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（优秀毕业全套设计）立式加工中心主轴组件的结构设计

型，所以要以静不定梁的受力方法来解决问题。图示.为静不定梁的铅垂面受力图。为了使其变形与原静不定梁相同，必须满足变形协调条件，即要求。利用叠加法，得挠度为.式中径向切向负荷分力，单位为径向切向负荷，单位为材料的弹性模量，轴惯性矩，。由公式.得。将，代入公式.，则铅垂面的挠度为得得得将，代入公式.，则水平面的挠度为得得得机构草图受力简图水平面受力水平面弯矩图垂直面受力垂直面弯矩图合成弯矩图转矩图图.轴的结构和载荷图段支承反力水平面垂直面段支承反力水平面垂直面段支承反力水平面垂直面段支承反力水平面垂直面轴的受力简图水平面及垂直面受力简图见图.。段弯矩水平面垂直面合成段弯矩水平面垂直面合成段弯矩水平面垂直面合成段弯矩水平面垂直面合成轴的水平面垂直面及合成弯矩图见图.。已知小带轮的输出功率为，同步带的传动效率为。所以，大带轮的输出功率为则大带轮的输出转矩为轴的转矩图见图.。主轴的强度校核从合成弯矩图和转矩图上得知，主轴在截面处承受了较大的弯矩，并且还受到带轮传动所带来的扭矩。因此，这两个截面是危险截面。在校核主轴的强度时应按弯扭合成强度条件进行计算。轴的弯扭合成强度条件为.式中轴的计算应力，轴的抗弯截面系数，折合系数轴的许用弯曲应力，轴所受的扭矩，单位为轴所受的弯矩，单位为。轴的抗弯截面系数为式中轴颈处直径，单位为，此处，为轴孔直径。得根据主轴材料为，由表查得许用弯曲应力。按扭转切应力为脉动循环变应力，取折合系数。将上述参数代入公式.，则轴的计算应力为因为，所以主轴的强度符合要求。主轴的刚度校核轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。对于本课题的主轴，应该按轴的弯曲刚度校核。轴计算刚度经验公式为.式中轴的计算挠度，单位为轴惯性量，单位为轴所用材料的弹性模量，单位为支承跨度，单位为轴所受圆周力，单位为轴所受径向力，单位为。轴的允许挠度，单位为已知。由表查得轴的允许挠度为将上述参数代入公式.，则轴的计算刚度为由于，所以轴能够满足刚度要求。综上所述，轴的强度，刚度均符合校核要求。.主轴组件的支承主轴轴承的类型机床主轴带着刀具或夹具在支承件中作回转运动，需要传递切削扭矩，承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。数控机床主轴支承根据主轴部件的转速承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型结构配置精度安装调整润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛采用。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对转速有很大的限制。数控机床主轴组件在可能条件下，尽量使用了滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主轴。这时滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。图.所示为主轴常用的几种滚动轴承的类型。双列圆柱双列推力向双列圆锥滚带凸缘双列圆柱带弹簧的单列圆滚子轴承心球轴承子轴承滚子轴承锥滚子轴承图.主轴常用的几种滚动轴承的类型为了适应主轴高速发展的要求，滚珠轴承的滚珠可采用陶瓷滚珠。陶瓷滚珠轴承由于陶瓷材料的质量轻，热膨胀系散小，耐高温，所以具有离心小动摩擦力小预紧力稳定弹性变形小刚度高的特点。但由于成本较高，在数控机床上还未普及使用。数控机床主轴支承根据主轴部件的转速承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。不同类型主轴轴承的优缺点见表.。表.数控机床的主轴轴承及其性能性能滚动轴承液体静压轴承气体静压轴承磁力轴承陶瓷轴承旋转精度般或较高，在预紧无间隙时较高高，精度保持性好般同滚动轴承刚度般或较高，预紧后较高，取决于所用轴高，与节流阀形式有关，薄膜反馈或滑阀反馈很高较差，因空气可压缩，与承载力大小有关不及般滚动轴承比般滚动轴承差抗振性较差，阻尼比好，阻尼比好较好同滚动轴承速度性能用于中低速，特殊轴承可用于较高速用于各级速度用于超高速用于高速用于中高速，热传导率低，不易发热摩擦损耗较小，小，小很小同滚动轴承寿命疲劳强度限制长长长较长结构尺寸轴向小，径向大轴向大，径向小轴向大，径向小径向大轴向小，径向大制造难易轴承生产专业化标准化自制，工艺要求高，需要供油设备自制，工艺较液压系统低，需要供气系统较复杂比滚动轴承难使用维护简单，用油脂润滑要求供油系统清洁，较难要求供气系统清洁，较易较难较难成本低较高较高高较高机床主轴轴承发展，经历了滚陶气浮磁浮等阶段。滚动轴承发展到陶瓷轴承，即钢球改为陶瓷球，滚道加或金属。由于陶瓷球具有高刚度高硬度低密度以及低热胀和低导热系数等特点，同时所用油脂为次性，终身润滑，大大地提高了滚动轴承的性能，所以被广泛采用。目前，般中小规格的数控机床如车床铣床钻镗床加工中心磨床等的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承重型数控机床采用液体静压轴承，高精度数控机床如坐标磨床采用气体静压轴承，转速达的主轴则可采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承。