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畢業(yè)設計（論文） 課 題 名 稱： 石材立式球磨機 專 業(yè) 班 級： 學 生 姓 名： 學 生 學 號： 起迄日期： 指導教師： 發(fā)任務書日期：2014年5月1 日 摘 要 本次設計是對石材立式球磨機的設計。在這里主要包括:傳動系統(tǒng)的設計、裝夾部位系統(tǒng)的設計、球磨機主軸部位系統(tǒng)的設計這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件。 整機結(jié)構(gòu)主要由電動機產(chǎn)生動力通過聯(lián)軸器將需要的動力傳遞到絲桿上，絲桿帶動絲桿螺母，從而帶動整機運動，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 本論文研究內(nèi)容： (1) 石材立式球磨機總體結(jié)構(gòu)設計。 (2) 石材立式球磨機工作性能分析。 (3)電動機的選擇。 (4) 石材立式球磨機的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機架設計。 (5)對設計零件進行設計計算分析和校核。 (6)繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設計零件的零件圖。 關鍵詞：石材立式球磨機， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠 VII Abstract This design is the design of vertical mill stone. Here mainly include: design, drive system design, parts of the clamping system of ball mill main part of the system design of the graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, thereby driving the movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development. The research of this thesis: (1) the overall structure of stone vertical mill design. (2) performance analysis of vertical mill stone. (3) the choice of motor. (4) transmission system, execution unit and frame design of stone vertical mill. (5) the design of components for the design calculation and check. (6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design. Keywords: coupling stone, vertical mill, ball screw 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 1 1.1異型石材的分類 1 1.1.1異型石材的分類 1 1.1.2按加工方法分 1 1.1.3按截面尺寸分 1 1.2異形石材的裝飾效果 2 1.3異形石材加工的損耗介紹 2 1.4石材加工機械分類 3 1.5國內(nèi)異形石材加工機械設備現(xiàn)狀與發(fā)展 4 第2章 石材立式球磨機總體結(jié)構(gòu)設計 1 2.1 石材立式球磨機的構(gòu)成 1 2.2 球磨機磨削部分計算 1 2.2.1 同步帶計算選型 1 2.2.2 同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 4 2.2.3 同步帶的設計 6 2.2.4 同步帶輪的設計 7 第3章 主軸組件要求與設計計算 9 3.1 主軸的基本要求 9 3.1.1 旋轉(zhuǎn)精度 9 3.1.2 剛度 9 3.1.3 抗振性 10 3.1.4 溫升和熱變形 10 3.1.5 耐磨性 11 3.2 主軸組件的布局 11 3.3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 14 3.4 主軸的材料與熱處理 14 3.5 主軸的技術(shù)要求 15 3.6 主軸直徑的選擇 15 3.7 主軸前后軸承的選擇 16 3.8 軸承的選型及校核 17 3.9 主軸前端懸伸量 19 3.10 主軸支承跨距 20 3.11 主軸結(jié)構(gòu)圖 21 3.12 主軸組件的驗算 21 3.12.1 支承的簡化 21 3.12.2 主軸的撓度 22 3.12.3 主軸傾角 23 第4章 X結(jié)構(gòu)及傳動設計 24 4.1 X向滾珠絲桿副的選擇 25 4.1.1導程確定 25 4.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 25 4.1.3估計工作臺質(zhì)量及負重 25 4.1.4確定絲桿的等效負載 25 4.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 26 4.1.6精度的選擇 27 4.1.7選擇滾珠絲桿型號 27 4.2校核 28 4.2.1 臨界壓縮負荷驗證 28 4.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證 29 4.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 30 4.3電機的選擇 30 4.3.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 31 4.3.2電機扭矩計算 32 第5章 Y向結(jié)構(gòu)設計 34 5.1 Y軸滾動導軌副的計算和選擇 34 5.2 滾珠絲杠計算和選擇 35 5.3 步進電機慣性負載的計算 38 第6章 Z軸機械結(jié)構(gòu)設計 41 6.1 確定脈沖當量 41 6.