加工中心主轴传动系统结构设计毕业设计

毕业设计设计题目名称:加工中心主轴传动系统结构设计学 生 姓 名:杨朋朋专业名称： 机械设计与制造 班 级： 机设09-2 学 制: 三年制 学 号： 0950323227 学历层次： 大专 指导老师： 评 阅 人： 论文（设计）提交日期： 2012年 月 日论文（设计）答辩日期： 2012年 月 日江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 二一二年六月 日 摘要 本设计主要介绍了数控加工中心主传动系统的结构形式，并以电主轴作为主传动部件对其进行研究。主要设计了数控加工中心用电主轴的主轴结构，套筒及支承部件磁悬浮轴承。解决了套筒与主轴的配合及支承部件的布置形式等关键技术问题。本设计采用了创新型设计方式：将主轴轴端的捕捉轴承置于内侧以增加主轴刚度；将蝶形弹簧拉刀机构换成弹簧卡爪以增加可靠性；将切削液通道均布于轴端内部以增强冷却效果。 关键词：数控加工中心；电主轴；套筒；磁悬浮轴承 AbstractThis paper introduces the design of CNC machining centers form the structure of the main drive system and electric drive components as the main axis of their research. The main design of the CNC machining center spindle of the spindle power structure, sleeve bearings and bearing components of magnetic levitation. Solved with the spindle sleeve and bearing components with the layout of the form of the key technical problems. The design uses an innovative design approach: The main shaft bearing at the inside of the catch to increase the stiffness of the spindle; will broach Butterfly institutions spring into spring claw card in order to increase reliability; to cloth cutting fluid channel in the shaft end to enhance the cooling effect inside. Keywords: CNC machining center； electric spindle； sleeve；magnetic bearing 目录1.确定主传动系统设计方案，拟定传动原理图071.1直接驭动主轴传动方案001.2一级传动方案861.3多级传动方案651.4合理传动方案的确定462.进行动力设计和运动设计2.1 运动设计872.1.1 传动方案设计782.1.2转速调速范围68 2.1.3变化组57 2.1.4结构式采用13 2.1.5绘制转速图23 2.1.6确定变速组齿轮齿数45 2.1.7传动系统图55 2.1.8带轮设计34 2.1.9计算带的力56 2.2 动力设计34 2.2.1传动件的计算转速45 2.2.2计算各传动轴的输出功率12 2.2.3计算各传动轴的扭矩34 2.2.4轴径设计及键的选取67 2.2.6齿轮校核56 2.2.5计算齿轮模数543.主轴和轴的结构设计、精度设计和刚度设计223.1主要参数的确定99 3.1.1主轴前轴颈直径的选取00 3.1.2主轴内孔直径d的确定89 3.1.3主轴前端悬伸量a的确定903.1.4主轴主要支承间跨距L的确定563.2 主轴的构造243.3 轴上零件的定位993.4 主轴的校核90 3.4.2主轴的扭转刚度校核97 3.4.1主轴按扭转强度校核773.5 主轴的主轴组件的刚度验算663.6 求轴承刚度344.轴承选用与寿命计算23 4.1、滚动轴承的主要类型、性能与特点12 4.1.1向心轴承83 4.1.2推力轴承55 4.1.3滚子动轴承98 4.2 轴承的选取67 4.3 寿命计算78 4.3.1基本额定寿命和基本额定动载荷80 4.3.2滚动轴承疲劳寿命计算的基本公式575.主轴箱体结构设计和精度设计355.1箱体基本知识66 5.1.1箱体的主要功能79 5.1.2箱体的分类445.2设计的主要问题和设计要求54 5.2.1满足强度和刚度要求99 5.2.2散热性能和热变形问题88 5.2.3结构设计合理77 5.2.4工艺性好66 5.2.5造型好、质量小665.3主轴箱体结构设计876.