立式銑床主軸及銑頭結(jié)構(gòu)設計,立式銑床主軸及銑頭結(jié)構(gòu)設計,立式,銑床,主軸,結(jié)構(gòu)設計 任務書 論文（設計）題目： 立式銑床主軸及銑頭的結(jié)構(gòu)設計 學號： 姓名： 專業(yè)： 指導教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 在本次畢業(yè)設計中，通過采用方案的對比進行方案的選擇，使設計進一步 更加具有可靠性。設計時必須遵守三項基本的原則：明確、簡單和安全可靠。其總的 目標是保證實現(xiàn)產(chǎn)品預期的功能，降低制造成本及保障人和環(huán)境的安全可靠。 本設計在面向機械設計手冊的應用中，完成主要的工作有： a) 確定初步設計方案，完成初步的理論設計 b) 確定設計方案，并完成相應的校核 c) 使用CAD完成繪圖任務 基于上面的任務，首先要完成相應相應的原理方案的選擇。功能塊建立之后，即可選 定各功能元的解，即各功能元對應的技術(shù)物理效應和功能載體。如果把功能載體根據(jù) 功能結(jié)構(gòu)進行合理組合，則可得到實現(xiàn)總功能的各種總體方案。原理方案首先是最重 要的，它對一個設計起著至關(guān)重要的作用。其次是結(jié)構(gòu)方案的確定，結(jié)構(gòu)方案應要求 功能可靠性、工作安全性和環(huán)境適應性等要求。通過這次設計，首先使我用到了以前 所學過的大部分知識，對各科的知識是個很好的鞏固。其次，對機器的總體布局有了 一個很好的實際把握，使自己對實際生產(chǎn)項目有了個很好的了解。再次，是對學過的 材料力學、理論力學等各種學科與實際的設計很好的結(jié)合起來，使自己明白了理論與 實際相結(jié)合的重要性。 由于時間的有限，該設計還存在很多缺陷，需要進一步學習，研究和改進。 二、重點研究的問題 立式銑床的主軸及銑頭結(jié)構(gòu)設計。方案的選擇，殼體的設計，傳動軸以及主軸的設計，裝配。 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 理解題目（看書，實物研究） 1-2周 2 軸徑的估算，材料選擇 3-4周 3 軸，齒輪的設計以及校核 5-7周 4 繪制裝配圖 7-9周 5 繪制零件圖 9-10周 6 寫設計計算說明書 11-13周 7 修改，準備答辯 13-14周 8 答辯 15周 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1]濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001. [2]濮良貴,紀名剛.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2001. [3]孫靖民,哈爾濱.機械優(yōu)化設計[M]：機械工業(yè)出版社，2005. [4]吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊[M].北京:高等教育出版社,1999. [5]陳秀,潘沛霖.機械設計課程設計圖冊 [M].北京,高等教育出版社，1989. [6]華楚生.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].重慶：重慶大學出版社，2003. [7]劉思寧. 大學生畢業(yè)設計全程指導[M]. 成都：西南交通出版社，2001 [8]王俊峰. 理工科學生怎樣搞畢業(yè)設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004. [9]甘永立. 幾何量公差與檢測[M]. 上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2005. [10] 馮辛安.機械制造裝備設計[M]（第二版）北京：機械工業(yè)出版社 2005 [11] 張普禮，機械加工設備 [M] 北京:機械工業(yè)出版社 1999 [12] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床設計 [M] 北京: 國防工業(yè)出版社 2003. [13] 戴曙.金屬切削機床設計 [M] 北京: 機械工業(yè)出版社 . [14]機床設計圖冊 上海紡織工學院 哈爾濱工業(yè)大學.機床設計手冊 [M] 上?？茖W技術(shù)出版社 [15] 葉邦彥，陳統(tǒng)堅. Mechanical Engineering English 北京: 機械工業(yè)出版社 說明書 題 目：立式銑床主軸及銑頭結(jié)構(gòu)設計 學 院： 專 業(yè)： 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 1 緒論 7 1.1課題研究的目的及意義 7 1.2國內(nèi)外機床的發(fā)展現(xiàn)狀 7 1.3機床的發(fā)展趨勢 9 1.4 目前銑床方面存在的一些問題 10 1.5立式升降臺銑床其主要組成部分 11 1.5.1 銑頭 11 1.5.2 主軸 11 1.5.3 工作臺 11 1.5.4 床鞍 12 1.5.5 升降臺 12 1.6 立銑頭結(jié)構(gòu) 12 1.7立銑頭結(jié)構(gòu)分析 13 2 總體設計 13 2.1 立銑頭的功能分析 13 2.2 方案的提出 14 2.3主軸軸承的調(diào)整 16 2.3詳細的設計 17 2.3.1分析擬定傳動方案 17 2.3.2選擇電動機 18 2.4銑床加工誤差、故障分析及排除方法 18 3.1 主軸的基本要求 20 3.1.1 旋轉(zhuǎn)精度 20 3.1.2 剛度 20 3.1.3 抗振性 21 3.1.4抵抗受迫振動的能力 21 3.1.5 抵抗切削自激振動的能力 21 3.1.6 溫升和熱變形 22 3.1.7耐磨性 22 3.1.8其它 23 3.2 主軸組件的布局 23 3.2.1適應剛度和承載能力的要求 23 3.2.2 適應精度的要求 24 3.2.3 適應結(jié)構(gòu)要求 24 3.2.4 適應經(jīng)濟性要求 25 3.3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 25 3.4 主軸的材料與熱處理 26 3.5 主軸的技術(shù)要求 26 3.5.1軸頸 27 3.5.2 內(nèi)錐孔 27 3.6 主軸結(jié)構(gòu)圖 27 3.7 主軸組件的潤滑和密封 27 3.7.1主軸組件的潤滑 27 3.7.2 主軸組件的密封 28 4.傳動件的選型及校核 29 4.1軸 29 4.1.1軸的擬定 29 4.1.2計算軸的功率、轉(zhuǎn)速及軸頸 29 4.1.3軸的強度校核計算 30 4.2齒輪 33 4.2.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 33 4.2.2計算齒輪參數(shù) 34 4.2.3驗算齒輪的彎曲強度 35 4.2.4計算主要幾何參數(shù) 35 4.2.5潤滑 35 4.3滾動軸承 36 4.4鍵的驗算 36 4.5軸的強度校核計算 37 4.5.1傳動軸校核計算 37 4.5.2主軸校核 38 5 結(jié)論 40 6參考文獻 41 7致 謝 42 42 摘 要 隨著制造業(yè)的發(fā)展，高速度、高效率、高精度和高剛度已經(jīng)成為當今機床發(fā)展的主要方向。