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型 41 6.2.1 精度的選擇 41 6.2.2絲杠導程的確定 41 6.2.3 最大工作載荷的計算 41 6.2.4 最大動載荷的計算 42 6.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 43 6.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 43 6.2.7 傳動效率的計算 44 6.2.8 剛度的驗算 44 6.2.9 穩(wěn)定性校核 45 6.2.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 46 6.3 步進電動機的選擇 46 6.4 絲杠軸的校核 49 6.5 鍵的校核 50 6.6 軸承的校核 50 6.7 直線滾動導軌副的計算和選擇 52 第7章 減速器機構(gòu)的設計 55 7.1電機選擇 55 7.1.1 計算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 55 7.1.2 確定各軸傳動比 57 7.1.3 傳動裝置的運動和動力參數(shù) 57 7.2齒輪設計與計算 59 7.2.1高速級齒輪設計與計算 59 7.2.2 低速級齒輪設計與計算 64 7.3 軸的設計與計算 68 7.3.1輸入軸的設計與計算 68 7.3.2 中間軸的設計與計算 71 7.3.3輸出軸的設計與計算 74 7.4 軸承的校核 76 7.4.1 輸入軸上軸承壽命計算 76 7.4.2 中間軸上軸承壽命計算 77 7.4.3 輸出軸上軸承壽命計算 78 7.5 鍵的選擇和校核 80 7.5.1鍵的選擇 80 7.5.2鍵的校核 80 結(jié)論 82 參考文獻 83 致 謝 85 第1章 緒論 所謂異型石材：廣泛的說，為除了石頭板材（平板）以外的所有的其他的石材制成品，比如說是路沿石、柱子、柱頭、雕刻、線條、臺階、臺面、拱門、窗臺、門框、石凳、石桌、洗手盆、車止石等等。 1.1異型石材的分類 1.1.1異型石材的分類 從大的分類可分為天然異型石材，人造石異型石材。從制作工藝分類由于異型石材制品可以指除了石頭平板材以外的所有的石材制成品，所以其種類非常的繁多，分類也很多。 1.1.2按加工方法分 1）.立體異型石材產(chǎn)品：包括立體的人像、動物、抽象、以及其他題材或造型的石雕品， 平面浮雕，帶雕刻的柱子、柱頭、柱座，雕刻家具，欄桿扶手，石頭壁爐，花盆花瓶，墓碑，噴泉，帶雕刻的窗套門套，工藝品等等?？梢允且?guī)則的對稱產(chǎn)品，也可 以是不規(guī)則的非對稱產(chǎn)品。其中立體類的異型石材的加工方式主要方式是：劈、剁、磨、鏟、鑿、鉆等，并可以是通過手工加工完成，或是采用機械化加工來實現(xiàn)。 2）.平面異型石材產(chǎn)品：如像是廚衛(wèi)的臺面板，常規(guī)的石材線條，水刀拼花板材，工作臺面板和桌面，常規(guī)的路沿石，拐 角等等，其形狀可以是對稱的，也可以是不對稱的。平面型的異型石材其加工相對來說比較簡單，主要通過切、磨、拋光等簡單的加工工序就能生產(chǎn)出來；其主要是 由機器加工完成的。 3）.曲面板材產(chǎn)品：比如弧型板、圓柱、規(guī)則弧度的曲線線條等，其形狀基本是對稱的。曲面異型石材的加工也是相對來 說比較簡單（會比平面異型石材難度大些），主要通過切、磨、拋等簡單加工完成，但是其設備教先進，是專門用來加工曲線截面的（比如說金剛石繩鋸），其主要 也是由機器加工完成的。 1.1.3按截面尺寸分 1）.等截面異形產(chǎn)品：即無論主體的形狀及其截面的是怎樣的，按柱體軸線的垂直面來剖開，其所得的各截面圖是相同的，即為等截面異形石材。等截面異形石材是一種對稱的異型石材。 2）.非等截面異形產(chǎn)品：是指無論主體的形狀及其截面的是怎樣的，如果按柱體軸線的垂直面來剖開，其所得的各截面圖是并沒有處處相同的，則是非等截面異形石材。非等截面異形石材是非對稱異型石材，其主要是有著復雜結(jié)構(gòu)的石材產(chǎn)品。 3.此外還有其他的一些分類方法。 1.2異形石材的裝飾效果 隨著經(jīng)濟的發(fā)展、生活水平的提高以及審美觀念的變化，現(xiàn)今人們更推崇自然而且華麗高貴的裝飾效果。石材制品以其獨特的天然花色紋理，優(yōu)異的物理性質(zhì)及加工 性能和華麗莊重的裝飾效果，贏得了廣大消費者的青睞，被廣泛的用于建筑安裝、家居裝飾、藝術(shù)雕刻、生活用具等方面，特別是在建筑裝飾的使用，像是門套窗 套、羅馬柱、噴泉、拱門、雕刻、拼花等等，襯托出建筑物的高雅莊重大氣，已經(jīng)成了高級身份的象征，更是奪得可廣大消費者和設計師所的芳心，使用量年年激 增。而且各種異形天然石材憑借著其藝術(shù)性，猶如畫龍點睛一般，更添加了整個建筑的高雅華貴的檔次和藝術(shù)氣息。還有像一些藝術(shù)洗手盆、花湓、茶幾、壁爐、雕 刻等生活裝飾用品越來越多的融入到人們的生活，更增強了人們的生活品質(zhì)和藝術(shù)格調(diào)。 1.3異形石材加工的損耗介紹 天然石材異型制品的加工流程比較復雜，也很煩瑣，這里就不按流程來介紹各種異型石材的加工損耗情況，而是按不同的異石材種類整體介紹一下各類異型石材加工的損耗情況。 1. 石材荒料加工成圓形石材（原柱體），損耗通常在20%-70%。 2. 石材荒料雕刻為異型雕刻品，損耗通常為40%-75% 3. 圓形石材加工成花瓶，損耗通常為40%-60% 4. 圓形石材加工成圓形桌面，損耗通常為40%-50% 5. 圓形石材加工成圓形凳子，損耗通常為30%-40% 6. 石材荒料加工成圓球，損耗通常為50%-60% 7. 石板材加工成煙灰缸，損耗通常為35%-75% 8. 圓形石材加工成蠟燭臺架，損耗通常為45%-80% 9. 圓形石材加工成罐子，損耗通常為50%-70% 10. 石材荒料加工成橢圓型球體，損耗通常為45%-60% 11. 圓形石材加工成圓盤狀（類）器具，損耗通常為30%-40% 12. 石板材加工成方盤狀（類）器具，損耗通常為20%-30% 13. 