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Headstock mounted in precision bearings have a hollow shaft and a series of transmission gear components. Spindle can get any speed in the speed range to meet the requirements of the cutting process. At present, the development trend of CNC lathe is continuously variable by electrical and mechanical devices. Inverter motor powered by belt drive and transmission gears for the spindle. Typically variable frequency motor speed range of 3-5, it is difficult to meet the requirements of the shift spindle; change gear series is expanding the scope of the gear shift. The design of the original pulley without unloading the structure into a pulley unloading structure, with the input shaft of the torque only by the radial force to the drive shaft on the lathe body, improve the force of the input shaft Happening. Keywords: drive system design, transmission deputy, network architecture, structure, modulus gear transmission ratio 目　　錄 摘 要 II Abstract III 第1章 緒論 1 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 1.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 1 1.1.2 我國(guó)數(shù)控銑床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 1.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目、主要技術(shù)參數(shù) 5 第2章 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 6 2.1運(yùn)動(dòng)參數(shù)及轉(zhuǎn)速圖的確定 6 2.1.1 確定結(jié)構(gòu)網(wǎng) 6 2.1.2繪制轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖 6 2.2 確定各變速組此傳動(dòng)副齒數(shù) 7 第3章 動(dòng)力計(jì)算 9 3.1 同步帶計(jì)算選型 9 3.2 計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算 12 3.3 齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算 12 3.4 主軸合理跨距的計(jì)算 15 3.5 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計(jì)算 16 3.6 主軸箱體的截面形狀和壁厚計(jì)算 18 第4章 銑床主軸部分及其設(shè)計(jì)計(jì)算 19 4.1 銑床主軸所需標(biāo)準(zhǔn) 19 4.1.1 銑床的剛度 19 4.1.2 銑床的耐車(chē)性 20 4.1.3 銑床的旋轉(zhuǎn)精度 20 4.1.4 銑床的抗震能力 20 4.1.5 銑床的熱變形 21 4.2 銑床主軸部分的分布 21 4.3 銑床主軸形狀的選擇 22 4.4 銑床主軸的熱處理 22 4.5 銑床主軸的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 23 4.6 銑床主軸上軸承的挑選 23 4.7 銑床主軸上軸承的校對(duì)計(jì)算 24 4.8 銑床主軸外部伸長(zhǎng)量 25 4.9 銑床主軸的校核 26 4.9.1 受力作用的轉(zhuǎn)換 26 4.9.2 銑床主軸的撓度 27 4.9.3 銑床主軸的傾角 28 4.10 軸的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算 29 4.10.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 4.10.2 軸的強(qiáng)度校核 30 4.10.3 軸的剛度校核 33 第5章 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 39 5.1 對(duì)主軸組件的性能要求 39 5.2 軸承配置型式 40 5.3 主要參數(shù)的確定 40 5.4 主軸頭的選用 42 5.5 編碼器的選擇與安裝 42 第6章 主軸變速箱的裝配設(shè)計(jì) 43 6.1 箱體內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 43 6.2 設(shè)計(jì)的方法(以軸的布置為例) 43 第7章 摩擦離合器(多片式)的計(jì)算 46 7.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 47 7.1.1 展開(kāi)圖設(shè)計(jì) 47 7.1.2 截面圖及軸的空間布置 48 7.2 零件驗(yàn)算 48 7.2.1 主軸剛度 48 7.2.2 傳動(dòng)軸剛度 53 結(jié)論 58 參考文獻(xiàn) 59 致 謝 60 北京科技大學(xué)天津?qū)W院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒論 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 自從1951年計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（NC）和計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）兩個(gè)階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六代――基于PC（PC－BASED）。 未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢(shì)： 1、 繼續(xù)向開(kāi)放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開(kāi)放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠(chǎng)家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來(lái)處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問(wèn)題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。 2、向高速化和高精度化發(fā)展 3、向智能化方向發(fā)展 （1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)過(guò)程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。 （2）引入專(zhuān)家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，建立具有人工智能的專(zhuān)家系統(tǒng)。 （3）引入故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng) （4）引入動(dòng)裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 可以通過(guò)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行[3] 。 1.1.2 我國(guó)數(shù)控銑床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1、研究現(xiàn)狀 我國(guó)數(shù)控銑床從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場(chǎng)，至今通過(guò)各大機(jī)床廠(chǎng)家的不懈努力，通過(guò)采取與國(guó)外著名機(jī)床廠(chǎng)家的合作、合資、技術(shù)引進(jìn)、樣機(jī)消化吸收等措施，使得我國(guó)的機(jī)床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。目前，國(guó)產(chǎn)數(shù)控銑床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進(jìn)入實(shí)用和全面發(fā)展階段。 1）床身 按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對(duì)位置，床身有圖1所示的5種布局形式。一般來(lái)說(shuō)，中、小規(guī)格的數(shù)控銑床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控銑床或小型精密數(shù)控銑床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對(duì)提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度有好處，但排屑困難；刀架橫滑板較長(zhǎng)，加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，床身寬度也不會(huì)太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控銑床中被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)檫@種布局形式具有以下特點(diǎn)： ☆ 容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化； ☆ 機(jī)床外形整齊、美觀，占地面積小； ☆ 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置； ☆ 容易排屑和安裝自動(dòng)排屑器； ☆ 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度； ☆ 宜人性好，便于操作； ☆ 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化。 2)導(dǎo)軌 銑床的導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。 滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控銑床已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤(rùn)滑。根據(jù)滾動(dòng)體的不同，滾動(dòng)導(dǎo)軌可分為滾珠直線(xiàn)導(dǎo)軌和滾柱直線(xiàn)導(dǎo)軌。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數(shù)略大。 a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 圖1.1 床身布局型式 3）主軸傳動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)可分為分級(jí)變速傳動(dòng)和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。分級(jí)變速傳動(dòng)是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)速，主要用于普通機(jī)床。無(wú)級(jí)變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿(mǎn)足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動(dòng)變速。數(shù)控銑床得主傳動(dòng)系統(tǒng)通常采用無(wú)級(jí)變速。 與普通銑床相比，數(shù)控銑床的主傳動(dòng)采用交、直主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，并可無(wú)級(jí)調(diào)速，使主軸結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。為了適應(yīng)不同的加工需求數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)有以下三種方式。 ⑴電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 主軸電動(dòng)機(jī)與主軸通過(guò)聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用直接驅(qū)動(dòng)可大大簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與主軸的特性完全一致。但因主軸的功率和轉(zhuǎn)矩特性直接決定主軸電機(jī)的性能，因而這種變速傳動(dòng)的應(yīng)用受到一定限制。 ⑵采用定比傳動(dòng) 主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng)給主軸。 定比傳動(dòng)可采用帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)，這種傳動(dòng)方式在一定程度上能滿(mǎn)足主軸功率和轉(zhuǎn)矩的要求，但其變速范圍仍和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍相同。 目前，交流、直流主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有2-4，而恒轉(zhuǎn)矩范圍則達(dá)100以上；許多大、中型機(jī)床的主軸要求有更寬的恒功率轉(zhuǎn)速范圍。很明顯，這種情況下主軸電動(dòng)機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸的要求不匹配:調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率范圍遠(yuǎn)小于主軸要求的恒功率變速范圍。所以這種變速方式多用于小型或高速數(shù)控機(jī)床。 ⑶采用分檔變速方式 采用這種變速方式主要是為了解決主軸電動(dòng)機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來(lái)實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速配合變速機(jī)構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，滿(mǎn)足各種切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。 ⑷用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸 上述兩種方式的混合傳動(dòng)，高速時(shí)帶輪直接驅(qū)動(dòng)主軸，低速時(shí)另一個(gè)電機(jī)通過(guò)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)主軸 4）刀架系統(tǒng) 按換刀方式的不同，數(shù)控銑床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置等多種形式。排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控銑床，以加工棒料或盤(pán)類(lèi)零件為主?；剞D(zhuǎn)刀架是數(shù)控銑床最常用的一種典型換刀刀架，通過(guò)刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤(pán)式刀架。根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對(duì)位置，回轉(zhuǎn)刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架對(duì)刀具的數(shù)目有一定的限制，當(dāng)需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置。 5）進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。前者定位精度低，但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它對(duì)機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測(cè)裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控銑床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。前者由于具有可靠性高、造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用[4]。 2、發(fā)展趨勢(shì) 1）高速、高精密化 當(dāng)前機(jī)床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線(xiàn)電機(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線(xiàn)導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市，也為機(jī)床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。 2）高可靠性 3）數(shù)控銑床設(shè)計(jì)CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化 采用CAD技術(shù)以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案選擇和大件整機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析、計(jì)算、預(yù)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對(duì)整機(jī)各工作部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真。這樣大大提高了工作效率，提高設(shè)計(jì)的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 4）功能復(fù)合化 擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍、提高效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺(tái)數(shù)控銑床既可以實(shí)現(xiàn)車(chē)削功能，也可以實(shí)現(xiàn)銑削加工。 5）智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化[5]。 1.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目、主要技術(shù)參數(shù) 1、設(shè)計(jì)數(shù)控銑床主傳動(dòng)系，主軸最高轉(zhuǎn)速為Nmax=4000r/min，最低轉(zhuǎn)速為20r/min，計(jì)算轉(zhuǎn)速為180r/min，電動(dòng)機(jī)功率規(guī)定為15kW，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。要求主軸的功率特性圖上無(wú)缺口，采用主軸和傳動(dòng)系統(tǒng)分離式傳動(dòng)方式，每根軸上傳動(dòng)副數(shù)少于等于4個(gè)。 - 57 - 北京科技大學(xué)天津?qū)W院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第2章 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 2.1運(yùn)動(dòng)參數(shù)及轉(zhuǎn)速圖的確定 技術(shù)參數(shù)： 1、 設(shè)計(jì)數(shù)控銑床主傳動(dòng)系，主軸最高轉(zhuǎn)速為Nmax=4000r/min，最低轉(zhuǎn)速為20r/min，計(jì)算轉(zhuǎn)速為180r/min，電動(dòng)機(jī)功率規(guī)定為15kW，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。要求主軸的功率特性圖上無(wú)缺口，采用主軸和傳動(dòng)系統(tǒng)分離式傳動(dòng)方式，每根軸上傳動(dòng)副數(shù)少于等于4個(gè)。 (1)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的恒功率調(diào)速范圍Rnp: Rnp===22.22 (2)交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍rnp: rnp===3 (3)分級(jí)變速傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)Z：2.095 Z=lgRnp/lgrnp≈2.82 取Z=3 2.1.1 確定結(jié)構(gòu)網(wǎng) 主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速為 180r/min 由轉(zhuǎn)速得,選用齒輪精度為8級(jí)精度 圖2-1結(jié)構(gòu)網(wǎng) 2.1.2繪制轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖 （1）繪制轉(zhuǎn)速圖： 轉(zhuǎn)速圖 （2）畫(huà)主傳動(dòng)系統(tǒng)圖。根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖及已知的技術(shù)參數(shù) 1-2軸最小中心距：A1_2min>1/2(Zmaxm+2m+D) 軸最小齒數(shù)和:Szmin>(Zmax+2+D/m) 2.2 確定各變速組此傳動(dòng)副齒數(shù) (1)Sz100-120,中型機(jī)床Sz=70-100 (2)直齒圓柱齒輪Zmin18-20 圖2-3 主傳動(dòng)系統(tǒng)圖 （7） 齒輪齒數(shù)的確定。據(jù)設(shè)計(jì)要求Zmin≥18—20,由表4.1，根據(jù)各變速組公比，可得各傳動(dòng)比和齒輪齒數(shù)，各齒輪齒數(shù)如表2-2。 齒輪 Z1 Z1` Z2 Z2` Z3 Z3` 齒數(shù) 77 43 46 74 22 88 第3章 動(dòng)力計(jì)算 3.1 同步帶計(jì)算選型 設(shè)計(jì)功率是根據(jù)需要傳遞的名義功率、載荷性質(zhì)、原動(dòng)機(jī)類(lèi)型和每天連續(xù)工作的時(shí)間長(zhǎng)短等因素共同確定的，表達(dá)式如下： 式中 ——需要傳遞的名義功率 ——工作情況系數(shù)，按表2工作情況系數(shù)選取=1.7； 表3-3.