為了滿足當前機床市場的需要，銑床已經(jīng)成為了當今機械行業(yè)一個重要的發(fā)展趨勢，特別是在工業(yè)制造，加工過程中有著舉足輕重的地位。在各式各樣的機床中，立式銑床有著獨特的加工對象。主要是對大型的平面、溝槽等進行銑削。在對銑床的研究中達到了一定的水平，從而銑床的主要配件立銑頭的研究在一定程度上也達到了空前的規(guī)模。通過以往的加工經(jīng)驗可以對立銑頭的研究在一定程度上有所改進，銑床主軸是靠齒輪進行傳動的。銑床銑頭的轉(zhuǎn)動方式有多種多樣，每種機床銑頭的形式都不盡相同。立銑頭的傳動方式也是多種多樣，立銑頭主軸傳動系統(tǒng)采用齒輪傳動，傳動形式采用集中式傳動，主軸變速系統(tǒng)采用多聯(lián)滑移齒輪變速。齒輪傳動具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比準確等優(yōu)點，齒輪機構(gòu)是現(xiàn)代機械中應用最廣泛的傳動機構(gòu)，用于傳遞空間任意兩軸或多軸之間的運動和動力?，F(xiàn)在的工業(yè)發(fā)展對銑削有了更加苛刻的要求，高精度、高速度、高效率、復合型、智能型等是今后發(fā)展的主要趨勢。 關(guān)鍵詞：銑床；齒輪傳動；傳動系統(tǒng)圖；立銑頭 Vertical Milling Machine Legislation Xitou Abstract With the development of the manufacturing sector, high-speed, high efficiency, high precision and high rigidity of the current machine has become the main direction. In order to meet the needs of the market at present machine, milling machine has become today's machinery industry an important development trend, especially in the industrial manufacturing, processing is a pivotal position. In all kinds of machine tools, vertical milling machine has the unique objects. The main is milling , such as the plane and groove act. Milling spindles is on the gear transmission. Milling head turns way each are not identical , The main axis milling machine is relying on the power transmission gear. Spindle drive system using gear transmission, transmission using centralized form of transmission, multi-spindle transmission system of sliding gear transmission. Gear transmission with high efficiency, compact, reliable, long life and accurate transmission than the advantages of modern machinery is gearing the application of the most extensive transmission mechanism for the transfer of space or any multi-axis between the two axes of movement and Momentum. Key Words : Milling machine ; gear transmission ; vertical milling head ; Transmission systems 1 緒論 1.1課題研究的目的及意義 在我國的各個工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門，科研單位和國防部門中，使用著大量各式各樣的機器，儀器和工具。這些機器，儀器和工具大部分是由一定形狀和尺寸的金屬零件所組成，生產(chǎn)這些零件并將它們裝配成機器，儀器和工具的工業(yè)，稱為機械制造工業(yè)。機械制造工業(yè)的任務，就是為國民經(jīng)濟各部門，科研單位和國防部門提供現(xiàn)代化的技術(shù)裝備。如果我們沒有強大而完整的現(xiàn)代化機械制造工業(yè)，就無法用現(xiàn)代化的裝備來武裝各個國民經(jīng)濟部門，科研單位和國防部門，就不能獨立而迅速地發(fā)展我們國家的制造水平，這樣會被國外的先進技術(shù)所替代，我們的國家就會落后，進而陷入沒有自主產(chǎn)權(quán)的地步。銑床主要是利用刀具的旋轉(zhuǎn)將工件表面多余的部分一層一層的切削而除去，從而形成具有一定尺寸，形狀和精度的工件。在一般的生產(chǎn)體系中，銑床的加工范圍占整個機器生產(chǎn)的重要部分，一個高效而精確的銑頭是銑床切削毛坯必不可少的配置。銑床立銑頭可繞水平軸在垂直平面內(nèi)作回轉(zhuǎn)調(diào)整，因而可銑削斜面；機床采用分度頭和圓形工作臺時，可銑削齒輪﹑鉸刀和鉆頭的螺旋面，以及凸輪和圓弧槽等；由于是多到斷續(xù)切削，因而銑床的切削效率高。它的這種高效率和特殊的加工方法使得我們不斷的研究和探索有關(guān)它的各種相關(guān)的配置及各式各樣的機床。 1.2國內(nèi)外機床的發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發(fā)明與應用，計算機及控制技術(shù)在機械制造設備中的應用是世紀內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進步。自從1952年美國第1臺數(shù)控銑床問世至今已經(jīng)歷了50個年頭。 數(shù)控設備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專用機床，形成龐大的數(shù)控制造設備家族，每年全世界的產(chǎn)量有10～20萬臺，產(chǎn)值上百億美元。 世界制造業(yè)在20世紀末的十幾年中經(jīng)歷了幾次反復，曾一度幾乎快成為夕陽工業(yè)，所以美國人首先提出了要振興現(xiàn)代制造業(yè)。90年代的全世界數(shù)控機床制造業(yè)都經(jīng)過重大改組。如美國、德國等幾大制造商都經(jīng)過較大變動，從90年代初開始已出現(xiàn)明顯的回升，在全世界制造業(yè)形成新的技術(shù)更新浪潮。