在無(wú)隙或預(yù)加載荷下工作。精度也可以很高，但制造困難
單油楔軸承一般，多油楔軸承較高
可以很高
剛 度
僅與軸承型號(hào)有關(guān)，與轉(zhuǎn)速、載荷無(wú)關(guān)，預(yù)緊后可提高一些
隨轉(zhuǎn)速和載荷升高而增大
與節(jié)流形式有關(guān)，與載荷轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)
承載能力
一般為恒定值，高速時(shí)受材料疲勞強(qiáng)度限制
隨轉(zhuǎn)速增加而增加，高速時(shí)受溫升限制
與油腔相對(duì)壓差有關(guān)，不計(jì)動(dòng)壓效應(yīng)時(shí)與速度無(wú)關(guān)
抗振性能
不好，阻尼系數(shù)D=0.029
較好，阻尼系數(shù)D=0.055
很好，阻尼系數(shù)D=0.4
速度性能
高速受疲勞強(qiáng)度和離心力限制，低中速性能較好
中高速性能較好。低速時(shí)形不成油漠，無(wú)承載能力
適應(yīng)于各種轉(zhuǎn)速
摩擦功耗
一般較小，潤(rùn)滑調(diào)整不當(dāng)時(shí)則較大f=0.002～0.008
較小
f=0.001～0.008
本身功耗小，但有相當(dāng)大的泵功耗f=0.0005～0.001
噪 聲
較大
無(wú)噪聲
本身無(wú)噪聲，泵有噪聲
壽 命
受疲勞強(qiáng)度限制
在不頻繁啟動(dòng)時(shí)，壽命較長(zhǎng)
本身壽命無(wú)限，但供油系統(tǒng)的壽命有限
2.2.2 適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求
由于結(jié)構(gòu)和制造方面的原因，不同型號(hào)和規(guī)格的軸承所允許的最高轉(zhuǎn)速是不同的。軸承的規(guī)格越大，精度等級(jí)越低，允許的最高轉(zhuǎn)速越低。在承受徑向載荷的軸承當(dāng)中，圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速，比圓錐滾子軸承的高。在承受軸向載荷的軸承當(dāng)中，向心推力軸承的極限轉(zhuǎn)速最高；推力球軸承的次之；圓錐滾子軸承的最低，但承載能力與上述次序相反。因此，應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)速和承載能力兩方面要求來(lái)選擇軸承型式。
例如，當(dāng)軸向載荷較大，而轉(zhuǎn)速不高時(shí)，可采用推力球軸承；反之，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高，而軸向載荷不大時(shí)，可采用角接觸球軸承；如果轉(zhuǎn)速較高，軸向載荷又較大，則可采用雙列推力向心球軸承；如果徑向和軸向載荷都較小，而轉(zhuǎn)速較高，則可采用向心推力球軸承。
2.2.3 適應(yīng)精度的要求
起止推作用的軸承的布置有三種方式：前端定位—止推軸承集中布置在前支承；后端定位—集中布置在后支承；兩端定位—分別布置在前、后支承。
采用前端定位時(shí)，主軸受熱變形向后延伸，不影響軸向定位精度，但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整軸承間隙較不便，前支承處發(fā)熱量較大；后端定位的特點(diǎn)與前述的相反；兩端定位時(shí)，主軸受熱伸長(zhǎng)后，軸承軸向間隙的改變較大，若止推軸承布置在徑向軸承內(nèi)側(cè)，主軸可能因熱膨脹而彎曲。
2.2.4 適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求
當(dāng)要求主軸組件在性能上有較高的剛度和一定的承載能力，而在結(jié)構(gòu)上徑向尺寸要緊湊時(shí)，則可在一個(gè)支承（尤其是前支承）中配置兩個(gè)或兩個(gè)以上的軸承。
對(duì)于軸間距很小的多主軸機(jī)床，由于結(jié)構(gòu)限制，宜采用滾針軸承來(lái)承受徑向載荷，用推力球軸承來(lái)承受軸向載荷，并使兩軸承錯(cuò)開(kāi)排列。
2.2.5 適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求
確定主軸軸承配置型式，除應(yīng)考慮滿足性能和結(jié)構(gòu)方面要求外，還應(yīng)作經(jīng)濟(jì)性分析，使經(jīng)濟(jì)效果好。例如，在能夠滿足要求的情況下，一般采用已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，且大批量生產(chǎn)的滾動(dòng)軸承較為經(jīng)濟(jì)，但對(duì)于一些大型、重型機(jī)床的主軸組件，當(dāng)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的大型號(hào)滾動(dòng)軸承時(shí)，可采用動(dòng)壓軸承或靜壓軸承。
在中速和大載荷情況下，采用圓錐滾子軸承要比采用向心軸承和推力軸承組合的配
置型式成本低，因?yàn)榍罢吖?jié)省了兩個(gè)軸承，而且箱體工藝性較好。