工作情況系數(shù) 確定帶的型號(hào)和節(jié)距 可根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd'和小帶輪轉(zhuǎn)速n1，由同步帶選型圖中來(lái)確定所需采用的帶的型號(hào)和節(jié)距。 其中Pd=25.5kw，n1=4500rpm。查表3-4 表3-4 選同步帶的型號(hào)為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm 選擇小帶輪齒數(shù)z1，z2 可根據(jù)同步帶的最小許用齒數(shù)確定。查表3-3-3得。 查得小帶輪最小齒數(shù)14。 實(shí)際齒數(shù)應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)據(jù) 初步取值z(mì)1=34故大帶輪齒數(shù)為：z2=i×z1=2×z1=68。 故z1=34，z2=38。 確定帶輪的節(jié)圓直徑d1，d2 小帶輪節(jié)圓直徑d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm 大帶輪節(jié)圓直徑d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈173.06mm 驗(yàn)證帶速v 由公式v=πd1n1/60000計(jì)算得， s﹤vmax=40m/s，確定帶長(zhǎng)和中心矩 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得 所以有： 現(xiàn)在選取軸間間距為取224mm 10、同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定 =() =719.7mm 11、帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算 有在本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比為1，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=17。 12、基本額定功率的計(jì)算 查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 表3-5 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 13、計(jì)算作用在軸上力 = =71.6N 3.2 計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算 （1）.主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速 , 軸 序 號(hào) 電動(dòng)機(jī)(0) I軸 II軸 計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min 1500 750 120 3.3 齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算 1、計(jì)算各傳動(dòng)軸的輸出功率 4、模數(shù)計(jì)算，一般同一變速組內(nèi)的齒輪取同一模數(shù)，選取負(fù)荷最重的小齒輪，按簡(jiǎn)化的接觸疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，即mj=16338可得各組的模數(shù)，如表3-3所示。 45號(hào)鋼整體淬火， 按接觸疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)m （2） 齒輪計(jì)算。 齒輪幾何尺寸見(jiàn)下表 齒輪 Z1 Z1` Z2 Z2` Z3 Z3` 齒數(shù) 77 43 46 74 22 98 模數(shù) 3 3 3 3 3 3 分度圓直徑 231 129 138 222 66 294 齒頂圓直徑 237 135 144 228 72 300 齒根圓直徑 223.5 121.5 130.5 214.5 58.5 286.5 齒寬 24 24 24 24 24 24 按基本組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取240HB。計(jì)算如下： ① 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算： 接觸應(yīng)力驗(yàn)算公式為 彎曲應(yīng)力驗(yàn)算公式為： 式中 N----傳遞的額定功率（kW），這里取N為電動(dòng)機(jī)功率，N=4kW; -----計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）. m-----初算的齒輪模數(shù)（mm）, B----齒寬（mm）; z----小齒輪齒數(shù)； u----小齒輪齒數(shù)與大齒輪齒數(shù)之比,u=3; -----壽命系數(shù)； = ----工作期限系數(shù)； T------齒輪工作期限，這里取T=15000h.; -----齒輪的最低轉(zhuǎn)速（r/min），=500（r/min） ----基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)，接觸載荷取=，彎曲載荷取= m----疲勞曲線(xiàn)指數(shù)，接觸載荷取m=3；彎曲載荷取m=6; ----轉(zhuǎn)速變化系數(shù)，查【5】2上，取=0.60 ----功率利用系數(shù)，查【5】2上，取=0.78 -----材料強(qiáng)化系數(shù)，查【5】2上,=0.60 -----工作狀況系數(shù)，取=1.1 -----動(dòng)載荷系數(shù)，查【5】2上，取=1 ------齒向載荷分布系數(shù)，查【5】2上，=1 Y------齒形系數(shù)，查【5】2上，Y=0.386； ----許用接觸應(yīng)力（MPa）,查【4】，表4-7，取=650 Mpa； ---許用彎曲應(yīng)力（MPa），查【4】，表4-7，取=275 Mpa； 根據(jù)上述公式，可求得及查取值可求得： 按擴(kuò)大組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取240HB。 同理根據(jù)基本組的計(jì)算， 查文獻(xiàn)【6】，可得:=0.62， =0.77，=0.60，=1.1， =1，=1，m=3.5，=355；可求得： 3.4 主軸合理跨距的計(jì)算 由于電動(dòng)機(jī)功率P=11KW，根據(jù)【1】表3.20，前軸徑應(yīng)為60~90mm。初步選取d1=80mm。后軸徑的d2=（0.7~0.9）d1，取d2=60mm。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，前軸承為NN3016K型，后軸承為圓錐滾子軸承。定懸伸量a=120mm，主軸孔徑為30mm。 軸承剛度，主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩T=9550=9550×=318.3N.m 假設(shè)該機(jī)床為銑床的最大加工直徑為300mm。床身上最常用的最大加工直徑，即經(jīng)濟(jì)加工直徑約為最大回轉(zhuǎn)直徑的50%，這里取60%，即180mm，故半徑為0.09m； 切削力（沿y軸） Fc==4716N 背向力（沿x軸） Fp=0.5 Fc=2358N 總作用力 F==5272.65N 此力作用于工件上，主軸端受力為F=5272.65N。 先假設(shè)l/a=2，l=3a=240mm。前后支承反力RA和RB分別為 RA=F×=5272.65×=7908.97N RB=F×=5272.65×=2636.325N 根據(jù)文獻(xiàn)【1】式3.7 得：Kr=3.39得前支承的剛度：KA= 1689.69 N/；KB= 785.57 N/；==2.15 主軸的當(dāng)量外徑de=(80+60)/2=70mm，故慣性矩為 I==113.8×10-8m4 η===0.14 查【1】圖3-38 得 =2.0，與原假設(shè)接近，所以最佳跨距=120×2.0=240mm 合理跨距為（0.75-1.5），取合理跨距l(xiāng)=360mm。 