如德國機床行業(yè)從2000年至今已接受3個月以后的訂貨合同，生產(chǎn)任務飽滿。 我國數(shù)控機床制造業(yè)在80年代曾有過高速發(fā)展的階段，許多機床廠從傳統(tǒng)產(chǎn)品實現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型。但總的來說，技術(shù)水平不高，質(zhì)量不佳，所以在90年代初期面臨國家經(jīng)濟由計劃性經(jīng)濟向市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)移調(diào)整，經(jīng)歷了幾年最困難的蕭條時期，那時生產(chǎn)能力降到50％，庫存超過4個月。從1995年“九五”以后國家從擴大內(nèi)需啟動機床市場，加強限制進口數(shù)控設備的審批，投資重點支持關(guān)鍵數(shù)控系統(tǒng)、設備、技術(shù)攻關(guān)，對數(shù)控設備生產(chǎn)起到了很大的促進作用，尤其是在1999年以后，國家向國防工業(yè)及關(guān)鍵民用工業(yè)部門投入大量技改資金，使數(shù)控設備制造市場一派繁榮。從2000年8月份的上海數(shù)控機床展覽會和2001年4月北京國際機床展覽會上，也可以看到多品種產(chǎn)品的繁榮景象。但也反映了下列問題： （1）低技術(shù)水平的產(chǎn)品競爭激烈，相互靠壓價促銷； （2） 高技術(shù)水平、全功能產(chǎn)品主要靠進口； （3） 配套的高質(zhì)量功能部件、數(shù)控系統(tǒng)附件主要靠進口； （4） 應用技術(shù)水平較低，聯(lián)網(wǎng)技術(shù)沒有完全推廣使用； （5） 自行開發(fā)能力較差，相對有較高技術(shù)水平產(chǎn)品主要靠引進圖紙、合資生產(chǎn)或進口件組裝。 當今世界工業(yè)國家數(shù)控機床的擁有量反映了這個國家的經(jīng)濟能力和國防實力。目前我國是全世界機床擁有量最多的國家（近300萬臺），但我們的機床數(shù)控化率僅達到1.9％左右，這與西方工業(yè)國家一般能達到20％的差距太大。日本不到80萬臺的機床卻有近10倍于我國的制造能力。數(shù)控化率低，已有數(shù)控機床利用率、開動率低，這是發(fā)展我國21世紀制造業(yè)必須首先解決的最主要問題。每年我們國產(chǎn)全功能數(shù)控機床3000～4000臺，日本1年產(chǎn)5萬多臺數(shù)控機床，每年我們花十幾億美元進口7000～9000臺數(shù)控機床，即使這樣我國制造業(yè)也很難把行業(yè)中數(shù)控化率大幅度提上去。因此，國家計委、經(jīng)貿(mào)委從“八五”、“九五”就提出數(shù)控化改造的方針，在“九五”期間，我協(xié)會也曾做過調(diào)研。當時提出數(shù)控化改造的設備可達8～10萬臺，需投入80～100億資金，但得到的經(jīng)濟效益將是投入的5～10倍以上。因此，這兩年來承擔數(shù)控化改造的企業(yè)公司大量涌現(xiàn)，甚至還有美國公司加入?！笆濉眲倓傞_始，國防科工委就明確提出了在軍工企業(yè)中投入6.8億元，用于對1.2～1.8萬臺機床的數(shù)控化改造。 數(shù)控技術(shù)經(jīng)過50年的2個階段和6代的發(fā)展： 第1階段：硬件數(shù)控（NC） 第1代：1952年的電子管 第2代：1959年晶體管分離元件 第3代：1965年的小規(guī)模集成電路。第2階段：軟件數(shù)控（CNC） 第4代：1970年的小型計算機 第5代：1974年的微處理器 第6代：1990年基于個人PC機（PC－BASEO） 第6代的系統(tǒng)優(yōu)點主要有： (1) 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達到５萬小時以上； (2) 基于PC平臺，技術(shù)進步快，升級換代容易； (3) 提供了開放式基礎(chǔ)，可供利用的軟、硬件資源豐富，使數(shù)控功能擴展到很寬的領(lǐng)域（如CAD、CAM、CAPP，連接網(wǎng)卡、聲卡、打印機、攝影機等）； (4) 對數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化了硬件。 目前，國際上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠是日本FANUC公司，1年生產(chǎn)5萬套以上系統(tǒng)，占世界市場約40％左右，其次是德國的西門子公司約占15％以上，再次是德海德漢爾，西班牙發(fā)格，意大利菲亞，法國的NUM，日本的三菱、安川。 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)廠家主要有華中數(shù)控、北京航天機床數(shù)控集團、北京凱恩帝、北京凱奇、沈陽藝天、廣州數(shù)控、南京新方達、成都廣泰等，國產(chǎn)數(shù)控生產(chǎn)廠家規(guī)模都較小，年產(chǎn)都還沒有超過300～400套。 近10年數(shù)控機床為適應加工技術(shù)發(fā)展，在以下幾個技術(shù)領(lǐng)域都有巨大進步。 (1) 高速化 由于高速加工技術(shù)普及，機床普遍提高各方面速度，車床主軸轉(zhuǎn)速由3000～4000r/min提高到8000～10000r/min，銑床和加工中心主軸轉(zhuǎn)速由4000～8000r/min提高到12000r/min、24000r/min、40000r/min以上快速移動速度由過去的10～20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min在提高速度的同時要求提高運動部件起動的加速度，其已由過去一般機床的0.5G（重力加速度）提高到1.5～2G，最高可達15G，直線電機在機床上開始使用，主軸上大量采用內(nèi)裝式主軸電機。 (2) 高精度化 數(shù)控機床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm提高到0.008mm左右，亞微米級機床達到0.0005mm左右，納米級機床達到0.005～0.01μｍ，最小分辨率為1nm（0.000001mm）的數(shù)控系統(tǒng)和機床已有產(chǎn)品。 數(shù)控中兩軸以上插補技術(shù)大大提高，納米級插補使兩軸聯(lián)動出的圓弧都可以達到1um的圓度，插補前多程序段預讀，大大提高插補質(zhì)量，并可進行自動拐角處理等。 (3) 復合加工、新結(jié)構(gòu)機床大量出現(xiàn) 如5軸5面體復合加工機床，5軸5聯(lián)動加工各類異形零件。也派生出各新穎的機床結(jié)構(gòu)，包括6軸虛擬軸機床，串并聯(lián)鉸鏈機床等。采用特殊機械結(jié)構(gòu)，數(shù)控的特殊運算方式，特殊編程要求。 (4) 使用各種高效特殊功能的刀具使數(shù)控機床“如虎添翼”。如內(nèi)冷鉆頭由于使高壓冷卻液直接冷卻鉆頭切削刃和排除切屑，在鉆深孔時大大提高效率。加工鋼件切削速度能達1000m/min，加工鋁件能達5000m/min。 (5) 數(shù)控機床的開放性和聯(lián)網(wǎng)管理，已是使用數(shù)控機床的基本要求，它不僅是提高數(shù)控機床開動率、生產(chǎn)率的必要手段，而且是企業(yè)合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計算機集成制造、網(wǎng)絡制造、異地診斷、虛擬制造、異行工程等等各種新技術(shù)都在數(shù)控機床基礎(chǔ)上發(fā)展起來，這必然成為21世紀制造業(yè)發(fā)展的一個主要潮流。 1.3機床的發(fā)展趨勢 制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，機械制造是制造業(yè)的核心?，F(xiàn)代的制造技術(shù)的應用使得傳統(tǒng)的制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，它對國民生計起著越來與重要的作用。對于現(xiàn)代機床的發(fā)展趨勢，有一下幾點總結(jié)。 (1) 追求具有更高加工效率的機床。因為提高機床的效率就等于縮短零件的加工周期，縮短加工周期有兩條途徑，一條途徑是提高切削速度，即提高主軸轉(zhuǎn)速。目前車床和車削中心的主軸轉(zhuǎn)速都在8000r/min以上，加工中心的主軸轉(zhuǎn)速一般都在15000～20000r/min，還有40000r/min和60000r/min的。同樣，送給速度也有大幅度提高，可達20m/min，甚至60m/min。隨著切削速度的增加，機床的結(jié)構(gòu)剛性和動態(tài)特性都有明顯提高，高速主軸和刀具系統(tǒng)的動平衡設計也獲得相應提高；另一條途徑是減少非加工時間。因為在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，因此，復合機床的研發(fā)近期發(fā)展很快，其核心是在一臺機床上要完成車、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔和擴孔等多種操作工序。車床技術(shù)發(fā)展的主要趨勢是多功能機床，目前的多功能復合機床實際上就是一臺具有車削功能的加工中心。在磨削方面，目前的技術(shù)重點是開發(fā)基于PC的磨削控制系統(tǒng)，一臺磨床能進行內(nèi)圓、外圓和臺階軸磨削，或給機床以不同的循環(huán)來加快生產(chǎn)進程，既磨得快又能保證尺寸精度和表面粗糙度。? (2) 追求更加安全可靠和符合環(huán)保要求的機床。由于機床的運行速度的提高，操作者的安全和健康也被提到優(yōu)先考慮的位置。目前美國研制的高檔機床在可能傷害人的地方幾乎都加有安全警示裝置。干切削和微量潤滑劑切削方法因其可大大減少潤滑劑的揮發(fā)而得到越來越廣泛的應用，并且，幾乎整個機床都是被封閉起來的，有些機床甚至看不到切屑，這樣，即使有過量的油霧和煙霧也容易收集。同時，機床操作者在工作時的環(huán)境、位置會被考慮得非常舒適。此外，無污染的清潔加工技術(shù)也受到極大重視。? (3) 機床配套部件產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。機床配套件發(fā)展很快，品種齊全。主要產(chǎn)品有滾珠絲杠副、精密軸承、各種轉(zhuǎn)臺、換刀裝置、各種氣動、液壓裝置、直線導軌及主軸部件等等。這些配套件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有力地推動了機床主機的發(fā)展，不但有助于提高機床的速度和性能，而且可以大大縮短主機的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。? (4) 追求更加完善的控制系統(tǒng)。更高速的處理器和更精確的控制設備使機床的功能和性能完善而強大。技術(shù)密集已進入超速發(fā)展階段，而集成的關(guān)鍵是開放式結(jié)構(gòu)。PCC技術(shù)的應用，開始改變了機床的工作方式，把CNC推向了控制中心而不局限于機床控制器的范圍?？刂栖浖l(fā)展更快，一年甚至改進幾次。CNC制造商已提供一些開放式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)。目前機械制造廠里開放式結(jié)構(gòu)的CNC控制器占到10%～20%。 零件程序可以離線開發(fā)，然后傳送到生產(chǎn)車間的編程系統(tǒng)，在CNC控制器上運行，操作者可以觀察、檢測刀具運行情況和加工過程，還可以對加工過程進行必要的修正。美國GEFANUC公司銷售的控制器中，有30%是開放式的，實現(xiàn)了真正的CAM/CNC集成，并趨于智能化控制，還可上網(wǎng)。虛擬制造和無紙化生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備，借助信息技術(shù)，此類軟件的應用將以更快速度發(fā)展。? (5) 追求更高的機床外觀質(zhì)量。目前，機床制造商更加注重機床造型的美觀和色調(diào)的協(xié)調(diào)柔和，機床精品更向工藝品方向發(fā)展。 1.4 目前銑床方面存在的一些問題 立式銑床立銑頭是立式銑床上一個不可或缺的附件，對銑床的工作有著舉足輕重的影響。例如對一些工件的表面的加工，使得我們要在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動工件，這樣對工件的夾緊及其定位產(chǎn)生了一定的影響。因此，從相對運動的觀點，我們可轉(zhuǎn)動機床的銑頭來加工工件。這樣可以避免因工件定位而產(chǎn)生的誤差。因此，研究銑頭是個重要的環(huán)節(jié)，對我國工業(yè)的發(fā)展有一定的促進作用。如何在工件不動的情況下能對工件上的斜面進行加工，這個問題的解決是要對傳統(tǒng)的銑床的銑頭進行改造，使得它在一定的范圍之內(nèi)能進行加工零件，從而達到工件加工范圍的要求。使得工業(yè)生產(chǎn)效率的大幅度提高。解決了國內(nèi)機床界的一些問題。 圖1.1 圖1所示為立式升降臺銑床。立式升降臺銑床，它是銑床中應用最多的一種。這類銑床與臥式升降臺銑床的主要區(qū)別，在于他的主軸是垂直安置的，可用各種端銑刀或立銑刀加工平面、斜面、溝槽、臺階、齒輪、凸輪以及封閉輪廓表面等。圖1為立式升降臺銑床中常見的一種。其工作臺3、床鞍4、及升降臺5的結(jié)構(gòu)與臥式升降臺銑床相同。立銑頭1可以根據(jù)加工要求在垂直平面內(nèi)調(diào)整角度，主軸2并可沿軸線方向進行調(diào)整或作進給運動。 綜上所述，升降臺式銑床的優(yōu)點是工藝范圍較廣泛，工作時切削加工的高低位置不變，有利于操作者的觀察加工情況，且機床的操縱手柄較集中，便于調(diào)整及操縱。其缺點是工作臺支承在成懸臂狀態(tài)的升降臺上，且層次多，因而剛性較差，不適合進行重型切削及加工大型工件。 1.5立式升降臺銑床其主要組成部分 1.5.1 銑頭 立銑頭安裝于臥式銑床主軸端，由銑床主軸以傳動比i=1驅(qū)動立銑頭主軸回轉(zhuǎn)，使臥式銑床起立式銑床的功用，從而擴大了臥式銑床的工藝范圍。