綜合考慮以上因素，本設(shè)計(jì)的主軸采用前、后支承的兩支承主軸，前支承采用雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合，D級(jí)精度；后支承采用圓柱滾子軸承，E級(jí)精度。其中前支承的雙列圓柱滾子軸承，滾子直徑小，數(shù)量多（50—60個(gè)），具有較高的剛度；兩列滾子交錯(cuò)布置，減少了剛度的變化量；外圈無(wú)擋邊，加工方便；軸承內(nèi)孔為錐孔，錐度為1：12，軸向移動(dòng)內(nèi)圈使之徑向變形，調(diào)整徑向間隙和預(yù)緊；黃銅實(shí)體保持架，利于軸承散熱。前支承的總體特點(diǎn)是：主軸靜剛度好，回轉(zhuǎn)精度高，溫升小，徑向間隙可以調(diào)整，易保持主軸精度，但由于前支承結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，前、后支承的溫升不同，熱變形較大，此外，裝配、調(diào)整比較麻煩。
2.3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定
主軸的結(jié)構(gòu)主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承和密封裝置等的類(lèi)型、數(shù)目、位置和安裝定位的方法，同時(shí)還要考慮主軸加工和裝配的工藝性，一般在機(jī)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(shè)計(jì)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(shí)心的，主要取決于機(jī)床的類(lèi)型。此次設(shè)計(jì)的主軸，也設(shè)計(jì)成階梯形，同時(shí)，在滿足剛度要求的前提下，設(shè)計(jì)成空心軸，以便通過(guò)刀具拉桿。
主軸端部系指主軸前端。它的形狀決定于機(jī)床的類(lèi)型、安裝夾具或刀具的形式，并應(yīng)保證夾具或刀具安裝可靠、定位準(zhǔn)確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。
2.4 主軸的材料與熱處理
主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、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(guān)，鋼的E值較大（2.1×10N/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(shù)值和鋼的種類(lèi)和熱處理方式無(wú)關(guān)，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(shí)應(yīng)首先選用價(jià)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(shí)，或者精密機(jī)床主軸需要減少熱處理后的變形時(shí)，或者軸向移動(dòng)的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮選用合金鋼。
當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，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(jìn)行高頻淬火（HRC48～54）.有關(guān)45鋼主軸熱處理情況如下表2-2所列：
表2-2 使用滾動(dòng)軸承的45鋼主軸熱處理等參數(shù)
工 作 條 件
使 用 機(jī) 床
材 料 牌 號(hào)
熱 處 理
硬 度
常 用
代 用
輕中負(fù)載
車(chē)、鉆、銑、磨床主軸
45
50
調(diào)質(zhì)
HB220～250
輕中負(fù)載局部要求高硬度
磨床的砂輪軸
45
50
高頻淬火
HRC52～58
輕中負(fù)載PV≤400（N·m/cm·s）
車(chē)、鉆、銑、磨床的主軸
45
50
淬火回火高頻淬火
HRC42～50
HRC52～58
此次設(shè)計(jì)的機(jī)床主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選用價(jià)格便宜的中碳鋼（45鋼）。查表2-2中，因工作中承受輕、中負(fù)荷，且要求局部高硬度，故熱處理采用高頻淬火，HRC52～58。
2.5 主軸的技術(shù)要求
主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)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(guān)系到接觸剛度，零件接觸表面形狀愈準(zhǔn)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(duì)主軸設(shè)計(jì)必須提出一定的技術(shù)要求。
2.5.1 軸頸