圓形石材加工成梭狀柱體，損耗通常為20%-50% 天然石材異型類產(chǎn)品的損耗情況受石材性質(zhì)、加工工具、加工方法、產(chǎn)品造型和工藝技術(shù)等許多方面的影響，所以同一產(chǎn)品有時不同工廠生產(chǎn)，損耗的差異度也很大，所以以上數(shù)據(jù)僅供大家參考。 1.4石材加工機械分類 1. 按生產(chǎn)工藝過程分類 石材機械可分為石材開采機械、石材加工機械、石材裝修機械、石材維護機械、石材加工工具、石材檢測機械等，另外還有一些工具和輔具，如金剛石鋸片、磨具、磨料、石材化學防護用品、各類石材監(jiān)測儀器等。 2. 按加工工藝分類 包括切機和鉆機。如切機，在切割石材毛板，現(xiàn)場裝修、檢測時都會用到裝有金剛石節(jié)塊（或整邊）圓鋸片的切機；再如鉆機，在礦山取樣、加工鉆孔、裝修、藝術(shù)品雕刻時也會用上各類不同的鉆機等。 3. 按刀具材料分類 如使用金剛石、立方氮化硼等作磨料制作的石材加工工具統(tǒng)稱為超硬材料工具；使用石材碎料制作的合成石設備稱為合成石生產(chǎn)線等。 石材機械舉例 【勘查與礦山設計階段】 地質(zhì)鉆機、地鉆機、放射性檢測儀、樣品分析儀、裂石機等 【石材開采階段】 鑿巖機、金剛石繩鋸、桅桿吊、頂石機、汽車吊、挖掘機、鏈式推機、空壓機、鏈臂鋸等。 【石材加工階段】 砂鋸、圓盤鋸、框架鋸、磨機、異型加工機、抹膠機、板材加工流水線、合成石流水線、金剛石工具等 【石材裝飾裝修設計】 CAD軟件、數(shù)碼相機、計算機、掃描儀、激光劃線儀等 【石材裝飾裝修階段】 墻鋸、清洗機、翻新機、化學錨栓、干掛件、放線儀等 【石材檢測階段】 壓力機、放射性檢測儀、卡尺、鋼直尺、耐磨儀等 【石材維修與防護】 石材翻新機、清洗機、吸水機、光澤度檢測儀等 【石材綜合利用】 合成石生產(chǎn)流水線、過濾機、凈水機、石材沖壓機、石材制磚機等 1.5國內(nèi)異形石材加工機械設備現(xiàn)狀與發(fā)展 目前，國內(nèi)石材異型加工設備有幾十種，但是與意大利等先進設備相比，還存在很大差距。國內(nèi)少數(shù)大型石材加工企業(yè)，近幾年從意大利引進數(shù)控異型加工設 備，進行復雜的異型石材加工，進口異型加工設備主要有石材加工中心、臥式數(shù)控加工機床、立式數(shù)控加工機床、數(shù)控臺面加工機床等。石材異型加工有許多工序， 即使是大企業(yè)，也是靠手工完成，特別是不規(guī)則形狀表面的磨拋光，基本上是靠手工完成。國產(chǎn)異型加工設備雖然有許多品種，但真正功能強的數(shù)控加工機床還沒 有。異型石材加工設備的發(fā)展空間較大，主要方向就是多維數(shù)控，異型石材的設備磨拋光技術(shù)，各種復雜空間曲面的加工設備及刀具，可以借鑒金屬數(shù)控加工設備的 結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)，用于石材異型加工設備。石材平面異型加工設備工藝較成熟，數(shù)控金剛石串珠繩鋸，數(shù)控水刀切割機，三維數(shù)控銑床等異型加工設備已經(jīng)成熟，并 廣泛應用于石材加工。圓弧石材、球形石材的切割及磨拋技術(shù)相對成熟。異型磨邊設備（特別是各種圓弧邊），近幾年不斷推向市場，并實現(xiàn)了多頭連續(xù)磨削、磨 光，設備化水平不斷提高。 國內(nèi)石材設備發(fā)展趨勢 從國外石材設備近年來的發(fā)展和在國內(nèi)石材行業(yè)中的應用，目前國內(nèi)石材設備的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在三個方面： 1、石材設備向高效方面發(fā)展，如在鋸片數(shù)量上增加； 2、石材設備向自動化方面發(fā)展，如數(shù)控技術(shù)在石材加工設備的廣泛運用； 3、石材設備向環(huán)境化發(fā)展，如金剛石串珠繩鋸，高壓水射流等環(huán)保加工設備的研制與應用。 可以預見，隨著石材加工技術(shù)及裝備的進步，石材加工企業(yè)將朝著工廠化、管理信息化、優(yōu)質(zhì)低耗的方向發(fā)展，而高效以及自動化依然是石材設備發(fā)展的永恒主題！ 86 第2章 石材立式球磨機總體結(jié)構(gòu)設計 2.1 石材立式球磨機的構(gòu)成 該機在整體結(jié)構(gòu)的主要零部件有底座基礎、縱向?qū)к墶M向?qū)к?、支柱、切削頭、旋轉(zhuǎn)工作臺、控制箱、等組成。其中底座基礎上安裝有地腳螺栓，縱向?qū)к壷误w通過地腳螺栓與基礎體固定在一起。 該機分為主運動系統(tǒng)、橫向進給系統(tǒng)（X向）、縱向進給系統(tǒng)（Y向）、豎直進給系統(tǒng)（Y向）、 工作原理:機器工作時，主電機運動將動力通過帶輪傳遞給主軸，主軸帶動磨塊高速磨削工作臺上的工件。通過縱向?qū)к壓蜋M向?qū)к墝崿F(xiàn)刀具的上下運動和左右運動。其中主動電機固定在滑塊14上。工作臺還可以在水平面內(nèi)自身旋轉(zhuǎn)360度。整機的運動是在PLC的控制下進行的，進而實現(xiàn)了對工件加工的連續(xù)性和自動化. 2.2 球磨機磨削部分計算 2.2.1 同步帶計算選型 設計功率是根據(jù)需要傳遞的名義功率、載荷性質(zhì)、原動機類型和每天連續(xù)工作的時間長短等因素共同確定的，表達式如下： 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2.工作情況系數(shù) 1） 確定帶的型號和節(jié)距 可根據(jù)同步帶傳動的設計功率Pd'和小帶輪轉(zhuǎn)速n1，由同步帶選型圖中來確定所需采用的帶的型號和節(jié)距。 其中Pd=0.63kw，n1=56rpm。查表3-2-2 表3-2-2 選同步帶的型號為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm 1） 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。 實際齒數(shù)應該大于這個數(shù)據(jù) 初步取值z1=34故大帶輪齒數(shù)為：z2=i×z1=1×z1=34。 故z1=34，z2=34。 ① 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≈86.53mm ② 驗證帶速v 由公式v=πd1n1/60000計算得， s﹤vmax=40m/s,其中vmax=40m/s由表3-2-4查得。 a) 確定帶長和中心矩 根據(jù)《機械設計基礎》得 所以有： 現(xiàn)在選取軸間間距為取224mm 10、同步帶帶長及其齒數(shù)確定 =() = =719.7mm 11、帶輪嚙合齒數(shù)計算 有在本次設計中傳動比為1，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=17。 12、基本額定功率的計算 查基準同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步帶的基準額定功率為 ==0.21KW 表2-3 基準寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量 13、計算作用在軸上力 = =71.6N 2.2.2 同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 1、同步帶的節(jié)線長度 同步帶工作時，其承載繩中心線長度應保持不變，因此稱此中心線為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線周長作為帶的公稱長皮，稱為節(jié)線長度。在同步帶傳動中，帶節(jié)線長度是一個重要 參數(shù)。當傳動的中心距已定時，帶的節(jié)線長度過大過小，都會影響帶齒與輪齒的正常嚙合，因此在同步帶標準中，對梯形齒同步帶的各種哨線長度已規(guī)定公差值，要求所生產(chǎn)的同步帶節(jié)線長度應在規(guī)定的極限偏差范圍之內(nèi)（見表2-4）。 表2-4 帶節(jié)線長度表 2、帶的節(jié)距Pb 如圖4-2所示，同步帶相鄰兩齒對應點沿節(jié)線量度所得約長度稱為同步帶的節(jié)距。帶節(jié)距大小決定著同步帶和帶輪齒各部分尺寸的大小，節(jié)距越大，帶的各部分尺寸越大，承載能力也隨之越高。因此帶節(jié)距是同步帶最主要參數(shù)．在節(jié)距制同步帶系列中以不同節(jié)距來區(qū)分同步帶的型號。在制造時，帶節(jié)距通過鑄造模具來加以控制。梯形齒標準同步帶的齒形尺寸見表2-5。 3、帶的齒根寬度 一個帶齒兩側(cè)齒廓線與齒根底部廓線交點之間的距離稱為帶的齒根寬度，以s表示。帶的齒根寬度大，則使帶齒抗剪切、抗彎曲能力增強，相應就能傳動較大的裁荷。 圖2-2 帶的標準尺寸 表2-5 梯形齒標準同步帶的齒形尺寸 4、帶的齒根圓角 帶齒齒根回角半徑rr的大小與帶齒工作時齒根應力集中程度有關t齒根圓角半徑大，可減少齒的應力集中，帶的承載能力得到提高。但是齒根回角半徑也不宜過大，過大則使帶 齒與輪齒嚙合時的有效接觸面積城小，所以設計時應選適當?shù)臄?shù)值。 5、帶齒齒頂圓角半徑八 帶齒齒項圓角半徑八的大小將影響到帶齒與輪齒嚙合時會否產(chǎn)生于沙。由于在同步帶傳動中，帶齒與帶輪齒的嚙合是用于非共扼齒廓的一種嵌合。因此在帶齒進入或退出嚙合時， 帶齒齒頂和輪齒的頂部拐角必然會超于重疊，而產(chǎn)生干涉，從而引起帶齒的磨損。因此為使帶齒能順利地進入和退出嚙合，減少帶齒頂部的磨損，宜采用較大的齒頂圓角半徑。但與齒根圓角半徑一樣，齒頂圓角半徑也不宜過大，否則亦會減少帶齒與輪齒問的有效接觸面積。 6、齒形角 梯形帶齒齒形角日的大小對帶齒與輪齒的嚙合也有較大影響。如齒形角霹過小，帶齒縱向截面形狀近似矩形，則在傳動時帶齒將不能順利地嵌入帶輪齒槽內(nèi)，易產(chǎn)生干涉。但齒形角度過大，又會使帶齒易從輪齒槽中滑出，產(chǎn)生帶齒在輪齒頂部跳躍現(xiàn)象。 2.2.3 同步帶的設計 在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表2-6。帶的圖形如圖2-3。 表2-6 同步帶尺寸 型號 節(jié)距 齒形角 齒根厚 齒高 齒根圓角半徑 齒頂圓半徑 H 8 40。 6.12 4.3 1.02 1.02 圖2-3 同步帶 2.2.4 同步帶輪的設計 同步帶輪的設計的基本要求 1、保證帶齒能順利地嚙入與嚙出 由于輪齒與帶齒的嚙合同非共規(guī)齒廓嚙合傳動，因此在少帶齒頂部與輪齒頂部拐角處的干涉，并便于帶齒滑入或滑出輪齒槽。 2、輪齒的齒廊曲線應能減少嚙合變形，能獲得大的接觸面積，提高帶齒的承載能力即在選探輪齒齒廓曲線時，應使帶齒嚙入或嚙出時變形小，磨擦損耗小，并保證與帶齒均勻接觸，有較大的接觸面積，使帶齒能承受更大的載荷。 3、有良好的加了工藝性 加工工藝性好的帶輪齒形可以減少刀具數(shù)量與切齒了作員，從而可提高生產(chǎn)率，降低制造成本。 4、具有合理的齒形角 齒形角是決定帶輪齒形的重要的力學和幾何參數(shù)，大的齒形角有利于帶齒的順利嚙入和嚙出，但易使帶齒產(chǎn)生爬齒和跳齒現(xiàn)象；而齒形角過小，則會造成帶齒與輪齒的嚙合干涉，因此輪齒必須選用合理的齒形角。 同步帶輪的設計結(jié)果 同步帶輪用梯形齒，其圖形如圖2-4。 圖 2-4 同步帶輪 第3章 主軸組件要求與設計計算 主軸組件是砂輪磨頭的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動砂輪旋轉(zhuǎn)，完成表面成形運動，同時還起傳遞運動和扭矩、承受切削力和驅(qū)動力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到砂輪磨頭的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，因此它是砂輪磨頭中的一個關鍵組件。 主軸和一般傳動軸的相同點是，兩者都傳遞運動、扭矩并承受傳動力，都要保證傳動件和支承的正常工件條件，但主軸直接承受切削力，還要帶動工件或刀具，實現(xiàn)表面成形運動，因此對主軸有較高的要求。 3.1 主軸的基本要求 3.1.1 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在手動或低速、空載時，主軸前端定位面的徑向跳動△r、端面跳動△a和軸向竄動值△o。如圖3-1所示：圖中實線表示理想的旋轉(zhuǎn)軸線，虛線表示實際的旋轉(zhuǎn)軸線。