立銑頭主軸在垂直平面內(nèi)最大轉(zhuǎn)動角度為±45°，其轉(zhuǎn)速與銑床主軸轉(zhuǎn)速相同。 1.5.2 主軸 它是一根空心的階梯軸，前端內(nèi)部有錐度為7：24的錐孔，用來安裝銑刀刀桿。 1.5.3 工作臺 它可沿轉(zhuǎn)臺上面的燕尾導軌移動，帶動安裝在工作臺上的工件縱向進給運動。 1.5.4 床鞍 它用來固定和支撐銑床上所有部件。其內(nèi)部安裝主軸、主軸變速箱、電器設備及潤滑油泵等部件。 1.5.5 升降臺 它可沿床身的垂直導軌移動，以調(diào)解工作臺臺面到主軸之間的距離，或者作垂直進給運動。在升降臺的內(nèi)部裝有進給運動電動機和進給變速機構(gòu)。 1.6 立銑頭結(jié)構(gòu) 立式銑床在工業(yè)發(fā)展中有著非常重要的地位，特別是在銑削大型平面時，就顯現(xiàn)出這種機床的重要性。立銑頭主要由本體、主軸組件、主軸套筒移動機構(gòu)、主軸套筒鎖緊機構(gòu)、立銑頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)等組成，其中最主要的是主軸組件。 （1）主軸安裝在主軸套筒中，前支持采用雙列圓柱滾子軸承，承受徑向力后支承采用一對角接觸球軸承，面對面安裝，承受徑向力和兩個方向餓軸向力，并使主軸軸向定位。 （2）主軸的軸向移動 主軸套筒裝在立銑頭本體的大孔中，套筒能帶著主軸一起作軸向移動，它由立銑頭旁邊的手輪操作，轉(zhuǎn)動手輪，經(jīng)過一對圓錐齒輪，使絲杠轉(zhuǎn)動，通過固定在套筒上的螺母及托架帶動套筒軸向移動。當加工精度要求較高時，還可以在螺母托架上安裝千分表，以便觀察和檢查。 （3）主軸的轉(zhuǎn)動 帶動主軸轉(zhuǎn)動的齒輪不是直接裝在主軸上，而是裝在套筒上，軸套通過一對角接觸球軸承支承在本體上。這樣，齒輪傳動的徑向力就不作用在主軸上，而是通過軸套和軸承作用到本體上。同時，這種結(jié)構(gòu)也便于主軸上下移動。 （4）主軸套筒的夾緊 主軸工作時，應把套筒夾緊，以免軸向竄動和減少振動。主軸套筒使利用差動螺紋機構(gòu)夾緊 （5）潤滑與密封 由于是立式主軸，且隨套筒軸向移動，如用油潤滑，很難解決漏油問題，故前后軸承均采用鋰基潤滑脂，每六個月壓注一次。 主軸下端采用迷宮式非接觸密封。密封盤固定在主軸上，而密封蓋固定在主軸套筒上，兩件之間形成一條窄長而曲折的間隙，其間隙很小，且充填有潤滑脂。這樣，既能阻擋油脂漏出，又能防止外界的灰塵和冷卻液等進入。 主軸兩個后軸承用密封套密封，主要防止上端的潤滑油進入，使油脂稀釋。 1.7立銑頭結(jié)構(gòu)分析 立銑頭安裝在床身上部彎頸的前面，兩者之間利用一個直徑為860毫米的凸緣定位。立銑頭相對于床身可向左右回轉(zhuǎn)至任意位置。但一般在45°的范圍內(nèi)，故只刻45°。轉(zhuǎn)到所需要的位置后，可利用四個T形螺釘把它固定牢。為了保證主軸準確地垂直于工作臺面。當立銑頭處于中間零位時，有一個錐形銷作準確定位。 立銑頭內(nèi)，運動自傳動軸傳至主軸，傳動軸安裝在立銑頭上，由于錐齒輪在傳動時有軸向推力，所示傳動軸的下端用向心推力球軸承支承。傳動軸的上端裝有圓柱齒輪以帶動主軸上的齒輪。在圓柱齒輪的外面裝有向心球軸承。圓柱齒輪與傳動軸之間用過渡配合和雙鍵結(jié)合，以保證其裝配精度和傳遞動力。主軸上齒輪用兩個向心球軸承通過軸套安裝在立銑頭內(nèi)，它不能作軸向移動。主軸上齒輪與軸套之間用鍵聯(lián)結(jié)，軸套與主軸之間用花鍵聯(lián)結(jié)，主軸可在軸套內(nèi)作軸向滑動。主軸的下半部分安裝在主軸套筒內(nèi)，它可隨主軸套筒作軸向移動，移動的范圍是70毫米，以便調(diào)節(jié)銑削深度。 主軸套筒的上下移動是搖動手柄，通過一對錐齒輪帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿旋轉(zhuǎn)后使帶螺孔的支架連同主軸套筒一起作上下移動。主軸套筒移動結(jié)束后，應于以夾緊，使固定在立銑頭內(nèi)，以減少振動。夾緊時，將夾緊手柄順時針轉(zhuǎn)動。由于兩塊滑塊的螺紋方向相同而螺距不同，利用其移動量的差值，使兩滑塊間的距離縮小，從而把主軸套夾緊。 2 總體設計 2.1 立銑頭的功能分析 立式銑床通常用于切削平面和溝槽；銑床立銑頭可繞水平軸在垂直平面內(nèi)作90°回轉(zhuǎn)調(diào)整，因而可切削斜面；若機床上采用分度頭或圓形工作臺，可又切削齒輪、鉸刀和鉆頭的螺旋面，以及凸輪和圓弧槽等，在特殊的情況下還可換上鉆頭當作鉆床使用。因而大大的提高了機床的通用性，對資源的節(jié)約有著至關(guān)重要的作用。 2.2 方案的提出 立式銑床與臥式銑床的主要區(qū)別是主軸是豎直安裝的，也就是用立銑頭代替臥式銑床的水平主軸、懸梁、刀桿及其支撐部分。立銑頭的作用是關(guān)系到機床本身性能的重要環(huán)節(jié)。由于整個切削環(huán)節(jié)在于立銑頭，所以產(chǎn)生切削力也是靠整個立銑頭，電機帶動主軸運轉(zhuǎn)，銑刀同時也跟著運動，從而達到切削工件的目的。 研究方案： 方案一：如圖下圖2.1所示，是銑床傳動系統(tǒng)的總體布局。傳動系統(tǒng)通過齒輪來進行傳遞，中間環(huán)節(jié)有兩個傘齒輪進行傳遞，它不僅可以傳遞力而且還可以對機床立銑頭進行定位控制。 圖2.1 又如下圖2.2所示：是對立銑頭進行的簡單剖析。軸的轉(zhuǎn)動時通過齒輪的轉(zhuǎn)動來帶動它的轉(zhuǎn)動，而且中間有軸承來配合軸的轉(zhuǎn)動。主軸的前端是向心短圓柱滾子軸承，承受徑向載荷，后支撐采用一對向心推力球軸承，承受徑向和軸向載荷，使主軸軸向定位。 圖2.2 齒輪傳遞的運動由齒輪經(jīng)雙鍵，套筒等帶動主軸運轉(zhuǎn)，整個主軸部件裝在長套筒中，可以跳動手輪使絲杠帶動套筒作軸向調(diào)整，調(diào)整主軸。整個主軸的潤滑是一個密封裝置的潤滑系統(tǒng)。 方案二：在這個系統(tǒng)中是將主軸的傳動系統(tǒng)的兩個傘齒輪放在傳動軸軸的頂端， 如下圖2.3所示： 圖2.3 在這個傳動系統(tǒng)中，傳動件的放置方式導致了傳動鏈尺寸的增大，加大了傳動誤差，使工件的制造尺寸的不能準確的保證。同時也使立銑頭的總體尺寸加大，違反了機床設計原則。 方案三：此方案的傳動采用帶傳動，帶傳動的傳動效率高，速度高，結(jié)構(gòu)簡單，并且?guī)Я慵字圃?，互換性強等優(yōu)點。但是，這種傳動存在很大方面的缺陷，一 圖2.4 個很重要的方面就是在一定的范圍內(nèi)，它不能實現(xiàn)90°的旋轉(zhuǎn)不能加工斜面等一些特殊要求的表面。另外，帶傳動的缺點是很明顯的在傳動件的功過過程中，如果遇到很大的沖擊，因它傳動的速度很高，因此不能立即降下來滿足不了對工件起到保護作用。又因它滿足不了傳遞高扭矩，在切削工件時會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。綜上所述，方案三不是最優(yōu)方案。 對上面提出的三個方案綜合分析比較，既要實現(xiàn)機床的高扭矩，又要機床美觀實用，并且尺寸小，易維修等。參考機床設計手冊綜合比對，方案一較合理。原因是由于切削工件時產(chǎn)生的切削力非常的大。因此采用齒輪傳遞切削力是一種有效的措施。