拉刀装置设计996.1刀具自动夹紧机构776.2 拉刀装置的工作原理557.绘制主传动系统装配图和零件图447.1主传动系统装配图887.2主轴图787.3传动轴图777.4带轮图447.5齿轮图448、 结论22指标转速/(r/min)计算/额定转速/(r/min)输出功率/kW主 轴540001506.13交流主电动机 04500 15007 一、确定主传动系统设计方案，拟定传动原理图1.1, 直接驭动主轴传动方案 这种传动方式是八十年代未期发展起来的, 它是采用交流变频宽调速VAC电机通过刚性连轴节与机床主轴联接, 或采用内装或主轴电机(即将机床主轴装在电机的定子内)来驱动主轴的一种传动方式。这种传动方既没有齿轮变速装置, 又没有皮带变速机构, 主要是由电机本身来完成变速和传递扭矩任务。其优点是省去齿轮和皮带传动装置, 明显地降低了机床的振动, 噪声和热量的产生, 提高了机床主轴的工作热稳定性, 可实现高精度加工。直接驭动主轴的传动方案见图1 1.2，一级传动方案一级传动时, 无齿轮变速箱, 只可能有齿轮或皮带降速。这时也主要是由电机本身来完成变速和传递扭矩的任务, 这种方案目前采用较少。见图2 1.3,多级传动方案二级以上传动方案为多级传动方案。多级传动时, 方案很多但各有千秋, 选择时应根据具体实际情况而定。 但最多为四级, 四级以上没有使用价值。一般采用齿轮两档变速机构（二级传动方案）, 可配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机, 既可获得较高转速, 又可较大地拓宽恒功率范围, 提高低速扭矩, 适合于要求达到较高转速且可进行较大切削量加工的场合。采用齿轮三档变速机构（三级传动方案）, 配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机, 既可获得较高转速, 又可大大拓宽恒功率范围,大大提高低速扭矩, 适合于要求达到较高转速且可进行大切削量加工的场合, 其机械性能几乎与齿轮有级变速方式相同。但结构复杂, 且由于采用齿轮多级传动方式, 最高转速受限更大。目前这种传动方式很少采用。多级传动方案图略1.4， 合理传动方案的确定从以上介绍可知, 各种传动方式各有优缺点, 关键是根据不同的使用要求选择不同的传动方式。“三图”设计“三图”是指转速、功率和转矩曲线图。相关数据计算如下：主轴恒功率调速范围=主轴最高转速主轴计算转速400015027主电动机恒功率调速范围主电动机最高转速主电动机计算转速450015003要将主电动机的恒功率调速范围由3通过齿轮变速扩大9倍到27，此时主传动系统的最大降速比150015010，即让主电动机的基本转速1500 r/min. 经齿轮降速后落在主轴的计算转速150 r/min上，这样才能使主电动机恒功率调速范围与主轴恒功率调速范围最低极限匹配。要让转速图上不出现“重叠”、“缺口”，还得令：齿轮变速公比=变速级数=电动机恒功率调速范围=3由此可知采用三级传动方案45001500 高速级降速比=45004000=1.125 1333400045001500 中速级降速比=103=3.33 450133345001500 低速级降速比=1500150=10 5450 二、动力设计和运动设计2.1, 运动设计2.1.1 传动方案设计（选择集中传动方案）2.1.2转速调速范围2.1.3根据计算得出三个档次速度变化组45001500 高速降速比=45004000=1.125 （0.89） 1333400045001500 中速降速比=103=3.33 （0.3） 450133345001500 低速降速比=1500150=10 （0.1） 54502.1.4结构式采用：由于在变速级数Z=3一定时，减少变速组个数势必增加各变速组的传动副数，并且降速过快而导致齿轮的径向尺寸增大，为使变速箱中的齿轮个数最少，每个变速组的传动副数最好取23个。所以采用如图传动2.1.5绘制转速图：(1）分配总降速比 (2）确定传动轴数变速轴轴数=变速组数+定比变速副数+1=3+1+1=4。 如下图所示 3）绘制转速图2.1.6确定变速组齿轮齿数 (1）先计算基本组的齿轮的齿数基本组的降速比分别为：、， =2 根据传动比和查表计算的：Z1=37，Z2=22；Z3=25，Z4=44。(2）扩大组的齿数确定：=0.4、 =1.2根据传动比和查表计算的：Z3=25，Z4=44； Z5=20，Z6=36,Z7=50。2.1.7传动系统图如右图：2.1.8带轮设计 (1）确定计算功率: ,K为工作情况系数，可取工作8小时，取K=1.0 (2）选择三角带的型号: 由和查表选择型带(3）取，则，取(4）核算胶带速度V -(5）初定中心矩根据机械设计经验公式（11.20）根据机械设计表（11.4）的 取.