根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，主軸的實(shí)際跨距大于合理跨距，因此需要采取措施增加主軸的剛度，增大軸徑：前軸徑D=100mm，后軸徑d=80mm。前軸承采用雙列圓柱滾子軸承，后支承采用背對(duì)背安裝的角接觸球軸承。 3.5 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計(jì)算 主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長(zhǎng)度和支撐跨距。評(píng)價(jià)和考慮主軸的主要尺寸參數(shù)的依據(jù)使主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適應(yīng)范圍。 主軸內(nèi)孔直徑 主軸的內(nèi)孔用來(lái)安放棒料、刀具夾緊裝置固定刀具、傳動(dòng)氣動(dòng)或液動(dòng)卡盤(pán)等。主軸孔徑越大，同時(shí)主軸部件的相對(duì)重量也越輕。主軸孔徑的大小主要受主軸剛度的制約。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求。此設(shè)計(jì)選用的主軸材料是45#鋼。 表3-1 45#鋼熱處理和參數(shù)表 因?yàn)檫x用的主軸電機(jī)功率為P=11KW，額定轉(zhuǎn)速nc=1500r/min 所以主軸功率 p=pc/η1η2η3=12.67 kw 因?yàn)橹鬏S是空心轉(zhuǎn)軸，所以 d1=21.68 ×. 查表得=1.23 所以d1=21.68×1.2321.23=56.6㎜ d2=63mm d3=d2+5～8mm=72mm。 d4=d3+1～5mm=74mm。 d5=d4+1～5mm=78mm。 d6=d5+2a。a≥(0.07～0.1)d1 所以d6=80mm。 根據(jù)選用的軸承確定d7=98mm 主軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核，危險(xiǎn)截面安全系數(shù)s的校核計(jì)算： s=≥[s] ____________只考慮彎距作用的安全系數(shù)； sτ____________只考慮扭距作用是的安全系數(shù)； [s] ____________許用安全系數(shù)； 在此查表所得[s]=1.3～1.5；sσ= 查表得出σ-1=270Mpa τ-1=155Mpa kσ=1.71 kτ=1.44 β=1.6 ετ=0.74，ψσ=0.3，ψ σm=σα M= Wp= 所以：s==1.08<[s]=1.3～1.5 所以主軸設(shè)計(jì)符合要求。 3.6 主軸箱體的截面形狀和壁厚計(jì)算 傳動(dòng)裝置箱體的典型縱截面形狀為矩形或圓形。箱體壁厚N的計(jì)算: N= 第4章 銑床主軸部分及其設(shè)計(jì)計(jì)算 銑床的傳動(dòng)軸部分是銑床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵部分，這是由于銑床在實(shí)際的加工中生產(chǎn)中，其效率高低和性能優(yōu)劣在很大程度上都是由銑床的傳動(dòng)軸部分影響和決定的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，銑床主軸作為銑床機(jī)構(gòu)的重要部分，其主要作用就是通過(guò)傳遞載荷和力矩，從而帶動(dòng)銑床上的車(chē)刀進(jìn)行工作運(yùn)轉(zhuǎn)，來(lái)對(duì)工件進(jìn)行車(chē)削加工。 銑床主軸和日常中的普通軸之間，既有共同之處，即都是作為載荷的傳動(dòng)裝置，都要在一定的環(huán)境下才能穩(wěn)定持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)其也有自己的特別之處，如其能不依靠其他裝置，自己就可以在比較大的載荷作用下工作，同時(shí)其還要帶動(dòng)車(chē)刀運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行對(duì)工件的車(chē)削加工，所以在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工中，我們需要考慮更多的相關(guān)參數(shù)和技術(shù)要求。 4.1 銑床主軸所需標(biāo)準(zhǔn) 圖3-1 4.1.1 銑床的剛度 概念：銑床主軸的剛度是指在其受到外部施加的力或者力矩作用時(shí)，其由于內(nèi)部作用力而排斥抗衡其形狀發(fā)生變化的一項(xiàng)固有屬性。其具體原理圖如下所示： 具體公式為： (N/m) （3.1） 在實(shí)際的方案規(guī)劃時(shí)，我們應(yīng)該從全局出發(fā)，全面考慮各方面可能對(duì)其造成影響之處，以求其能獲得更高的剛度屬性。 4.1.2 銑床的耐車(chē)性 概念：指其在長(zhǎng)時(shí)間周期的工作運(yùn)轉(zhuǎn)中能夠保證其內(nèi)部精度等級(jí)仍不變的能力。因此，在實(shí)際選配件時(shí)，應(yīng)選取一些具有比較大的硬度的配件，同時(shí)，也應(yīng)努力采取一些比如潤(rùn)滑等相關(guān)措施，從而使得其使用周期延長(zhǎng)。 4.1.3 銑床的旋轉(zhuǎn)精度 概念：指當(dāng)銑床主軸在人工操作下，或者是在沒(méi)有工作件時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，或者是在運(yùn)轉(zhuǎn)速度很小時(shí)，此時(shí)銑床主軸的前面以及軸徑向的，以及的大小，其原理圖如下圖所示： 4.1.4 銑床的抗震能力 概念：指其排斥受外載荷作用和自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的不穩(wěn)定震蕩，仍能維持恒定工作節(jié)奏的本領(lǐng)。由于科技及機(jī)械工業(yè)的迅猛發(fā)展，銑床機(jī)構(gòu)對(duì)其的要求也會(huì)不斷增加。 4.1.5 銑床的熱變形 概念：指當(dāng)其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致各部分部件間發(fā)生相互作用，而導(dǎo)致自身溫度變高，以致其結(jié)構(gòu)外貌導(dǎo)致變化。 在實(shí)際的設(shè)計(jì)和加工中，應(yīng)努力采取一些措施來(lái)避免此種情況的發(fā)生，從而使得銑床機(jī)構(gòu)能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作運(yùn)行，加工出符合要求的零件產(chǎn)品。 4.2 銑床主軸部分的分布 在我們實(shí)際對(duì)銑床主軸部分的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要充分考慮到前面提到的幾點(diǎn)，再根據(jù)實(shí)際情況，具體設(shè)計(jì)銑床主軸的分布。 銑床的主軸裝置有兩種不同的安裝設(shè)計(jì)形式，一種是用左右分布受力，另外一種是除了前面已有的，再加一個(gè)中間的受力點(diǎn)，而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還是選擇第一種的比較大眾化。 在本次的設(shè)計(jì)中，我所選擇的也是第一種的形式。而在具體的銑床主軸設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要滿(mǎn)足如下一些條件： （1）能夠符合銑床主軸內(nèi)部構(gòu)造的匹配 如果必須使得銑床的內(nèi)部構(gòu)造比較簡(jiǎn)潔，而同時(shí)需要其在功用方面具有承受比較大的力作用時(shí)，我們可以采取在其受力點(diǎn)處安裝多個(gè)受力配件的方式。 