其次，方案一各個零件之間的位置配置合理，各個零件的位置是傳遞切削力重要的環(huán)節(jié)，如果能夠按照相應的依據(jù)取合理配置各個零件之間的位置，從而可使機床能夠高速、高精度切削工件。另外，機床的動力源是靠電機帶動，之間要經(jīng)過齒輪減速環(huán)節(jié)，并且還要配離合器，以便在緊急關(guān)頭是齒輪空轉(zhuǎn)，從而達到對減速裝置或者是傳動裝置的保護作用。 2.3主軸軸承的調(diào)整 立式銑床的主軸用三個移動軸承支撐，在主軸套筒內(nèi)三個軸承的外圍均緊密地壓入主軸套筒內(nèi)，并用帶孔軸承蓋和墊圈固定，使其不能作軸向位移。 主軸的前端裝有D級精度的雙列向心短圓柱滾動軸承，一確保主軸的運轉(zhuǎn)精度。軸承的內(nèi)圈具有錐形孔，主軸的錐形軸頸即與其配合，當把軸承內(nèi)圈向軸頸大端壓緊時，軸承內(nèi)圈的直徑能微量增大，就能調(diào)整軸承的徑向間隙。 主軸的軸向間隙，是靠上面兩個E級精度的向心推力軸承來調(diào)節(jié)的。因為周村外圈固定在主軸套筒上，所以只要減薄墊圈，就能減少主軸的軸向間隙。 2.3詳細的設計 傳動裝置的設計，機械傳動裝置的總體設計包括分析擬定傳動方案，選擇電動機型號，合理分配傳動比及計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)等內(nèi)容。它為各級傳動件設計和裝配圖繪制提供依據(jù)。 2.3.1分析擬定傳動方案 機器常由原動機、傳動裝置及工作部分組成。合理的傳動方案不僅滿足工作部分的要求，而且還要工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工簡單、成本低、傳動效率高以及使用和維護方便。 因此， 設計時應先保證重點，并統(tǒng)籌兼顧其他條件。 分析和選擇傳動機構(gòu)的類型及組合，合理布置傳動順序，是擬定傳動方案的重要一環(huán)，通?？紤]以下幾點： （1） 帶傳動 由于其承載能力較低，在傳遞相同轉(zhuǎn)矩時， 結(jié)構(gòu)尺寸較其它傳動形式較大，但傳動平穩(wěn)，能吸振緩沖，因此用于傳動系統(tǒng)的高速級。 （2） 鏈傳動 運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，且有沖擊，以布置在傳動的低速級。 （3） 蝸桿傳動 傳動比較大，承載能力較齒輪傳動低，故一般放在高速級，獲得較小的結(jié)構(gòu)尺寸和較高的齒面相對滑動速度，以便于形成液體動壓潤滑膜，提高承載能力和傳動效率。 （4） 斜齒圓柱齒輪傳動 因斜齒圓柱齒輪加工較困難，相對可用于高速級，并限制傳動比。 （5） 開式齒輪傳動 其工作環(huán)境一般較差，潤滑條件不好， 故壽命較短，宜布置在傳動裝置的低速級。 故立式銑床立銑頭采用齒輪傳動，傳動形式采用集中式傳動，傳動系統(tǒng)采用多聯(lián)滑移齒輪變速。 傳動系統(tǒng)一般由動力源、變速機構(gòu)、換向機構(gòu)、運動分配機構(gòu)、過載保險機構(gòu)運動轉(zhuǎn)換元件和執(zhí)行元件等組成。 換向機構(gòu)　一種是進給電動機換向，換向方便，但換向次數(shù)不能太頻繁。另一種是用齒輪換向（圓柱齒輪或錐齒輪），這種換向機構(gòu)可靠，廣泛用于各種機床中。本課題采用圓錐齒輪換向比較適宜。 過載保險機構(gòu)　　其作用是在過載是自動斷開進給運動，過載排除后自動接通。常用的是牙嵌式離合器、片式離合器。 牙嵌式離合器利用兩半離合器端面上的牙互相嵌合或脫開以達到主、從動軸的離合、牙有矩形、梯形、三角形、鋸齒形和螺旋形等幾種形式。由于同時參與嵌合的牙數(shù)多，故承載較高，適用范圍廣泛. 外形尺寸小，傳遞轉(zhuǎn)矩大，接合后主從動軸無相對滑動，傳動比不變。但接合時有沖擊，適合于靜止接合，或轉(zhuǎn)速差較小時接合(對矩形牙轉(zhuǎn)速差≤10r/min，對其余牙形≤300r/min)，主要用于低速機械的傳動軸系。 電磁片式離合器由內(nèi)摩擦片、外摩擦片、止推片、壓塊和空套齒輪組成。離合器左右兩部門結(jié)構(gòu)是相同的。左離合器傳動軸正轉(zhuǎn)，用于切削加工。需要傳遞的轉(zhuǎn)矩較大，片數(shù)較多。右離合器用來傳動軸反轉(zhuǎn)，主要用于退回，片數(shù)較少。這種離合器的工作原理是，內(nèi)摩擦片的花鍵孔裝在軸的花鍵上，隨軸旋轉(zhuǎn)。外摩擦片的孔為圓孔，直徑略大于花鍵外徑。外圓上有4個凸起，嵌在空套齒輪的缺口之中。內(nèi)外摩擦片相間安裝。用桿通過銷向左推動壓塊時，將內(nèi)片與外片相互壓緊。軸的轉(zhuǎn)矩便通過摩擦片間的摩擦力矩傳遞給齒輪，使主軸正傳。同理，當壓塊向右時，使主軸反轉(zhuǎn)。壓塊處于中間位置時，左、右離合器都脫開，該軸以后的各軸停轉(zhuǎn)，過載排除后通過電氣開關(guān)實現(xiàn)互鎖。故本課題選擇使用片式離合器。 2.3.2選擇電動機 電動機類型根據(jù)電源種類（直流、交流）、工作要求（轉(zhuǎn)速特性、和過載情況等）工作環(huán)境（塵土、油、水、爆炸氣體等）、載荷大小和性質(zhì)安裝要求等條件來選擇。工業(yè)上廣泛應用我國新設計的、國際市場通用的統(tǒng)一系列－Y系列三相異步電動機。Y系列電動機具有高效、節(jié)能、啟動轉(zhuǎn)矩大、噪聲低。振動小、可靠性高、使用維護方便等優(yōu)點。 已知機床的進給功率7.5KW 轉(zhuǎn)速為1450r/min,根據(jù)選定的電動機類型、結(jié)構(gòu)、容量和轉(zhuǎn)速，可由簡明機械零件設計手冊第一篇有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)標準中查出電動機型號，并記錄其型號、性能參數(shù)和主要參數(shù)。 表2.1 額定功率 滿載時 Y90L-4 7.5KW 轉(zhuǎn)速 功率因數(shù) 1450 0.96 同步轉(zhuǎn)速=1500r/min 2.4銑床加工誤差、故障分析及排除方法 表2.4 故障原因分析 故障排除方法 1 加工表面接刀處不平 ①主軸中心線與床身導軌面不平行，各部相對位置精度差 ②導軌研傷造成工作臺爬行及進給保險失靈 ③主軸徑向間隔大 ④離合器爪嚴重磨損咬不住 ⑤工作臺鑲條過松 ①檢查和調(diào)整升降及縱、橫向的鑲條間隙，對準立銑頭刻度盤0位，如果還不能達到幾何精度，就進行中，小修，使之達到要求 ②修復導軌，并適當加大保險彈簧壓力 ③調(diào)整主軸間隙 ④修理或更換離合器 ⑤調(diào)整鑲條間隙 2 加工工件尺寸精度超差 ①主軸中心與工作臺面不垂直 ②工件裝夾不合理，沒有及時清理切屑等 ③導軌間隙過大 ④工作臺面不平 ①調(diào)整鑲條間隙或修復工作臺面 ②正確夾緊工件，保持結(jié)合面清潔 ③調(diào)整導軌間隙 ④修理工作臺面至符合技術(shù)要求 3 加工工件不垂直或平行面不平行 ①立銑頭轉(zhuǎn)盤刻度不對0位 ②機床幾何精度差 ③主軸軸向竄動大 ④工作臺面不平 ①校正刻度對準0位，使之銑頭軸中心線與工作臺面垂直 ②檢查機床各部件，調(diào)整或修復，使之恢復原來的幾何精度 ③調(diào)整主軸上的螺母，使之竄動在0.02mm之內(nèi) ④修復工作臺面的平面度 