(6）计算胶带的长度由机械设计公式（11.2）计算带轮的基准长度 由机械设计图11.4，圆整到标准的计算长度 (7）计算实际中心距 (8）核算小带轮的包角 (9）确定胶带的根数 由机械设计中的表11.8到11.12得 ， ，取三根带。 (10）大带轮结构如下图所示： 2.1.9计算带的张紧力作用在轴上的压轴力 -带的传动功率,KW；v-带速,m/s； q-每米带的质量，kg/m；取q=0.17kg/m。v = 1500r/min = 9.81m/s、v =4500r/min=29.44m/s。 2.2, 动力设计2.2.1传动件的计算转速 主轴的计算转速：n=150r/min。各轴的计算转速如下：轴序号电2主计算转速（r/min）1500750370150核算主轴转速误差 所以合适。2.2.2计算各传动轴的输出功率 2.2.3计算各传动轴的扭矩 （n.mm） （n.mm）（n.mm）2.2.4轴径设计及键的选取（查机械设计公式16.9和表16.4得）轴一：，取带入公式： 有，,圆整取选花键：轴二：，取带入公式： 有，,圆整取 选花键：主轴：，取带入公式： 有，,圆整取选花键：其中：P-电动机额定功率（kW）；-从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积；-该传动轴的计算转速（）； -传动轴允许的扭转角（）。2.2.5计算齿轮模数齿轮模数的估算。通常同一变速组内的齿轮取相同的模数，如齿轮材料相同时，选择负荷最重的小齿轮，根据齿面接触疲劳强度和齿轮弯曲疲劳强度条件进行估算模数和，并按其中较大者选取相近的标准模数，为简化工艺变速传动系统内各变速组的齿轮模数最好一样，通常不超过23种模数。先计算最小齿数齿轮的模数，齿轮选用直齿圆柱齿轮及斜齿轮传动，查表的齿轮精度选用7级精度，再由表10-1选择小齿轮材料为40C(调质)，硬度为280HBS：有公式： 齿面接触疲劳强度：其中: -公比 ； = 2； -齿轮传递的名义功率； -齿宽系数=； -齿轮许允接触应力； -计算齿轮计算转速;-载荷系数取1.76。 -齿轮齿数 齿轮弯曲疲劳强度： 其中: -齿轮传递的名义功率； -齿宽系数； -齿轮许允齿根应力 45号钢整体淬火， 按接触疲劳计算齿轮模数m,查表计算可得低速档 取， 由公式可得，m=3.5mm 由公式 可得，m=2mm因为所以m=3.5mm中速档 取，由公式可得，m=2.5mm由公式 可得，m=1.5mm因为所以m=2.5mm高速档 取，由公式可得，m=2.5mm由公式 可得，m=2mm因为所以m=2.5mm2.2.6齿轮校核 初选齿轮的材料：一律选用锻钢（需进行精加工的齿轮所用锻钢）材料牌号：硬度60HRC齿顶圆直径 ； 齿根圆直径；分度圆直径 ；齿顶高 ；齿根高 ；表6.1齿轮尺寸表 （单位：mm）齿轮齿数z模数分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿顶高齿根高Z5203.5707761.253.54.375Z2222.5556048.752.53.125Z3252.562.567.556.252.53.125Z6362.5909583.752.53.125Z1372.592.597.586.252.53.125Z4442.5110115103.752.53.125Z7503.5175182166.253.54.375传动轴间的中心距因为齿宽系数=中心距一个系数 ，硬齿面0.35、软齿面0.4。 齿宽系数=0.40.825=0.33 =0.41=0.4选齿宽系数=0.33 因为齿轮Z2有三个传动档所以 因为齿轮Z5有两个传动档所以齿厚 三、主轴和轴的结构设计、精度设计和刚度设计3.1，主要参数的确定3.1.1主轴前轴颈直径的选取 根据功率，在之间，查表得主轴轴颈选取，取。主轴后轴颈直径=0.9=81mm， 取=81mm。根据设计方案，选前轴承为30218型，后轴承为30216型。3.1.2主轴内孔直径d的确定 很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。铣床主轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆。为不过多的削弱主轴的刚度，铣床主轴孔径d可比刀具拉杆直径大510mm。根据经验公式可知：d=(50%60%)=(3542)mm,此处取d=35mm, =0.4. 当小于0.3时，空心主轴的刚度几乎等于实心主轴的刚度，等于0.4时，空心主轴的刚度为实心主轴的90%，小于0.7时，空心主轴的刚度急剧下降，所以d=35mm是合适的。3.1.3主轴前端悬伸量a的确定 主轴悬伸量a一般越小越好，a值越小，对提高主轴组件的旋转精度、刚度和抗振性都有显著效果。