當主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的漂移量即為運動精度。 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；運動精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能和潤滑以及主軸部件的動態(tài)特性。各類通用砂輪磨頭主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在砂輪磨頭精度標準中作了規(guī)定，專用砂輪磨頭主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度則根據(jù)工件精度要求確定。 圖3-1 主軸的旋轉(zhuǎn)誤差 3.1.2 剛度 主軸組件的剛度K是指其在承受外載荷時抵抗變形的能力，如圖3-2所示，即K=F/y（單位為N/m），剛度的倒數(shù)y/F稱為柔度。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；在傳動質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動齒輪的嚙合狀況，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力等作用下，產(chǎn)生過大的受迫振動，并容易引起切削自激振動，降低了工件的平穩(wěn)性。 圖3-2 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、軸承的類型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動件的布置方式、主軸組件的制造與裝配質(zhì)量等。 3.1.3 抗振性 主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的能力。在切削過程中，主軸組件不僅受靜載荷的作用，同時也受沖擊載荷和交變載荷的作用，使主軸產(chǎn)生振動。如果主軸組件的抗振性差，工作時容易產(chǎn)生振動，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，還會產(chǎn)生噪聲影響工作環(huán)境。隨著砂輪磨頭向高精度、高效率方向發(fā)展，對抗振性要求越來越高。 評價主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動和自激振動能力的大小。 3.1.4 溫升和熱變形 主軸組件工作時因各種相對運動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，稱為熱變形。熱變形應以主軸組件運轉(zhuǎn)一定時間后各部分位置的變化來度量。 主軸組件溫升和熱變形，使砂輪磨頭各部件間相對位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度砂輪磨頭尤為嚴重；熱變形造成主軸彎曲，使傳動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，間隙過小將加速齒輪和軸承等零件的磨損，嚴重時甚至會發(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：軸承的類型和布置方式，軸承間隙及預緊力的大小，潤滑方式和散熱條件等。 3.1.5 耐磨性 主軸組件的耐磨性是指長期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主軸組件各個滑動表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動軸承配合的軸頸表面，移動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，應該正確地選用主軸和滑動軸承的材料及熱處理方法、潤滑方式，合理調(diào)整軸承間隙，良好的潤滑和可靠的密封。 3.2 主軸組件的布局 主軸組件的設計，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。 砂輪磨頭主軸有前、后兩個支承和前、中、后三個支承兩種，以前者較多見。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)對所設計主軸組件在轉(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、經(jīng)濟性等具體情況，加以確定。在選擇時，具體有以下要求： （1）適應剛度和承載能力的要求 主軸軸承選型應滿足所要求的剛度和承載能力。徑向載荷較大時，可選用滾子軸承；較小時，可選用球軸承。雙列滾動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軸承的支承剛度和承載能力，比采用單個軸承大。一般來說，前支承的剛度，應比后支承的大。因為前支承剛度對主軸組件剛度的影響要比后支承的大。表2-1所示為滾動軸承和滑動軸承的比較。 表2-1 滾動軸承和滑動軸承的比較 基本要求 滾動軸承 滑動軸承 動壓軸承 靜壓軸承 旋轉(zhuǎn)精度 精度一般或較差。可在無隙或預加載荷下工作。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 僅與軸承型號有關，與轉(zhuǎn)速、載荷無關，預緊后可提高一些 隨轉(zhuǎn)速和載荷升高而增大 與節(jié)流形式有關，與載荷轉(zhuǎn)速無關 承載能力 一般為恒定值，高速時受材料疲勞強度限制 隨轉(zhuǎn)速增加而增加，高速時受溫升限制 與油腔相對壓差有關，不計動壓效應時與速度無關 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 高速受疲勞強度和離心力限制，低中速性能較好 中高速性能較好。