4 工件加工時振動很大 ①主軸的徑向跳動和軸向竄動量太大 ②主軸太鑲條太松 ③主軸套筒未夾緊 ① 調(diào)整主軸軸承的間隙，調(diào)整前，先測出主軸的徑向跳動量和軸向竄動量，以確定修整環(huán)的修磨量 主軸徑向間隙的調(diào)整使先修磨兩個半圓調(diào)整環(huán)，并擰緊后軸承上面的螺母從而調(diào)整前后軸承的間隙 主軸軸向間隙的調(diào)整，是靠修磨兩個后軸承的外隔套來實現(xiàn)的 ② 調(diào)整鑲條的送進程度 ③ 夾緊主軸套筒 5 加工工件角度精度超差 ① 立銑頭轉(zhuǎn)盤刻度不準 ② 轉(zhuǎn)盤緊固螺母未上緊，產(chǎn)生振動 ① 旋轉(zhuǎn)刻度時要對準基線，如有誤差，進行檢修 ② 緊固螺母 6 主軸溫升較高或在運轉(zhuǎn)中有噪音 ① 潤滑不良 ② 主軸箱內(nèi)軸承磨損或齒輪嚙合不良 ① 注意油路暢通，保證充分潤滑 ② 檢修或更換軸承、齒輪 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△0。如圖所示：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。 圖3.1 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。各類通用機床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在機床精度標準中作了規(guī)定，專用機床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度則根據(jù)工件精度要求確定。 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，如圖所示：即K=F/y(單位為N/um)，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。 圖3.2 主軸組件靜剛度 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。 主軸組件的剛度是綜合剛度，影響主軸組件的剛度很多，主要有：主軸的結(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類型及其配置形式、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。隨著機床向高精度、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抵抗受迫振動的能力 主軸組件受迫振動的干擾力，主要包括由于主軸上旋轉(zhuǎn)零件（主軸、傳動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，傳動件的運動速度不均勻而產(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，而在加工表面上留下振紋，使工件表面粗糙度提高。 根據(jù)所設計機床組件加表面粗糙度的要求，確定主軸前端的允許振幅，然后計算或測定主軸組件在各種動態(tài)干擾力的作用下，其前端的振幅，并同允許值比較，評價是否滿足要求。在單獨分析主軸組件時，只能求得主軸前端在切削部位的絕對振幅，它只能部分的反映刀具和工件之間的相對振幅。兩者關(guān)系與激振頻率有關(guān)，目前主要由試驗來確定。此外，主軸組件的低階固有頻率與振型也是其抗振性的評價指標。一般來說，低階固有頻率應高些，并遠離激振頻率，主軸振型的節(jié)點應靠近切削部位。 3.1.5 抵抗切削自激振動的能力 金屬切削加工時，雖然沒有外界動態(tài)干擾力的作用，但由于機床-工件-刀具彈性系統(tǒng)振動對切削過程的反饋作用，刀具與工件之間發(fā)生了周期性的強烈的相對振動，稱為切削自激振動，簡稱為顫振。 顫振將使加工表面質(zhì)量惡化，甚至使切削過程無法繼續(xù)下去，從而不得不降低切削用量來避免，所以機床的切削用量極限往往不是由機床的功率來決定，而是由加工時發(fā)生顫振的條件來決定。 機床切削時，從沒有顫振到顫振的產(chǎn)生之間存在著明顯的界限，這個界限即是穩(wěn)定性的極限，或成為機床穩(wěn)定性的條件。對現(xiàn)有機床的試驗表明，切削自振頻率往往接近于主軸組件彎曲振動的低階固有頻率。即主軸組件是顫振的主振部分，它的低階彎曲振動模態(tài)是決定機床抵抗切削自振能力的主要模態(tài)。因此，在單獨分析主軸組件時，可以認為主軸前端在切削部位激振點動柔度的最大負實部，反映了主軸組件抵抗切削自振的能力。 對于粗加工機床，切削寬度越大，切削自振的可能性越大，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。對于精密機床，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的能力。對于高速機床，因為激振的頻率和副值均隨著轉(zhuǎn)速提高而劇增，受迫振動和自激振動都比較突出。因此，在設計和評價高速機床時，自激和受迫振動均應考慮。 3.1.6 溫升和熱變形 主軸組件工作時因各種相對運動而產(chǎn)生的摩擦發(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，成為熱變形。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，使機床各部件間相對位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度機床尤為嚴重；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，軸承與支承座直接按已調(diào)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。 目前，對各種類型機床連續(xù)運轉(zhuǎn)下的允許溫升都有一定的規(guī)定。 3.1.7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式，潤滑方式，合理調(diào)整軸承間隙，良好的潤滑和可靠的密封。 3.1.8其它 主軸組件除保證上述基本要求外，還應滿足下列要求： （1）主軸的定位可靠。主軸在切削力和傳動力的作用下，應有可靠的徑向和軸向定位，使主軸在工作時受到切削力和傳動力通過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)應保證工件或刀具轉(zhuǎn)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，盡可能地做到好制造、好安裝、好拆卸和好修理，并盡可能降低主軸組件的成本。 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。 機床主軸有前、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)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，具有以下要求。 