根据专用机床设计与制造表515可知：=0.61.5 a=（0.61.5） a=54135mm本设计取a为80毫米。3.1.4主轴主要支承间跨距L的确定 合理确定主轴主要支承间的跨距L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。支承跨距过小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前端的位移量增大；反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变形增大，也会引起主轴前轴端较大的位移。因此存在一个最佳跨距，在该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距L往往大于上述最佳跨距，此处选L=3a=300mm. 下面我们就来确定最佳跨距与合理跨距。（1）的确定支承刚度可用估算式：取弹性模量 主轴截面惯性矩 截面面积 无量纲量，则根据判别式所以有（2）的确定根据以上计算所得的值，由于结构上原因往往不能实现。设实选跨距为L，则主轴组件的刚度达不到最大值。令L/=1时的刚度为100%，则当0.751.5时，主轴组件的刚度损失不超过5%7%，即：=（0.751.5）=170340.5mm我们在设计中，取支承跨距为=250mm3.2, 主轴的构造主轴的构造和形状主要取决于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。设计时还应考虑主轴加工工艺性和装配工艺性。框架式数控铣床主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。主轴的前端形式取决于机床类型和安装夹具或刀具的形式。主轴头部的形状和尺寸已经标准化，应遵照标准进行设计。主轴的直径和长度的确定主要是根据轴上零件的装配，框架式数控铣床主轴简图如图4-6所示轴上主要尺寸已在前面介绍，在确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相临零件间必要的空隙来确定的。图4-6框架式铣床主轴简图3.3, 轴上零件的定位3.3.1零件的轴向定位 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩，轴肩处易产生应力集中，而且轴肩过多也不利于装配，因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合，套筒定位因为不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。若两零件的间距较大或转速较高时，都不宜采用套筒定位。轴端挡圈适用于固定轴端零件，可以承受较大的轴向力。为了防止轴端挡圈转动造成螺钉松脱，可加圆柱销锁定轴端挡圈。圆螺母定位可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，故一般用于固定轴端的零件，当轴上零件间距离较大不宜使用套筒定位时，也常采用圆螺母定位。3.3.2零件的周向定位周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处。3.4, 主轴的校核3.4.1主轴按扭转强度校核这种方法只是按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果轴还受到不大的弯矩时，则用降低需用扭转切应力的办法予以考虑。轴的扭转强度条件为： (4.1) (4.2) (4.3) 需用扭转切应力，单位为。因为=7 ，mm，查表得40 的值为：3555，则0.31 成立，所以此主轴满足扭转强度要求。3.4.2主轴的扭转刚度校核。 轴的扭转变形用每米长的扭转角表示。阶梯轴的扭转角单位为（）/m的计算公式为： 对圆轴： = 轴的扭转刚度的条件为： 的取值为 0.51（）/m 计算得阶梯轴的扭转角为： 0.04,则轴满足扭转刚度要求。3.5, 主轴的主轴组件的刚度验算主轴的验算主要是刚度的验算，与一般轴着重于强度的情况不同，通常能满足刚度要求的主轴也能满足强度的要求。刚度分为弯曲刚度与扭转刚度两种。弯曲刚度用轴在受力时产生的挠度（y）及倾角（）来度量；扭转刚度用轴在受力时每1米长度产生的扭转角（）来度量。本设计中，主轴的直径相差不大且计算精度要求不高，所以我们把轴看作等径轴，采用平均直径（各直径之和除以直径数）来进行计算。我们将轴简化为集中载荷下的简支梁。