而如果是銑床裝置的內(nèi)部配件之間距離較小的時(shí)候，因?yàn)槭艿狡浔旧順?gòu)造的影響，我們可以采取讓其內(nèi)部的軸承分布在不同之處。 （2）能夠符合其加工質(zhì)量的需要 在進(jìn)行加工安裝時(shí)，采取不同的安裝方式，可能會(huì)對(duì)最后銑床機(jī)構(gòu)的加工質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，因此在進(jìn)行安裝各部件時(shí)，一定要先仔細(xì)構(gòu)思好，選擇一個(gè)合理的，能夠滿(mǎn)足加工質(zhì)量要求的安裝方式。 （3）能夠在較大負(fù)荷作用下工作 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)其裝置所要承受的負(fù)荷大小來(lái)決定其具體選用什么樣的配件。而對(duì)于在銑床裝置中的關(guān)鍵部件軸承來(lái)說(shuō)，其選用不同的型號(hào)以及數(shù)目，會(huì)對(duì)整個(gè)裝置的整體受力性能產(chǎn)生很大的影響。 表3-1 不同型號(hào)軸承的對(duì)比 基本要求 滾動(dòng)軸承 滑動(dòng)軸承 動(dòng)壓軸承 靜壓軸承 剛度 只和型號(hào)有關(guān)，預(yù)緊后可提高一些 隨轉(zhuǎn)速和載荷升高二增大 與節(jié)流形式有關(guān)，與載荷轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān) 旋轉(zhuǎn)精度 精度一般或較差 單油楔軸承一般，多油楔較高 可很高 承載能力 一般為恒定值 隨轉(zhuǎn)速增加而增加，高速時(shí)受溫升限制 與油槍相應(yīng)壓差有關(guān) 抗振能力 不好 較好 很好 速度性能 中低速較好 中高速較好 適應(yīng)于各種轉(zhuǎn)速 摩擦功耗 一般較小 較小 本身較小 壽命 受疲勞強(qiáng)度限制 在不頻繁啟動(dòng)時(shí)，較大 自身無(wú)限，但供油系統(tǒng)壽命有限 噪聲 較大 無(wú)噪聲 本身沒(méi)有，泵有噪聲 （4）能夠符合利益最大化的需要 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，除了要考慮一些技術(shù)性的參數(shù)外，同時(shí)還有一個(gè)很重要的考慮點(diǎn)，那就是利益最大化。在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案中，在能夠滿(mǎn)足其使用功用的同時(shí)，應(yīng)選取其成本比較低的，從而實(shí)現(xiàn)其節(jié)約性的要求。 4.3 銑床主軸形狀的選擇 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要確定銑床主軸的具體形狀，需要考慮的因素有很多，比如其上所選擇的密封設(shè)備，軸承等部件的型號(hào)，大小，多少等等，另外其工作方式，組合類(lèi)型等也都要考慮在內(nèi)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)做成階梯狀的形式。這里我所選擇的也同樣是把銑床裝置的傳動(dòng)軸做成階梯軸，從而達(dá)到拆裝容易的目的。 4.4 銑床主軸的熱處理 我們知道，金屬剛的彈性模量是一個(gè)固定值，其與具體的剛是什么類(lèi)型基本沒(méi)關(guān)系。而剛的材料卻在很大程度上由其決定著，所以從實(shí)際情況出發(fā)，在進(jìn)行選材時(shí)，比較低價(jià)的45剛應(yīng)成為我們的第一之選，同時(shí)為了使其具有更高的使用性能，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的熱處理工藝。 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， 銑床主軸 45 50 調(diào)質(zhì) HB220-250 輕中負(fù)載局部要 求高硬度 銑床的車(chē)刀軸 45 50 高頻淬火 HRC52-58 輕中負(fù)載PV≤40（N·m/cm·s） 車(chē)，鉆，銑， 銑床的主軸 45 50 淬火回火 高頻淬火 HRC42-50 HRC52-58 4.5 銑床主軸的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 在實(shí)際過(guò)程中，必須對(duì)銑床主軸作出一些具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。銑床主軸的表面質(zhì)量對(duì)傳動(dòng)軸上各部分配件的運(yùn)轉(zhuǎn)精度等級(jí)作用甚大。傳動(dòng)軸與上面的各部分配件相接觸點(diǎn)的表面質(zhì)量越好，那么相互作用之后的形變量也就越低，所以其加工質(zhì)量性能也就越好。所以在設(shè)計(jì)中，必須要保證銑床主軸具有能夠滿(mǎn)足加工質(zhì)量要求的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 4.6 銑床主軸上軸承的挑選 經(jīng)過(guò)以上對(duì)銑床主軸以及其配件的相關(guān)分析論證，經(jīng)過(guò)翻閱相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)資料，我們即可確定此處可采用的軸承型號(hào)是36206，也就是角接觸球軸承，其接觸角是15度，但這代號(hào)是其以前的名稱(chēng)，現(xiàn)在它的代號(hào)為7206C，其具體參數(shù)結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖3-4 軸承圖 4.7 銑床主軸上軸承的校對(duì)計(jì)算 我們?cè)趯?shí)際中挑選軸承時(shí)，要考慮的因素很多。不但要選取大小合適的，還要能夠滿(mǎn)足其加載在裝置中能夠滿(mǎn)足加工質(zhì)量的要求。其選擇的正確，則可以使整個(gè)裝置的性能得到優(yōu)化，而如果挑選的不合適，那就回影響其本身使用期限甚至整個(gè)機(jī)構(gòu)的使用性。所以我們?cè)谔暨x時(shí)，一定要根據(jù)實(shí)際情況，具體問(wèn)題具體分析，根據(jù)其工作環(huán)境，要滿(mǎn)足的加工質(zhì)量要求，拆裝方便，以及現(xiàn)有機(jī)器的實(shí)際情況等，來(lái)挑選出最佳的型號(hào)。 同時(shí)，為了確保軸承能夠在工作運(yùn)行時(shí)安全穩(wěn)定持續(xù)，我們還要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的校對(duì)計(jì)算。此處，因?yàn)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際轉(zhuǎn)速比較大，所以我們可以根據(jù)計(jì)算基本額定動(dòng)載荷在挑選及校核其能不能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橐话闶窃诤侠淼臓顟B(tài)下工作的，所以我們可以選擇其標(biāo)準(zhǔn)使用期限為500小時(shí)。其計(jì)算過(guò)程如下： （3.2） 上式中， fd——沖擊載荷因數(shù)：1.5； fn——速度因數(shù)：0.822； P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N ； C——基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值，N ； fT——溫度因數(shù)：1 ； fm——力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時(shí)取1.5，較大時(shí)取2； CT——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動(dòng)載荷，N； fh——壽命因數(shù)：1； 經(jīng)過(guò)翻閱機(jī)械設(shè)計(jì)資料求出，fd=1.5； fm=1.5；；fT=1； fh=1；fn=0.822； 在這里的銑床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們可以假設(shè)其軸承只受到徑向的負(fù)荷，則其當(dāng)量動(dòng)載荷就是： （3.3） 經(jīng)翻閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》書(shū)，求出：X=1，且Y=0； 所以，N。