此次設(shè)計(jì)的主軸，應(yīng)首先考慮軸頸。支承軸頸是主軸的工作基面、工藝基面和測(cè)量基面。主軸工作時(shí)，以軸頸作為工作基面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；加工主軸時(shí)，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(lái)最后精磨錐孔；在檢查主軸精度時(shí)，以軸頸作為測(cè)量基面來(lái)檢查各部分的同軸度和垂直度。采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸的精度必須與軸承的精度相適應(yīng)。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動(dòng)軸承的配合質(zhì)量。
對(duì)于普通精度級(jí)機(jī)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(yīng)小于直徑公差的1/4～1/2。
2.5.2 內(nèi)錐孔
內(nèi)錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗(yàn)機(jī)床精度時(shí)，它是代表主軸中心線的基準(zhǔn)，用來(lái)檢查主軸與其他部件的相互位置精度，如主軸與導(dǎo)軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經(jīng)常裝拆，故內(nèi)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100～300毫米處對(duì)軸頸的徑向跳動(dòng)表示；其形狀誤差用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)錐著色檢查的接觸面積大小來(lái)檢驗(yàn)，此乃綜合指標(biāo)；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。
2.6 主軸組件的計(jì)算
主軸組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：主軸的平均直徑D（初選時(shí)常用主軸前軸頸的直徑D來(lái)表示）；主軸內(nèi)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(jù)機(jī)床主電機(jī)功率或機(jī)床的主參數(shù)來(lái)選取D，在滿足主軸本身剛度的前提下，按照工藝要求來(lái)確定d，根據(jù)主軸前端部結(jié)構(gòu)形狀和前支承的結(jié)構(gòu)型式來(lái)確定a,最后根據(jù)D、a和主軸前支承的支承剛度來(lái)確定L。
主軸軸承的配置型式，對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定很有關(guān)系，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中常需交叉進(jìn)行，最終以主軸組件剛度等性能來(lái)衡量其設(shè)計(jì)的合理性。
2.6.1 主軸直徑的選擇（含電動(dòng)機(jī)：功率計(jì)算、扭矩）
主軸直徑對(duì)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(dá)到相同的公差則制造越困難，重量也增加。同時(shí)，加大直徑還受到軸承所允許的極限轉(zhuǎn)速的限制，甚至為機(jī)床結(jié)構(gòu)所不允許。
通常，主軸前軸頸直徑D可根據(jù)傳遞功率，并參考現(xiàn)有同類(lèi)機(jī)床的主軸軸頸尺寸確定。查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》第157頁(yè)表5-12中，幾種常見(jiàn)的通用機(jī)床鋼質(zhì)主軸前軸頸的直徑D，可供參考，如下表2-3所示：
已知主電機(jī)功率P=4KW，機(jī)床類(lèi)型是磨床，查上表中對(duì)應(yīng)項(xiàng)，初取D=80。
主軸后軸頸直徑D和前軸頸直徑D的關(guān)系，可根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)定：
D=（0.7～0.85）D
因此，有
D=（0.7～0.85）D=（0.7～0.85）×80=56～68，取D=65。
表2-3 主軸前軸頸直徑D的選擇
機(jī)床
機(jī) 床 功 率 （千瓦）
1.47～2.5
2.6～3.6
3.7～5.5
5.6～7.3
7.4～11
11～14.7
車(chē)床
60～80
70～90
70～105
95～130
110～145
140～165
銑床
50～90
60～90
60～95
75～100
90～105
100～115
外圓磨床
—
50～90
55～70
70～80
75～90
75～100
主軸轉(zhuǎn)矩：T1=9550×103×P1/n1=31.8 N·m
表 大批生產(chǎn)砂輪主軸工藝過(guò)程
序號(hào)
工序名稱(chēng)
工序內(nèi)容
定位基準(zhǔn)
設(shè)備
1
備料
?