根据设计时的已知条件可得：主轴输出转速n=150r/min,传动比i=10;传动效率：由设计图知，输出齿轮的功率、转速与它通过的齿轮啮合对数相关，由于功率在传动过程中有损失，则在输出齿轮上传递的功率大小为：=6.13 KW （此设计中，电机的输入功率为7 KW）计算齿轮受力：大齿轮Z7的受力计算：转矩： 圆周力： KN径向力： KN （其中，直齿圆柱齿轮的压力角为）法向力 KN小齿轮Z6的受力计算：转矩： 圆周力： KN径向力： KN （其中，直齿圆柱齿轮的压力角为）法向力 KN经比较可得：小齿轮上受到的力远远大于大齿轮上的力，所以在计算过程中，仅对小齿轮上的力对轴的影响进行了受力分析。令主轴末端轴承不受力，而其前端受到的径向铣削力为铣刀的最大切削力 N（由铣削功率的计算公式为、是铣削功率、是铣削速度），则主轴受力如下所示：图5-3 主轴的受力分析计算支承反力：水平面反力：=4.73 KN=-4.50KN垂直面反力：=-1.02KN KN画弯矩图：水平面弯矩图：如上图d 所示垂直面弯矩图：如上图e所示 合成弯矩图：画轴转矩：轴受转矩： 转矩图：如上图g所示许用应力：许用应力值：取轴材料为45，用插值法由机械设计表11.3查得： ；应力校正系数：画当量弯矩图：如上图h所示当量转矩： 当量弯矩：在小齿轮中间截面处 在右端轴颈处 画当量弯矩图：如上图h所示3.6，求轴承刚度主轴最大输出转矩（未考虑机械效率）T=切削力：背向力：故总此作用力：F=此力主轴颈和后轴颈个承受一般，故主轴端受力为F/2=12926N。在估算时，先假设初值l/a=3,l=3100=300mm。前后支承的支反力和:根据公式有：查得轴承根子有效长度、球数和列数：再带入刚度公式： 四、轴承选用与寿命计算4.1、滚动轴承的主要类型、性能与特点按滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承。按接触角的大小和所能承受载荷的方向，轴承可分为：4.1.1向心轴承：公称接触角：045，向心轴承又可细分为：A、径向接触轴承：0，只能承受径向载荷(如圆柱滚子轴承)，或主要用于承受径向载荷，但也能承受少量的轴向载荷(如深沟球轴承)；B、向心角接触轴承：045，能同时承受径向载荷和单向的轴向载荷(如角接触球轴承及圆锥滚子轴承)。4.1.2推力轴承：公称接触角：4590，推力轴承又可细分为：A、轴向接触轴承：90，只用于承受轴向载荷；B、推力角接触轴承：4590主要承受大的轴向载荷，也能承受不大的径向载荷。按自动调心性能，轴承可分为自动调心轴承和非自动调心轴承。滚子轴承的类型很多，现将最常用的几种滚动轴承的性能和特点作一简要介绍，其他的见表9-1中。4.1.3滚子动轴承能承受较大的径向载荷和单向的轴向载荷，极限转速较低。 内外圈可分离，故轴承游隙可在安装时调整，通常成对使用，对称安装。适用于转速不太高、轴的刚性较好的场合。轴承类型结构简图、承载方向类型代号尺寸系列代号组合代号特性双列角接触球轴承(0)(0)32333233同时能承受径向载荷和双向的轴向载荷、它比角接触球轴承具有较大的承载能力，调心球轴承1(1)1(1)(0)222(0)323 12221323主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向轴向载荷。外圈滚道为球面，具有自动调心性能。 内外圈轴线相对偏斜允许 23，适用于多支轴，弯曲刚度小的轴以及难于精确对中的支承。调心滚子轴承222222221322233031324041213222223230231232240241用于承受径向载荷，其承载能力比调心球轴承约大一倍，也能承受少量的双向轴向载荷。外圈滚道为球面，具有调心性能，内外圈轴线相对偏斜允许0.52，适用于多支点轴、弯曲刚度小的轴以及难于精确对中的支承推力调心滚子轴承222929394292293294可以承受很大的轴向载荷和一定的径向载荷。滚子为鼓形，外圈滚道为球面，能自动调心，允许轴线偏斜 23，转速可比推力球轴承高，常用于水轮机轴和起重机转盘等圆锥滚子轴承333333333302031320222329303132302303313320322323329330331332能承受较大的径向载荷和单向的轴向载荷，极限转速较低。 内外圈可分离，故轴承游隙可在安装时调整，通常成对使用，对称安装。适用于转速不太高、轴的刚性较好场合。双列深沟球轴承44(2)2(2)34243主要承受径向载荷，也能承受一定的双向轴向载荷它比深沟球轴承具有较大承载能力推力球轴承单向555511121314511512513514推力球轴承的套圈与滚动体多半是可分离的。单向推力球轴承只能承受单向轴向载荷，两个圈的内孔不一样大，内径较小的是紧圈与轴配合，内孔较大的是松圈，与机座固定在一起。极限转速较低，适用于轴向力大而 转速较低的埸合。双向555222324522523524双向推力轴承可承受双向轴向载荷，中间圈为紧圈，与轴配合，另两圈为松圈。 高速时，由于离心力大，球与保持架因摩擦而发热严重，寿命较低。