由以上可得： 經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算論證，這里我們應(yīng)采用的型號(hào)是7206C，其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是：小徑d=25mm，外圓直徑D=62mm，其kN，而kN，其最大轉(zhuǎn)速是一萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘。 同時(shí)驗(yàn)算它的額定的靜載荷。其額定靜載荷的驗(yàn)算方法是： （3.4） 其中： 綜上所述，這里我所采用的軸承能夠滿(mǎn)足使用要求。 4.8 銑床主軸外部伸長(zhǎng)量 在實(shí)際的設(shè)計(jì)銑床主軸中，需要使得其在套筒內(nèi)的前端受力點(diǎn)外有一部分的伸長(zhǎng)量，從而將帶輪安裝在上面實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，而這伸長(zhǎng)量的大小，對(duì)其意義非同尋常。通常是其值越小越好。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，在能滿(mǎn)足要求的情況下，我們務(wù)必優(yōu)先選用較小的伸長(zhǎng)量。 經(jīng)過(guò)翻閱相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，查得在銑床主軸的設(shè)計(jì)中，其伸長(zhǎng)量與傳動(dòng)軸軸頸處的直徑比值在1.25到2.5之間，所以其伸長(zhǎng)量的范圍就是在37.5mm到75mm之間。這里我所采用的數(shù)值是45mm 。 4.9 銑床主軸的校核 通過(guò)實(shí)際觀察我們發(fā)現(xiàn)，銑床主軸在整個(gè)銑床裝置的實(shí)際運(yùn)行中起主要主要作用。因?yàn)樵跈C(jī)器的正常運(yùn)行中，傳動(dòng)軸承受很大的負(fù)荷，但是其可以接受的形變量卻非常小，所以在設(shè)計(jì)及校核銑床主軸時(shí)，主要就是檢驗(yàn)其剛度值是否在要求范圍之內(nèi)。 而對(duì)于銑床主軸的具體剛度值大小，我們不好直接進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。但是根據(jù)其定義我們可知道，如果我們能夠求出其撓度和傾角，那么也就能夠得出其剛度的情況。 4.9.1 受力作用的轉(zhuǎn)換 如果傳動(dòng)軸上是兩個(gè)受力承受點(diǎn)的，并且其前端部分分布多個(gè)受力軸承，那么這種形式我們可將其轉(zhuǎn)換成一頭固定，一頭受力的形式，轉(zhuǎn)換圖如下所示： 而如果每個(gè)受力作用點(diǎn)處的受力軸承只是一個(gè)單列或者是雙列的結(jié)構(gòu)，那么我們可以把其轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)支梁的形式，其示意圖為以下形式： 根據(jù)以上的分析，結(jié)合我自己實(shí)際的設(shè)計(jì)方案，可知其原理與上圖3-6相同。 4.9.2 銑床主軸的撓度 根據(jù)翻閱我們大二時(shí)所學(xué)的材料力學(xué)的教材，可進(jìn)行更詳細(xì)的探究，結(jié)果見(jiàn)下圖： 根據(jù)此原理，那么其極限值 (3.5) 這里，D=35mm 4.9.3 銑床主軸的傾角 由上圖的分析可知其極限值為： (3.7) 經(jīng)翻閱機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)手冊(cè)，查得在滿(mǎn)足條件： mm ,且 rad 時(shí)，其剛度能夠達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn) 這里的以及，就是其撓度及傾角的極限值。 把上面求得的以及代進(jìn)上面的關(guān)系式中進(jìn)行對(duì)比，可知其值均在范圍之內(nèi)，所以這里設(shè)計(jì)的銑床主軸是符合要求的。 由于電動(dòng)機(jī)功率P=28KW，根據(jù)【1】表3.20，前軸徑應(yīng)為60~90mm。初步選取d1=80mm。后軸徑的d2=（0.7~0.9）d1，取d2=60mm。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，前軸承為NN3016K型，后軸承為圓錐滾子軸承。定懸伸量a=120mm，主軸孔徑為30mm。 軸承剛度，主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩T=9550=9550×=318.3N.m 假設(shè)該機(jī)床為銑床的最大加工直徑為400mm。床身上最常用的最大加工直徑，即經(jīng)濟(jì)加工直徑約為最大回轉(zhuǎn)直徑的50%，這里取45%，即180mm，故半徑為0.09m； 切削力（沿y軸） Fc==4716N 背向力（沿x軸） Fp=0.5 Fc=2358N 總作用力 F==5272.65N 此力作用于工件上，主軸端受力為F=5272.65N。 先假設(shè)l/a=2，l=3a=240mm。前后支承反力RA和RB分別為 RA=F×=5272.65×=7908.97N RB=F×=5272.65×=2636.325N 根據(jù)文獻(xiàn)【1】式3.7 得：Kr=3.39得前支承的剛度：KA= 1689.69 N/；KB= 78287 N/；==2.15 主軸的當(dāng)量外徑de=(80+60)/2=70mm，故慣性矩為 I==113.8×10-8m4 η===0.14 查【1】圖3-38 得 =2.0，與原假設(shè)接近，所以最佳跨距=120×2.0=240mm 合理跨距為（0.75-1.5），取合理跨距l(xiāng)=360mm。 根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，主軸的實(shí)際跨距大于合理跨距，因此需要采取措施增加主軸的剛度，增大軸徑：前軸徑D=100mm，后軸徑d=80mm。前軸承采用雙列圓柱滾子軸承，后支承采用背對(duì)背安裝的角接觸球軸承。 4.10 軸的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算 4.10.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)床傳動(dòng)軸，廣泛采用滾動(dòng)軸承作支承。軸上要安裝齒輪、離合器和制動(dòng)器等。傳動(dòng)軸應(yīng)保證這些傳動(dòng)件或機(jī)構(gòu)能正常工作。 傳動(dòng)軸應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度。如撓度和傾角過(guò)大，將使齒輪嚙合不良，軸承工作條件惡化，使振動(dòng)、噪聲、空載功率、車(chē)損和發(fā)熱增大。 兩軸中心距誤差和軸心線(xiàn)間的平行度等裝配及加工誤差也會(huì)引起上述問(wèn)題。 所以，在設(shè)計(jì)軸時(shí)要充分考慮軸的強(qiáng)度剛度等因素。在選擇材料和估算直徑都要滿(mǎn)足條件，估算完以后還要對(duì)軸的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是使軸的各部分具有合理的結(jié)構(gòu)和尺寸。 影響軸的結(jié)構(gòu)的因素很多，因此軸的結(jié)構(gòu)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)形式。