?
?
2
鍛造
模鍛
?
立式精鍛機(jī)
3
熱處理
正火
?
?
4
鋸頭
?
?
?
5
銑端面鉆中心孔
?
毛坯外圓
中心孔機(jī)床
6
粗車(chē)外圓
?
頂尖孔
多刀半自動(dòng)車(chē)床
7
熱處理
調(diào)質(zhì)
?
?
8
車(chē)大端各部
車(chē)大端外圓、短錐、端面及臺(tái)階
頂尖孔
臥式車(chē)床
9
車(chē)小端各部
仿形車(chē)小端各部外圓
頂尖孔
仿形車(chē)床
10
鉆孔
鉆大頭端面各孔
大端內(nèi)錐孔
搖臂鉆床
11
熱處理
局部高頻淬火
?
高頻淬火設(shè)備
12
精車(chē)外圓
精車(chē)各外圓并切槽、倒角
錐堵頂尖孔
數(shù)控車(chē)床
13
粗磨外圓
粗磨?40、?45外圓
錐堵頂尖孔
組合外圓磨床
14
銑鍵槽
銑8f9鍵槽
?80h5及M115mm外圓
立式銑床
15
車(chē)螺紋
車(chē)三處螺紋（與螺母配車(chē)）
錐堵頂尖孔
臥式車(chē)床
15
精磨外圓
精磨各外圓
錐堵頂尖孔
外圓磨床
17
鉗工
端面孔去銳邊倒角，去毛刺
?
?
18
檢驗(yàn)
按圖樣要求全部檢驗(yàn)
專(zhuān)用檢具
2.6.2 主軸前后支承軸承的選擇
（1） 主軸前支承軸承的選擇
根據(jù)前述關(guān)于軸承的選擇原則，查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》第375頁(yè)，選取主軸前支承的雙列向心短圓柱滾子軸承型號(hào)為3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D=91，D=117，D=117，r=1。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-4所示：
圖2-4 雙列向心短圓柱滾子軸承（GB285-87）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
再查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》第365頁(yè)，選取主軸前支承的推力球軸軸承型號(hào)為8215。其中，d=75，d=75.2，D=110，H=27, D=86, D=99，r=1。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-5所示：
（2） 主軸后支承軸承的選擇
查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》第368頁(yè)，選取主軸后支承的圓柱滾子軸承型號(hào)為2213。其中：d=65，D=120，B=23，D=77，D=110，r=1.5。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-6所示：
2.6.3 主軸內(nèi)孔直徑
該磨床用于銑削加工，其主軸需有一通過(guò)銑刀拉桿的孔，該主軸內(nèi)孔直徑應(yīng)取在一定范圍內(nèi)，才不致影響主軸剛度。一般，主軸內(nèi)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(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
圖2-6 圓柱滾子軸承（GB283-87）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
由材料力學(xué)可知，剛度K正比于截面慣性矩I，它與直徑之間有下列關(guān)系：
===1-（）=1-
根據(jù)此式可得：當(dāng)<0.3時(shí)，空心與實(shí)心截面主軸的剛度很接近；當(dāng)=0.5時(shí)，空心主軸的剛度為實(shí)心主軸剛度的90%，對(duì)剛度影響不大；≥0.7時(shí)，則主軸剛度急劇下降，故一般應(yīng)使<0.7，即d<0.7D。
由以上分析可得：
d<0.7 D=0.7×65=45.5
考慮到此磨床主軸為磨削主軸，故可將取小些，即取=0.5，即：
d<0.5 D=0.5×65=32.5
將其圓整，d最后取為30。
2.6.4 主軸前端懸伸量
主軸前端懸伸量a指的是主軸前支承支反力的作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離，它對(duì)主軸組件剛度的影響較大。懸伸量越小，主軸組件剛度越好。
主軸前端懸伸量a取決于主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，一般應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取，有時(shí)為了提高主軸剛度或定心精度，也可不按標(biāo)準(zhǔn)取。
另外，主軸前端懸伸量a還與前支承中軸承的類(lèi)型及組合型式、工件或夾具的夾緊方式以及前支承的潤(rùn)滑與密封裝置的結(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān)。
因此，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡可能減小懸伸量a，以利于提高主軸組件的剛度。
初算時(shí)，可查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》第158頁(yè)表5-14，如下表2-4所示：
表2-4 主軸的懸伸量與直徑之比
類(lèi) 型
機(jī) 床 和 主 軸 的 類(lèi) 型
a/ D
Ⅰ