常用于轴向载荷大、转速不高处。深沟球轴承666616666617371819(0)0(1)0(0)2(0)3(0)461763761861916060626364主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷，工作时内外圈轴线允许偏斜816。 摩擦阻力小，极限转速高，结构简单，价格便宜，应用最广泛。但承受冲击负荷能力较差。适用于高速场合，在高速时，可能来代替推力球轴承。角接触球轴承777719(1)0(0)2(0)3(0)471970727374能同时承受径向载荷与单向的轴向载荷，公称接触角有15、25、40三种。越大，轴向承载能力也越大。通常成对使用，对称安装。极限转速较高。 适用于转速较高、 同时承受径向和轴向载荷的场合。推力圆柱滚子轴承881112811812能承受很大的单向轴向载荷，但不能承受径向载荷，它比推力球轴承承载能力要大；套圈也分紧圈和松圈。其极限转速很低，故适用于低速重载的场合。圆柱滚子轴承外圈无挡力圆柱滚子轴承NNNNNN10(0)222(0)323(0)4N10N2N22N3N23N4只能承受径向载荷，不能承受轴向载荷。承受载荷能力比同尺寸的球轴承大，尤其是承受冲击载荷能力大，极限转速较高。双列圆柱滚子轴承NN30NN30对轴的偏斜敏感，允许外圈与内圈的偏斜度较小（24)，故只能用于刚性较大的轴上，并要求支承座孔很好地对中。双列圆柱滚子轴承比单列轴承承受载荷的能力更高。滚针轴承NANANA484969NA48NA49NA69这类轴承采用数量较多的滚针作滚动体，一般没有保持架。径向结构紧凑，且径向承受载荷能力很大，价格低廉。缺点是不能承受轴向负荷，滚针间有摩擦，旋转精度及极限转速低，工作时不允许内、外圈轴线有偏斜。常用于转速较低而径向尺寸受限制的场合。四点接触球轴承QJQJ(0)2(0)3QJ2QJ3它是双半内圈单列向心推力球轴承，能承受径向载荷及任一方向的轴向载荷。球和滚道四点接触，与其他球轴承比较，当径向游隙相同时轴向游隙较小。4.2,轴承的选取(1) 带轮：由于带轮不承受轴向力，故选用深沟球轴承，型号：210。(2) 一轴：一轴的前后端与箱体外壁配合，配合处传动轴的轴径是30mm，同时一轴也不会承受轴向力故也选用深沟球轴承，型号：205。(3) 二轴：二轴与一轴相似，但是由于工作过程之中传动可能右误差，二轴会承受轴向 力，因此二轴与外壁配合处采用圆锥滚子轴承，型号：7206E。(4) 主轴：主轴是传动系统之中最为关键的部分，因此应该合理的选择轴承。 从主轴末端到前端依次选择轴承为圆锥滚子轴承，型号：7214E;推力球轴承，型号:38215；圆柱滚子轴承，型号：31821134.3,寿命计算4.3.1基本额定寿命和基本额定动载荷所谓轴承寿命，对于单个滚动轴承来说，是指其中一个套圈或滚动体材料首次出现疲劳点蚀之前，一套圈相对于另一套圈所能运转的转数。由于对同一批轴承(结构、尺寸、材料、热处理以及加工等完全相同)，在完全相同的工作条件下进行寿命实验，滚动轴承的疲劳寿命是相当离散的，所以只能用基本额定寿命作为选择轴承的标准。基本额定寿命：是指一批相同的轴承，在相同条件下运转，其中90%的轴承在发生疲劳点蚀以前能运转的总转数(以转为单位)或在一定转速下所能运转的总工作小时数。基本额定动载荷C：当轴承的基本额定寿命为转时，轴承所能承受的载荷值。基本额定动载荷，对向心轴承，指的是纯径向载荷，并称为径向基本额定动载荷，用表示；对推力轴承，指的是纯轴向载荷，并称为轴向基本额定动载荷，用表示；对角接触球轴承或圆锥滚子轴承，指的是使套圈间只产生纯径向位移的载荷的径向分量。不同型号的轴承有不同的基本额定动载荷值，它表征了不同型号轴承承载能力的大小。4.3.2滚动轴承疲劳寿命计算的基本公式图4-1轴承的载荷-寿命曲线图4-1是轴承的载荷-寿命曲线，它表示了载荷P与基本额定寿命之间的关系。此曲线用公式表示为：(转) 式中：P 为当量动载荷(N)； 为寿命指数，对于球轴承 3；对于滚子轴承 10/3。 L额定寿命，单位是转实际计算时，常用小时数表示轴承寿命为：(h) 式中：n为代表轴承的转速(r/min)。温度的变化通常会对轴承元件材料产生影响，轴承硬度将要降低，承载能力下降。所以需引入温度系数 ft (见表4-2)，对寿命计算公式进行修正：(转) (h)表4-2温度系数 ft轴承工作温度()120125150175200225250300350温度系数ft1.000.950.900.850.800.750.700.60.5 疲劳寿命校核计算应满足的约束条件为式中： 为轴承预期计算寿命，列于表4-2，可供参考。