設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對(duì)軸的具體情況作具體分析，全面考慮解決。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求是： 裝在軸上的零件有確定的位置。且布置合理。 軸受力合理，能可靠地傳遞力和轉(zhuǎn)矩，有利于提高強(qiáng)度和剛度。 具有良好的工藝性。 便于安裝和調(diào)整。 節(jié)省材料，減輕質(zhì)量。 Ⅰ軸（輸入軸）的設(shè)計(jì) Ⅰ軸的特點(diǎn):1．將運(yùn)動(dòng)傳入變速箱的齒輪，一般都安裝在軸端，軸變形較大，結(jié)構(gòu)上應(yīng)注意加強(qiáng)軸的剛度或使軸不受帶的拉力（帶輪卸荷）;2．若Ⅰ軸上安裝正反向的離合器，由于組成離合器的零件很多，在箱內(nèi)裝配很不方便，一般都希望在箱外將Ⅰ軸組裝好后在整體裝入箱內(nèi)（最好連皮帶輪也組裝在上面）。 卸荷裝置:帶輪將動(dòng)力傳到Ⅰ軸有兩類(lèi)方式：一類(lèi)是帶輪直接裝在Ⅰ軸上。除了傳遞扭矩外，帶的拉力也作用在軸上。另一類(lèi)是帶輪裝在軸承上，軸承裝在套筒（法蘭盤(pán)）上，傳給軸的只是扭矩，徑向力由固定在箱體上的套筒承受。這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為卸荷裝置。 4.10.2 軸的強(qiáng)度校核 由鹽城市機(jī)床廠(chǎng)1997-10-01發(fā)布的臥式銑床企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表9知主軸轉(zhuǎn)速為103時(shí),扭矩為468N.m,這時(shí)Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速為 1.選擇軸的材料 由于這個(gè)銑床箱傳動(dòng)的功率不大，分別為4和28KW，對(duì)其重量和尺寸也無(wú)要求，故此輸入軸采用45鋼。 2.初估軸徑 按扭矩初估軸的直徑，查表10-2(見(jiàn)參考書(shū)2)得C=106～117，考慮到安裝帶輪的軸段僅受扭矩作用，取C=106,則 [2] 3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (1) 各軸段直徑的確定 初估直徑后就可按照軸上零件的安裝順序,從處開(kāi)始逐段確定直徑。考慮到軸段1上安裝帶輪，上面將安裝有軸承為了符合軸承內(nèi)徑系列，即軸段的直徑應(yīng)與軸承型號(hào)的選擇同時(shí)進(jìn)行，取軸承代號(hào)為6306的深溝球軸承，其內(nèi)孔直徑為30，同理可取其他各段軸的內(nèi)徑； （2）各軸長(zhǎng)度的選擇 軸段一處上要安裝有帶輪、軸承、密封圈等，根據(jù)這些部件的尺寸，可以得出各段軸段的長(zhǎng)度。各個(gè)軸段尺寸的確定主要是根據(jù)軸上零件的轂長(zhǎng)或軸上零件配合部分的長(zhǎng)度確定。而另一些軸段的長(zhǎng)度除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。通常從齒輪端面開(kāi)始，為避免轉(zhuǎn)動(dòng)零件與不動(dòng)零件干涉，取齒輪端面與箱體內(nèi)壁的距離H=15mm,考慮箱體的鑄造誤差，軸承內(nèi)端面應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離，取，考慮上下軸承座的聯(lián)接，取軸襯座寬度為45mm。 （3）軸上倒角及圓角為了保證軸承內(nèi)圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊(cè)推薦，取軸肩圓角半徑為1mm。為方便加工，其他軸肩圓角半徑均取為1mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，軸的左右端倒角均為。 上述確定尺寸和結(jié)構(gòu)的過(guò)程，與畫(huà)草圖同時(shí)進(jìn)行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖（見(jiàn)下圖-a） 4.軸的受力分析 (1)畫(huà)軸的受力簡(jiǎn)圖(見(jiàn)上圖-b)，因?yàn)辇X輪為直齒圓柱齒輪，所以,齒輪上不存在軸向力。 (2)計(jì)算支承反力 在水平面上 在垂直面上 (3)畫(huà)彎矩圖（見(jiàn)上圖-c d e） 在水平面上 ，a-a剖面左側(cè) a-a剖面右側(cè) 在垂直面上 合成彎矩 a剖面左側(cè)和右側(cè)的彎矩相同 (4)畫(huà)彎矩圖（見(jiàn)上圖-f） 轉(zhuǎn)矩 T= (5)判斷危險(xiǎn)截面 顯然，a-a面處無(wú)論是彎矩還是扭矩都為最大，a-a面為危險(xiǎn)截面 (6)軸的彎扭合成強(qiáng)度校核 由表10-1查得， 在a-a截面左側(cè) [2] 合適。 (7)軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核 由表10-1查得，，；，。 在a-a截面左側(cè) [2] 由附表10-1查得，；由附表10-4查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)車(chē)削加工，由附表10-5查得表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應(yīng)力 應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 查表10-6得許用安全系數(shù)，顯然，故，a-a截面安全,即整個(gè)軸都是安全的，其彎扭合成強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均是足夠的。 4.10.3 軸的剛度校核 軸受載后要發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，如果變形過(guò)大，會(huì)影響軸上零件正常工作。 傳動(dòng)軸除應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大變形。剛度要求保證軸在（彎曲、軸向、扭轉(zhuǎn)）不致產(chǎn)生過(guò)大的變形（彎曲、失穩(wěn)、轉(zhuǎn)角）。如果剛度不足，軸上的零件如齒輪、軸承等將由于軸的變形過(guò)大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲、發(fā)熱、過(guò)早車(chē)損而失效。因此，必須保證傳動(dòng)軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉(zhuǎn)剛度估算軸的直徑，畫(huà)出草圖之后，再根據(jù)受力情況、結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗(yàn)算彎曲剛度。 （1）主軸剛度符合要求的條件如下： （a） 主軸的前端部撓度 （b） 主軸在前軸承處的傾角 （c） 在安裝齒輪處的傾角 E取為， ， 由于小齒輪的傳動(dòng)力大，這里以小齒輪來(lái)進(jìn)行計(jì)算 將其分解為垂直分力和水平分力 由公式 可得 主軸載荷圖如下所示： 由上圖可知如下數(shù)據(jù)：a=364mm,b=161mm,l=525mm,c=87mm 計(jì)算（在垂直平面） ,, ，， ，， 計(jì)算（在水平面） ,, ，， ，， 合成： ,以I軸為例，Ⅰ軸的直徑按扭轉(zhuǎn)剛度估算，上文已完成，估算出的直徑為40mm. 銑床傳動(dòng)軸的彎曲剛度驗(yàn)算，主要驗(yàn)算軸上裝齒輪和軸承處的撓度y和傾角θ。各類(lèi)軸的撓度y和傾角θ，應(yīng)小于彎曲剛度的許用值[Y]和[θ]值，即： y≤[Y]；θ≤[θ]值，即： 軸的彎曲變形的允許值： 安裝齒輪的軸允許的撓度為（0.01～0.03）m 計(jì)算軸本身彎曲變形產(chǎn)生的撓度y和傾角θ時(shí),一般常將軸簡(jiǎn)化為集中載荷下的簡(jiǎn)支梁,當(dāng)軸的直徑相差不大且計(jì)算精度要求不高時(shí),可把軸看作等徑軸,采用平均直徑（)來(lái)計(jì)算。計(jì)算公式為：圓