通用和精密車(chē)床，自動(dòng)車(chē)床和短主軸端銑床，用滾動(dòng)軸承支承，適用于高精度和普通精度要求
0.6～1.5
Ⅱ
中等長(zhǎng)度和較長(zhǎng)主軸端的車(chē)床和銑床，懸伸量不太長(zhǎng)（不是細(xì)長(zhǎng)）的精密鏜床和內(nèi)圓磨，用滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承支承，適用于絕大部分普通生產(chǎn)的要求
1.25～3
Ⅲ
孔加工機(jī)床，專(zhuān)用加工細(xì)長(zhǎng)深孔的機(jī)床，由加工技術(shù)決定需要有長(zhǎng)的懸伸刀桿或主軸可移動(dòng)，由于切削較重而不適用于有高精度要求的機(jī)床
>3
根據(jù)上表所列，所設(shè)計(jì)的磨床屬于Ⅱ型，所以取a/ D為1.25～2.5，即：
a=（1.25～2.5）D=（1.25～2.5）×80=100～200
初取a=120。
2.6.5 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(diǎn)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?？梢宰C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(jiàn)，支承跨距過(guò)大或過(guò)小都會(huì)降低主軸部件的剛度。
有關(guān)資料對(duì)合理跨距選擇的推薦值可作參考：
（1） L=（4～5）D；
（2） L=（3～5）a，用于懸伸長(zhǎng)度較小時(shí)；
（3） L=（1～2）a，用于懸伸長(zhǎng)度較大時(shí)。
根據(jù)此次設(shè)計(jì)的磨床剛性主軸的懸伸量較大，取L≤3a為宜。即此次設(shè)計(jì)的主軸兩支承的合理跨距
L≤3a=2.5×120=360
初取L=360。
2.7 主軸結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)以上的分析計(jì)算，可初步得出主軸的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示：
2.8 主軸組件的驗(yàn)算
主軸在工作中的受力情況嚴(yán)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(jì)算主要是剛度的驗(yàn)算，與一般軸著重于強(qiáng)度的情況不一樣。通常能滿足剛度要求的主軸也能滿足強(qiáng)度的要求。
剛度乃是載荷與彈性變形的比值。當(dāng)載荷一定時(shí)，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(jì)算包括：主軸端部撓度和主軸傾角的計(jì)算。
2.8.1 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(jì)算主軸端部最大撓度。
(1) 支承的簡(jiǎn)化
對(duì)于兩支承主軸，若每個(gè)支承中僅有一個(gè)單列或雙列滾動(dòng)軸承，或者有兩個(gè)單列球軸承，則可將主軸組件簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，如下圖2-8所示；若前支承有兩個(gè)以上滾動(dòng)軸承，
圖2-8 主軸組件簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁
可認(rèn)為主軸在前支承處無(wú)彎曲變形，可簡(jiǎn)化為固定端梁，如下圖2-9所示：
圖2-9 主軸組件簡(jiǎn)化為固定端梁
此次設(shè)計(jì)的主軸，前支承選用了一個(gè)雙列向心短圓柱滾子軸承和兩個(gè)推力球軸承作為支承，即可認(rèn)為主軸在前支承處無(wú)彎曲變形，可簡(jiǎn)化為上圖2-9所示。
(2) 主軸的撓度
查《材料力學(xué)I》第188頁(yè)的表6.1，對(duì)圖2-9作更進(jìn)一步的分析，如下圖2-10所示：
根據(jù)圖2-10，可得此時(shí)的最大撓度
=-
其中，
F—主軸前端受力。此處，F(xiàn)=F=1213.1N
l—A、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=2.1×10N/cm
I—主軸截面的平均慣性矩。當(dāng)主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時(shí)，
I=。此處，D==133
故可計(jì)算出，主軸端部的最大撓度：
=-1.87×10 mm
(3) 主軸傾角
主軸上安裝主軸和安裝傳動(dòng)齒輪處的傾角，稱(chēng)為主軸的傾角。此次設(shè)計(jì)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(huì)破壞軸承的正常工作，縮短軸承的使用壽命。
根據(jù)圖2-10，可得此時(shí)的最大傾角
=-
其中，
F—主軸前端受力。此處，F(xiàn)=F=1213.1N
l—A、B之間的距離。此處，l=a=12cm
E—主軸材料的彈性模量。45鋼的E=2.1×10N/cm
I—主軸截面的平均慣性矩。當(dāng)主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時(shí)，
I=。此處，D==133
故可計(jì)算出，主軸傾角為：
=-2.3×10 rad
查《磨床設(shè)計(jì)》第一冊(cè)中機(jī)械部分的第670頁(yè)，可知：
當(dāng)
x≤0.0002L mm