如果当量动载荷P和转速n已知，预期计算寿命 也已被选定，则可从公式中计算出轴承应具有的基本额定动载荷 值，从而可根据 值选用所需轴承的型号： N表4-3推荐的轴承预期计算寿命机器类型预期计算寿命 （h）不经常使用的仪器或设备，如闸门开闭装置等3003000短期或间断使用的机械，中断使用不致引起严重后果，如手动机械等30008000间断使用的机械，中断使用后果严重，如发动机辅助设计、流水作业线自动传送装置、长降机、车间吊车、不常使用的机床等800012000每日8小时工作的机械（利用率较高），如一般的齿轮传动、某些固定电动机等1200020000每日8小时工作的机械（利用率不高），如金属切削机床、连续使用的起重机、木材加工机械、印刷机械等200003000024小时连续工作的机械，如矿山升降机、纺织机械、泵、电机等400006000024小时连续工作的机械，中断使用后果严重。如纤维生产或造纸设备、发电站主电机、矿井水泵、船舶浆轴等100000200000由表4-3可知一轴、二轴和主轴上的轴承预期寿命1200020000小时。五、主轴箱体结构设计和精度设计5.1,箱体基本知识5.1.1箱体的主要功能 (1)支承并包容各种传动零件，如齿轮、轴、轴承等，使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。 (2)安全保护和密封作用，使箱体内的零件不受外界环境的影响，又保护机器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。 (3)使机器各部分分别由独立的箱体组成，各成单元，便于加工、装配、调整和修理。 (4)改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。 5.1.2箱体的分类 按箱体的制造方法分，主要有： 1)铸造箱体，常用的材料是铸铁，有时也用铸钢、铸铝合金和铸铜等。铸铁箱体的特点是结构形状可以较复杂，有较好的吸振性和机加工性能，常用于成批生产的中小型箱体。 2)焊接箱体，由钢板、型钢或铸钢件焊接而成，结构要求较简单，生产周期较短。焊接箱体适用于单件小批量生产，尤其是大件箱体，采用焊接件可大大降低成本。 3)其它箱体，如冲压和注塑箱体，适用于大批量生产的小型、轻载和结构形状简单的箱体。 5.2，设计的主要问题和设计要求 箱体设计首先要考虑箱体内零件的布置及与箱体外部零件的关系，如车床按两顶尖要求等高，确定箱体的形状和尺寸，此外还应考虑以下问题： 5.2.1满足强度和刚度要求。对受力很大的箱体零件，满足强度是一个重要问题；但对于大多数箱体，评定性能的主要指标是刚度，因为箱体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工作精度。 5.2.2散热性能和热变形问题。箱体内零件摩擦发热使润滑油粘度变化，影响其润滑性能；温度升高使箱体产生热变形，尤其是温度不均匀分布的热变形和热应力，对箱体的精度和强度有很大的影响。 5.2.3结构设计合理。如支点的安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高箱体的强度和刚度。 5.2.4工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。 5.2.5造型好、质量小。 设计不同的箱体对以上的要求可能有所侧重。 5.3，主轴箱体结构设计 箱体的形状和尺寸常由箱体内部零件及内部零件间的相互关系来决定，决定箱体结构尺寸和外观造型的这一设计方法称为结构包容法，当然还应考虑外部有关零件对箱体形状和尺寸的要求。 箱体壁厚的设计多采用类比法，对同类产品进行比较，参照设计者的经验或设计手册等资料提供的经验数据，确定壁厚、筋板和凸台等的布置和结构参数。对于重要的箱体，可用计算机的有限元法计算箱体的刚度和强度，或用模型和实物进行应力或应变的测定，直接取得数据或作为计算结果的校核手段。 5.3.1箱体的毛坯、材料及热处理 (1)箱体的毛坯：选用铸造毛坯或焊接毛坯，应根据具体条件进行全面分析决定。铸造容易铸造出结构复杂的箱体毛坯，焊接箱体允许有薄壁和大平面，而铸造却较困难实现薄壁和大平面。 焊接箱体一般比铸造箱体轻，铸造箱体的热影响变形小，吸振能力较强，也容易获得较好的结构刚度。 (2)箱体的材料和热处理 箱体的常用材料有： 铸铁 多数箱体的材料为铸铁，铸铁流动性好，收缩较小，容易获得形状和结构复杂的箱体。铸铁的阻尼作用强，动态刚性和机加工性能好，价格适度。加入合金元素还可以提高耐磨性。具体牌号查阅有关手册。 铸造铝合金 用于要求减小质量且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理进行强化，有足够的强度和较好的塑性。 钢材 铸钢有一定的强度，良好的塑性和韧性，较好的导热性和焊接性，机加工性能也较好，但铸造时容易氧化与热裂。箱体也可用低碳钢板和型钢焊接而成。 