低速時形不成油漠，無承載能力 適應于各種轉(zhuǎn)速 摩擦功耗 一般較小，潤滑調(diào)整不當時則較大f=0.002～0.008 較小f=0.001~0.08 本身功耗小，但有相當大的泵功耗f=0.0005～0.001 噪聲 較大 無噪聲 本身無噪聲，泵有噪聲 壽命 受疲勞強度限制 在不頻繁啟動時，壽命較長 本身壽命無限，但供油系統(tǒng)的壽命有限 （2）適應轉(zhuǎn)速要求 由于結(jié)構(gòu)和制造方面的原因，不同型號和規(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，精度等級越低，允許的最高轉(zhuǎn)速越低。在承受徑向載荷的軸承當中，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，應綜合考慮轉(zhuǎn)速和承載能力兩方面要求來選擇軸承型式。 （3）適應精度的要求 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，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；后端定位的特點與前述的相反；兩端定位時，主軸受熱伸長后，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。 （4）適應結(jié)構(gòu)的要求 當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，則可在一個支承（尤其是前支承）中配置兩個或兩個以上的軸承。 對于軸間距很小的多主軸砂輪磨頭，由于結(jié)構(gòu)限制，宜采用滾針軸承來承受徑向載荷，用推力球軸承來承受軸向載荷，并使兩軸承錯開排列。 （5）適應經(jīng)濟性要求 確定主軸軸承配置型式，除應考慮滿足性能和結(jié)構(gòu)方面要求外，還應作經(jīng)濟性分析，使經(jīng)濟效果好。 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配置型式成本低，因為前者節(jié)省了兩個軸承，而且箱體工藝性較好。 綜合考慮以上因素，本設計的主軸采用前、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級精度；后支承采用圓柱滾子軸承，E級精度。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），具有較高的剛度；兩列滾子交錯布置，減少了剛度的變化量；外圈無擋邊，加工方便；軸承內(nèi)孔為錐孔，錐度為1：12，軸向移動內(nèi)圈使之徑向變形，調(diào)整徑向間隙和預緊；黃銅實體保持架，利于軸承散熱。前支承的總體特點是：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。 3.3 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、傳動件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)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，一般在砂輪磨頭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，主要取決于砂輪磨頭的類型。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。它的形狀決定于砂輪磨頭的類型、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。 3.4 主軸的材料與熱處理 主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點、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（2.1×10N/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，或者精密砂輪磨頭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（HRC48～54）.有關45鋼主軸熱處理情況如下表3-2所列： 表3-2 使用滾動軸承的45鋼主軸熱處理等參數(shù) 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 45 50 調(diào)質(zhì) HB220～250 輕中負載局部要求高硬度 磨床的砂輪軸 45 50 高頻淬火 HRC52～58 輕中負載PV≤40（N·m/cm·s） 車、鉆、銑、磨床的主軸 45 50 淬火回火高頻淬火 HRC42～50 HRC52～58 此次設計的砂輪磨頭主軸，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3-2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，HRC52～58。 3.5 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(shù)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(zhuǎn)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(zhì)量。 對于普通精度級砂輪磨頭的主軸，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1/4～1/2。 （2）內(nèi)錐孔 內(nèi)錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗砂輪磨頭精度時，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(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，此乃綜合指標；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。 3.6 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D1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(zhuǎn)速的限制，甚至為砂輪磨頭結(jié)構(gòu)所不允許。 