3.2.1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。徑向承載較大時，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，比采用單個軸承的大。一般來說，前支撐的剛度應比后支承大。因為前支承剛度對主軸組件剛度的影響要比后支承大，如下表。 表3.1 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?？稍跓o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，多油楔軸承較多 可以很高 剛度 僅與軸承型號有關(guān)，與轉(zhuǎn)速、載荷無關(guān)，預緊可提高一些 隨轉(zhuǎn)速和載荷升高而增大 與節(jié)流型式有關(guān)，與載荷轉(zhuǎn)速無關(guān) 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(guān)，不計動壓效應時與速度無關(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 高速受疲勞強度和離心力限制，低中速性能較好 中高速性能較好，低速時不形成油膜，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=0.002～0.008 較小 =0.001～0.008 本身功耗小，但有相當大的泵功耗=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 3.2.2 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 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)整軸承間隙較不方便，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)，主軸可能因熱膨脹面彎曲。 3.2.3 適應結(jié)構(gòu)要求 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，則可在一個支承中配置兩個或兩個以上的軸承。 對軸間距很小的多主軸機床，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。 3.2.4 適應經(jīng)濟性要求 確定主軸軸承配置形式，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。例如，在能夠滿足要求的情況下，一般采用已經(jīng)標準化、系列化、且大批量生產(chǎn)的滾動軸承較為經(jīng)濟，但對于一些大型，重型機床的主軸組件，當沒有標準的大型號滾動軸承時，可采用動壓軸承或靜壓軸承。 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形式成本低，因為前者節(jié)省了兩個軸承，而且箱體工藝性較好。 綜合考慮上述因素，本設計的主軸采用前后支承的兩支承主軸，主軸的前端是向心短圓柱滾子軸承，承受徑向載荷，后支撐采用一對向心推力球軸承，承受徑向和軸向載荷，使主軸軸向定位。 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式，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，也設計為階梯軸。 主軸前部系指主軸前端。它的形式?jīng)Q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。 查《金屬切削機床設計》第135頁中通用機床主軸端部的形狀圖，選短圓錐法蘭盤式主軸端部結(jié)構(gòu)形式。其特點是：主軸端面上有4個螺孔，用來固定和傳遞扭矩給刀具。主軸前端的錐度為7:24的錐孔。如下圖所示： 圖3.3 短圓錐法蘭盤式主軸端部結(jié)構(gòu) 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(guān)，鋼的E值較大（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(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量E基本相同。因此在選擇鋼料時應首先選用價格便宜的中碳鋼，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（HRC48～54），有關(guān)45鋼主軸熱處理情況如下表所示： 表3.2 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 車、鉆、銑、磨床主軸 45 50 淬火回火高頻淬火 HRC42～50 HRC52～58 此次設計的任務考慮到主軸材料的選擇原則，選用價格便宜的中碳鋼（45鋼）根據(jù)工作中承受輕、中載荷，且要求局部高硬度，因此熱處理采用高頻淬火，HRC42～50。 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(guān)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。 3.5.1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表面、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，將影響其滾動軸承的配合質(zhì)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～。 3.5.2 內(nèi)錐孔 內(nèi)錐孔是安裝刀具的定位基面。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。由于刀具經(jīng)常拆卸，所以內(nèi)錐孔必須耐磨。 錐孔與軸承頸的同軸度，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 主軸結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)分析可初步確定主軸的結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示： 圖3.4 主軸結(jié)構(gòu)圖 3.7 主軸組件的潤滑和密封 3.7.1主軸組件的潤滑 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?jīng)Q定于軸承的類型、速度和工作負荷。如果選擇的合適，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者潤滑脂來潤滑。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(nèi)的，為防止使用潤滑油是泄露，應采用潤滑脂潤滑。 加潤滑脂時，應該注意潤滑脂的填充量不能過多，不能把軸承的空間填滿，否則會引起過高的發(fā)熱，并