箱体的热处理： 铸造或箱体毛坯中的剩余应力使箱体产生变形，为了保证箱体加工后精度的稳定性，对箱体毛坯或粗加工后要用热处理方法消除剩余应力，减少变形。常用的热处理措施有以下三类： A)热时效。铸件在500600C下退火，可以大幅度地降低或消除铸造箱体中的剩余应力。 B)热冲击时效。将铸件快速加热，利用其产生的热应力与铸造剩余应力叠加，使原有剩余应力松弛。 C)自然时效。自然时效和振动时效可以提高铸件的松弛刚性，使铸件的尺寸精度稳定。 5.3.2箱体结构参数的选择 (1) 壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表5-1中选取，表中N用下式计算： N=（2L+B+H）/3000 （mm） 式中L-铸件长度（mm），L、B、H中，L为最大值； B-铸件宽度（mm）； H-铸件高度（mm）； 表5-1 铸造箱体的壁厚 仪器仪表铸造外壳的最小壁厚参考表5-2选取 (2)加强筋 为改善箱体的刚度，尤其是箱体壁厚的刚度，常在箱壁上增设加强筋，若箱体中有中间短轴或中间支承时，常设置横向筋板。筋板的高度H不应超过壁厚t的（3-4）倍，超过此值对提高刚度无明显效果。加强筋的尺寸见表5-3。 (3)孔和凸台 箱体内壁和外壁上位于同一轴线上的孔，从机加工角度要求，单件小批量生产时，应尽可能使孔的质量相等；成批大量生产时，外壁上的孔应大于内壁上的孔径，这有利于刀具的进入和退出。箱体壁上的开孔会降低箱体的刚度，实验证明，刚度的降低程度与孔的面积大小成正比。 在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台，可以增加箱体局部的刚度；同时可以减少加工面。当凸台直径D与孔径d的比值D/d2和凸台高度h与壁厚t的比值t/h2时，刚度增加较大；比值大于2以后，效果不明显。如因设计需要，凸台高度加大时，为了改善凸台的局部刚度，可在适当位置增设局部加强筋。见图5-4。 图5-4(4)连接和固定 箱体连接处的刚度主要是结合面的变形和位移，它包括结合面的接触变形，连接螺钉的变形和连接部位的局部变形。为了保证连接刚度，应注意以下几个方面的问题： 1重要结合面表面粗糙度值Ra应不大于3.2um，接触表面粗糙度值越小，则接触刚度越好。 2合理选择联结螺钉的直径和数量，保证结合面的预紧力。为了保证结合面之间的压强，又不使螺钉直径太大，结合面的实际接触面积在允许范围内尽可能减小。如图19-9。 3合理设计联结部位的结构，联结部位的结构及特点及应用见表5-5。 表5-5 六、拉刀装置设计6.1，刀具自动夹紧机构在数控铣床上多采用气压或液压装夹刀具，常见的刀具自动夹紧机构主要由拉杆、 拉杆端部的夹头、蝶形弹簧、活塞、气缸等组成 。夹紧状态时，蝶形弹簧通过拉杆及夹头，拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合；松刀时，通过气缸活塞推动拉杆，压缩蝶形弹簧，使夹头松开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，即可拔出刀具，进行新、旧刀具的交换，新刀装入后，气缸活塞后移，新刀具又被蝶形弹簧拉紧。 需注意的是，不同的机床，其刀具自动夹紧机构结构不同，与之适应的刀柄及拉钉规格亦不同。为实现刀具在主轴上的自动装卸，主轴上必须带有刀具的自动卡紧机构，通常刀杆都是采用7：24的大锥柄和主轴锥孔配合定心，从而保证刀具回转中心每次装卡后与主轴回转中心都同轴，而且大锥度的锥柄不仅有利于定心，也为松卡带来方便。另外，主轴端面有一键块，通过它既可传递主轴的扭矩，又可用于刀具的周向定位。实现自动拉马的具体机构是由一组碟形弹簧配以一液压装置组成的。使用碟簧拉紧刀具，而用气压缸放松刀具，从而保证在工作中，即使突然断电，刀杆也不会自行松脱。6.2 拉刀装置的工作原理该拉刀装置的工作原理如图6-1所示，当刀具由人工送到7：24主轴锥孔后，刀柄后部的拉钉便被送入到主轴中心的拉杆的前端，当增压气缸接收到刀具已被放入主轴锥孔的信号时，增压气缸活塞推杆便向上运动，拉杆在碟形弹簧(在松刀时已被压缩处于储能状态)能量释放反作用力下，也跟着向上运动，拉杆前端的卡爪(卡爪在圆周方向等分割成6片)由于受到卡爪弹簧的紧箍力作用，而与拉杆紧紧相连，因此弹簧卡爪也跟着向上运动，卡爪末端从35mm开放的圆柱孔经过锥孔进入27mm的主轴圆柱孔，6片卡爪在27mm的主轴圆柱孔中缩小了直径，从而抱住拉钉，同时把拉钉向上拉。由于碟形弹簧力一直作用在拉杆上，所以拉钉一直被紧紧拉住(该拉力大约2万N左右)。当增压气缸接到准备取走主轴锥孔内的刀具信号时，增压气缸活塞推杆便向下运动，克服碟形弹簧反作用力，把拉杆向下推，卡爪末端从27mm圆柱孔经过内锥孔进入开放的35mm圆柱孔内，此时6片卡爪由于弹簧的作用向外扩张，就能把刀具从主轴上取走。因此我们可设计两个控制按钮来实现。