通常，主軸前軸頸直徑D1可根據(jù)傳遞功率，并參考現(xiàn)有同類砂輪磨頭的主軸軸頸尺寸確定。查《金屬切削砂輪磨頭設計》第506頁表5-12中，幾種常見的通用砂輪磨頭鋼質(zhì)主軸前軸頸的直徑D1，可供參考，如下表3-3所示： 砂輪磨頭，查上表中對應項，初取D1= D2=30。 表3-3 主軸前軸頸直徑D1的選擇 機床 機床功率 （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 3.7 主軸前后軸承的選擇 根據(jù)前述關于軸承的選擇原則，查《金屬切削設計簡明手冊》第375頁，選取主軸前支承的36206是舊型號，新型號是7206C，即接觸角為15°的角接觸球軸承。 圖3-6 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸 3.8 軸承的選型及校核 滾動軸承的選擇包括軸承類型選擇、軸承精度等級選擇和軸承尺寸選擇。 軸承類型選擇適當與否，直接影響軸承壽命以至機器的工作性能。選擇軸承類型時應當分析比較各類軸承的特性，并參照同類機器中的軸承使用經(jīng)驗。 在選擇軸承類型時，首先要考慮載荷的大小、方向以及軸的轉(zhuǎn)速。一般說來，球軸承便宜，在載荷較小時，宜優(yōu)先選用。滾子軸承的承載能力比球軸承大，而且能承受沖擊載荷，因此在重載荷或受有振動、沖擊載荷時，應考慮選用滾子軸承。但要注意滾子軸承對角偏斜比較敏感。 當主要承受徑向載荷時，應選用向心軸承。當承受軸向載荷而轉(zhuǎn)速不高時，可選用推力軸承；如轉(zhuǎn)速較高，可選用角接觸球軸承。當同時承受徑向裁荷和軸向載荷時，若軸向載荷較小，可選用向心球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承；若軸向載荷較大，而轉(zhuǎn)速不高，可選用推力軸承和向心軸承的組合方式，分別承受軸向載荷和徑向載荷；’當軸向載荷較大，且轉(zhuǎn)速較高時，則應選用接觸角較大的角接觸軸承。 各類軸承適用的轉(zhuǎn)速范圍是不相同的，在機械設計手冊中列出了各類軸承的極限轉(zhuǎn)速。一般應使軸承在低于極限轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。向心球軸承、角接觸球軸承和短圓柱痞子軸承的極限轉(zhuǎn)速較高。適用于較高轉(zhuǎn)速場合。推力軸承的極限轉(zhuǎn)速較低．只能用于較低轉(zhuǎn)速場合。 其次，在選擇軸承類型時還需考慮安裝尺寸限制、裝拆要求，以及軸承的調(diào)心件能和風度，一般球軸承外形尺寸較大，滾子軸承較小，滾針軸承的徑向尺寸最小而軸向尺寸較大，此外，不同系列的軸承，其外形尺寸也不相同。 選擇軸承一般應根據(jù)機械的類型、工作條件、可靠性要求及軸承的工作轉(zhuǎn)速n，預先確定一個適當?shù)氖褂脡勖麹b (用工作小時表示)，再進行額定動裁荷和額定靜載荷的計算。 對于轉(zhuǎn)速較高的軸承(n>10r／min),可按基本額定動載荷計算值選擇軸承，然后校核其額定靜載荷是否滿足要求。當軸承可靠性為90％、軸承材料為常規(guī)材料并在常規(guī)條件下運轉(zhuǎn)時，取500h作為額定壽命的基準，同時考慮溫度、振動、沖擊等變化，則軸承基本額定動載荷可按下式進行簡化計算。 C——基本額定動載荷計算值，N； P——當量動載荷，N； fh——壽命因數(shù)；1 fn——速度因數(shù)；0.822 fm——力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時取1.5，較大時取2； fd——沖擊載荷因數(shù)；1.5 fT——溫度因數(shù)；1 CT——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動載荷，N； 查文獻[3]中的表6-2-8至6-2-12，得，fh=1；fn=0.822；fm=1.5；fd=1.5；fT=1。 在本輸送裝置中，可以假設軸承只承受徑向載荷，則當量動載荷為： P=XFr+YFa 查文獻[3]的表6-2-18，得，X=1，Y=0； 所以，P=Fr=1128N。由以上可得： 本輸送機中的軸承承受的載荷多為徑向載荷，所以選取深溝球軸承，查文獻[6]的附表6-1，并考慮軸的外徑，選取軸承6305-RZ，其具體參數(shù)為：內(nèi)徑d=25mm，外徑D=62mm，基本額定載荷，基本額定靜載荷，極限速度為10000r/min，質(zhì)量為0.219kg。 然后校核該軸承的額定靜載荷。額定靜載荷的計算公式為： 式中： ——基本額定靜載荷計算值，N; ——當量靜載荷，N； ——安全因數(shù) ——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷，N。 查文獻[3]的表6-2-14知，對于深溝球軸承，其當量靜載荷等于徑向載荷。 查文獻[3]的表6-2-14知，安全系數(shù) 則軸承的基本額定靜載荷為： 由上式可知，選取的軸承符合要求。 3.9 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到主軸前端受力作用點之間的距離，它對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，一般應按標準選取，有時為了提高主軸剛度或定心精度，也可不按標準取。 另外，主軸前端懸伸量a還與前支承中軸承的類型及組合型式、工件或夾具的夾緊方式以及前支承的潤滑與密封裝置的結(jié)構(gòu)尺寸等有關。 因此，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，應盡可能減小懸伸量a，以利于提高主軸組件的剛度。 