≤0.001 rad
時(shí)，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(shù)據(jù)和代入，即可得：
初步設(shè)計(jì)的主軸滿足剛度要求。
2.9 主軸組件的潤(rùn)滑和密封
2.9.1 主軸軸承的潤(rùn)滑
潤(rùn)滑的作用是降低摩擦，減小溫升，并與密封裝置在一起，保護(hù)軸承不受外物的磨損和防止腐蝕。潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式?jīng)Q定于軸承的類(lèi)型、速度和工作負(fù)荷。如果選擇得合適，可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用期限。
滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂來(lái)潤(rùn)滑。試驗(yàn)證明，在速度較低時(shí)，用潤(rùn)滑脂比用潤(rùn)滑油溫升低。所以，此次設(shè)計(jì)的主軸支承均采用潤(rùn)滑脂。同時(shí)，主軸是裝在主軸套筒內(nèi)的，為防止使用潤(rùn)滑油時(shí)泄漏，也應(yīng)采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。
加潤(rùn)滑脂時(shí)，應(yīng)該注意潤(rùn)滑脂的充填量不能過(guò)多，不能把軸承的空間填滿，否則會(huì)引起過(guò)高的發(fā)熱，并使?jié)櫥刍鞒龆鴲夯瘽?rùn)滑效果。
2.9.2 主軸組件的密封
密封對(duì)主軸組件的工作性能與潤(rùn)滑影響也較大。機(jī)床主軸密封不好，將使?jié)櫥瑒┩饬?，造成浪費(fèi)，加速零件的磨損，還會(huì)嚴(yán)重地影響到工作環(huán)境及機(jī)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?jié)櫥瑒闹鬏S組件及傳動(dòng)部件中泄漏，從而避免浪費(fèi)，保護(hù)工作環(huán)境，防止冷卻液及雜物（如灰塵、臟物、水氣和切屑等）從外面進(jìn)入部件內(nèi)，以減少機(jī)床零件的腐蝕及磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。
(2) 對(duì)主軸組件密封裝置的要求
對(duì)主軸組件密封裝置的要求是：在一定的壓力、溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能；由密封裝置所形成的摩擦力應(yīng)盡量小，摩擦系數(shù)應(yīng)盡量穩(wěn)定；耐腐蝕、磨損小、工作壽命長(zhǎng)，磨損后，在一定程度上能自動(dòng)補(bǔ)償；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸方便。對(duì)具體的主軸組件及傳動(dòng)部件，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇有效而又經(jīng)濟(jì)密封裝置。
(3)主軸組件密封裝置的類(lèi)型
主軸組件密封裝置的類(lèi)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(shí)，應(yīng)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(rùn)滑劑的種類(lèi)及其物理化學(xué)性質(zhì)；主軸組件的工作溫度；周?chē)橘|(zhì)的情況；主軸組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；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(jìn)入，故考慮選用迷宮式密封，形成一條長(zhǎng)而曲曲折折的通道，徑向尺寸不超過(guò)0.3mm，中填潤(rùn)滑脂，軸向尺寸不超過(guò)1.5mm。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》第87頁(yè)表7-17，可得此次選用的迷宮式密封裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖2-11所示：
圖2-11 迷宮式密封裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)
其中，
d=80，D=130，e=1
2.10 主軸組件中相關(guān)部件
2.10.1 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，可查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》第56頁(yè)表5-1，可得此次選用的擋圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖2-12所示：
圖2-12 軸肩擋圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)
其中，
D=95，d=80，H=6
2.10.2 擋圈
兩推力球之間用的擋圈為非標(biāo)準(zhǔn)件，徑向尺寸依主軸套筒尺寸而定，軸向尺寸可初取為6mm。