初算時，可查《金屬切削砂輪磨頭設計》第158頁，如下表3-4所示： 表3-4 主軸的懸伸量與直徑之比 類型 機 床 和 主 軸 的 類 型 a/ D1 Ⅰ 通用和精密車床，自動車床和短主軸端銑床，用滾動軸承支承，適用于高精度和普通精度要求 0.6～1.5 Ⅱ 中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸量不太長（不是細長）的精密鏜床和內(nèi)圓磨，用滾動和滑動軸承支承，適用于絕大部分普通生產(chǎn)的要求 1.25～2.5 Ⅲ 孔加工砂輪磨頭，專用加工細長深孔的砂輪磨頭，由加工技術(shù)決定需要有長的懸伸刀桿或主軸可移動，由于切削較重而不適用于有高精度要求的砂輪磨頭 >2.5 根據(jù)上表所列，所設計的砂輪磨頭屬于Ⅱ型，所以取a/ D1為1.25～2.5，即： a=（1.25～2.5）D1=（1.25～2.5）×30=37.5～75 初取a=45。 3.10 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?？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，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=（4～5）D1 （2） L=（3～5）a，用于懸伸長度較小時； （3） L=（1～2）a，用于懸伸長度較大時。 根據(jù)此次設計的砂輪磨頭剛性主軸的懸伸量較大，取L≤2.5a為宜。即此次設計的主軸兩支承的合理跨距 L≤2.5a=2.5×120=300 初取L=280。 3.11 主軸結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)以上的分析計算，可初步得出主軸的結(jié)構(gòu)如圖3-7所示： 圖3-7 主軸結(jié)構(gòu)圖 3.12 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。 3.12.1 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3-8所示；若前支承有兩個以上滾動軸承，可認為主軸在前支承處無彎曲變形，可簡化為固定端梁，如圖3-9所示： 圖3-8 主軸組件簡化為簡支梁 圖3-9 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。 3.12.2 主軸的撓度 查《材料力學I》第188頁的表6.1，對圖2-9作更進一步的分析，如下圖2-10所示： 根據(jù)圖3-10，可得此時的最大撓度 = 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3-10 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。當主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時， I=。此處，D=35 故可計算出，主軸端部的最大撓度： =-1.87×10 mm 3.12.3 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(jù)圖2-10，可得此時的最大傾角 = 其中， F—主軸前端受力。此處，F(xiàn)=F·z=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。當主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時， I=。此處，D==133 故可計算出，主軸傾角為： =-2.3×10 rad 查《砂輪磨頭設計》第一冊中機械部分的第670頁，可知： 當 x≤0.0002L mm ≤0.001 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(shù)據(jù)和代入，即可得： 初步設計的主軸滿足剛度要求。 第4章 X結(jié)構(gòu)及傳動設計 表 4-1滾珠絲桿副支承 支承方式 簡圖 特點 一端固定一端自由 結(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動 需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(jīng)濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。 4.1 X向滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)和直線運動進行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠滾動。 設X向最大行程為300mm,最快進給速度為18m/min,主軸箱大概質(zhì)量為50kg,工作臺大概質(zhì)量為80kg,移動部件大概質(zhì)量為30kg，工作臺最大行程為300mm。 4.1.1導程確定 電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機Y系列異步電動機的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導程為 取Ph=12mm 4.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 基本公式 最大進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 最小進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故 4.1.3估計工作臺質(zhì)量及負重 主軸箱重量 工作臺重量 移動部件重量 4.1.4確定絲桿的等效負載 工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計算（式中取，） 4.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 fw-------負載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1） fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1） fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1） Fm------等效負載 nz-------等效轉(zhuǎn)速 Th ----