2.10.3 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(nèi)的套筒，分別采用兩個(gè)圓螺母，為了增加可靠性，再加一止動(dòng)螺釘。圓螺母具體的參數(shù)可查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》第60頁(yè)表5-6，結(jié)構(gòu)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，D×p=M80×2，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(nèi)的套筒用的圓螺母，
D×p=M72×2，d=105，d=93，m=15，h=10.36，h=10，t=4.75，t=4，C=1.5，C=1
結(jié)論
我綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)課程和技術(shù)基礎(chǔ)課程的基本知識(shí)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際來(lái)進(jìn)行分析，解決實(shí)際工程中的問(wèn)題，完成了銑削磨床及主軸組件的設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)，讓我掌握了設(shè)計(jì)金屬切削機(jī)床的基本程序和方法；鞏固、深化和擴(kuò)展了我對(duì)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)課程和技術(shù)基礎(chǔ)課程的知識(shí)，樹(shù)立了我正確的工程設(shè)計(jì)思想；培養(yǎng)了我查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)及相關(guān)技術(shù)資料的能力以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面的能力。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 大連磨床研究所.磨床設(shè)計(jì)第一冊(cè)（第一版，機(jī)械部分）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1975年6月
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[3] 《磨床》編寫(xiě)組.磨床講義(第1版)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1972年4月
[4] 謝家瀛.磨床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)(第1版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994年2月
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[6] 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上、下冊(cè)(第1版)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1985年7月
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致 謝
時(shí)間過(guò)的真快，馬上就要到畢業(yè)的時(shí)候了，離開(kāi)學(xué)校的日子已經(jīng)不遠(yuǎn)，畢業(yè)論文的完成也隨之進(jìn)入了尾聲。能完成這篇論文首先要感謝我的指導(dǎo)老師老師，在我的論文毫無(wú)頭緒的時(shí)候是他給了我很多的參考意見(jiàn)，耐心的給我做分析，才使我能順利的完成論文。為了指導(dǎo)我們的畢業(yè)論文，他放棄了自己的休息時(shí)間，這種無(wú)私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向他表示我誠(chéng)摯的謝意。同時(shí)，感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這來(lái)給自己的指導(dǎo)和幫助，是他們教會(huì)了我專(zhuān)業(yè)知識(shí)，教會(huì)了我如何學(xué)習(xí)，教會(huì)了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進(jìn)步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來(lái)越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下！
回顧這大學(xué)生活，讓我學(xué)到了專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，實(shí)踐讓我懂得理論與時(shí)間的差別，在工廠實(shí)習(xí)這些時(shí)間，讓我更懂得專(zhuān)業(yè)知識(shí)的重要性，再次感謝老師們這幾年以來(lái)的精心栽培，你們不僅僅讓我學(xué)到了知識(shí)，更多的是讓我明白了做人的道理，你們的點(diǎn)點(diǎn)滴滴的栽培，在我們困難的時(shí)候伸出雙手，成我們的保護(hù)傘，讓我們失落傷心的時(shí)候有個(gè)安穩(wěn)的角落。
通過(guò)實(shí)踐的鍛煉，讓我這個(gè)對(duì)社會(huì)了解很少的大學(xué)生，逐步的學(xué)會(huì)了成熟，學(xué)會(huì)了與人相處的道理，最后感謝我的母校。