数控机床的转速高，为减少主轴的发热，必须改善轴承的润滑方式。在数控机床上的润滑般采用高级油脂封入方式润滑，每加次油脂可使用年。主轴轴承的配置根据主轴部件的工作精度刚度温升和结构的复杂程度，合理配置轴承，可以提高主传动系统的精度。采用滚动轴承支承，有许多不同的配置形式，目前数控机床主轴轴承的配置主要有如图.所示的几种形式。图.数控机床主轴轴承的配置形式在图.所示的配置中，前支承采用双列短圆柱滚子轴承和角接触球轴承组合，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用成对角接触球轴承，该配置可满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机机床。在图.所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由个轴承组成套，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，这种配置适用于高速重载的主轴部件。在图.所示的配置形式中，前后支承均采用成对角接触球轴承，以承受径向载荷和轴向载荷，角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达，但这种轴承的承载能力小，因而这种配置适用于高速轻载和精密的数控机床主轴。在图.所示的配置形式中，前支撑采用双列圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，这种配置径向和轴向的刚度高，可承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好，但主轴转速和精度的提高受到限制，因此适用于中等精度，低速与重载荷的数控机床主轴。主轴轴承的预紧对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量，可以提高主轴部件的回转精度刚度和抗振性。滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是通过轴承内外圈的相对轴向移动来实现的。轴承内圈移动这种方法适用于锥孔双列圆柱滚子轴承。用螺母通过套筒推动内圈在锥形轴颈上做轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达到预紧的目的。图.所示为几种轴承内圈的预紧形式。图.轴承的预紧形式图.结构简单，但预紧量不易控制，常用于轻载机床主轴部件。图.用螺母限制内圈的移动量，易于控制预紧量。图.在主轴凸缘上均布数个螺钉以调整内圈的移动量，调整方便，但是用几个螺钉调整。易使垫圈歪斜。图.将紧靠轴承右端的垫圈做成两个半环，可以径向取出，修磨其厚度可控制预紧量的大小，调整精度较高，。修磨座圈通过修磨轴承的内外座圈，可以调整轴承的预紧力。图.所示为两种修磨的形式。修磨轴承内圈的内侧修磨轴承外圈的内侧图.修磨轴承座圈图.为轴承外围宽边相对背对背安装，这时修磨轴承内圈的内侧，使间隙增大。图.所示为外围窄边相对面对面安装，这时修磨轴承外圈的窄边。在安装时按图示的相对关系装配，并用螺母或法兰盖将两个轴承轴向压拢，使两个修磨过的端面贴紧，这样能够使两个轴承的滚道之间产生预紧。另种方法是将两个厚度不同的隔套放在两轴承内外圈之间，同样将两个轴承轴向相对压紧，使滚道之间产生预紧，隔套调整法如图.所示。图.隔套调整法主轴支承方案的确定主轴轴承的不同配置形式对主轴组件刚度损失有巨大的影响，从而确定当支承跨距较大时，降低支承刚度，或适当增大主轴轴颈直径和内孔直径是减小主轴组件刚度损失的有效措施，并可提高其动态性能。本课题采用陶瓷球轴承做主轴支撑，即用氮化硅材料做成陶瓷球来替代滚珠，轴承内外套圈仍为钢套圈。虽然只是把钢球变成了氮化硅球，但是另方面，沟道的几何尺寸也作了改进以优化轴承性能。这种轴承在减小了离心力的同时，也减小了滚珠与该道间的摩擦力，从而获得较低的温升及较好的高速性能。混合陶瓷球轴承最常见的形式是角接触球轴承，它可以在既有径向也有轴向负荷时有效地高速运转。但是轴向负荷只能从个方向施加。因此，这些轴承通常成对安装并施加预负荷以保证正确的接触角。由于加工中心在加工时不仅需要受到轴向力，还会受到定的径向力。因此在本课题的轴承配置中选用如图.的方式。而本课题的预紧方式采用隔套调整法及双螺母预紧。轴承的配合由于主轴轴承在工作时基本上都是内圈旋转外圈相对固定不动,且主轴承受载荷多为定向载荷。因此,为了提高轴承的刚性,防止轴承在工作期间因摩擦发热而引起内圈膨胀,导致内圈与主轴之间产生相对转动现象,精密机床主轴轴承内圈与主轴之间般选择过盈配合。另外,为了使轴承外圈沟道不只在局部受力,允许轴承外圈在轴承座内出现蠕动现象,以尽可能地延长轴承的使用寿命。同时,为防止轴承外圈因热膨胀引起与轴承座之间的过紧现象,引起轴承预紧增加,导致摩擦发热加剧,故轴承外圈与轴承座之间般选择间隙配合。在本课题中，固定端前支承的角接触球轴承与轴承座的配合采用间隙配合,配合目标间隙值取。为了提高机床的切削刚性，该轴承与主轴的配合采用过盈配合,配合目标过盈量取。而后支承的角接触球轴承与主轴选用过盈配合,配合目标过盈量取。与轴承座之间为间隙配合,配合目标间隙值取。主轴轴承设计计算.轴承受力分析轴承的受力简图参见图.。从图上可知，在两处所用的是同种型号的角接触球轴承，且处的轴承是成对使用，共同承担支承作用。所以，校验处轴承只需取受力最大处即可。已知，则轴承所受径向合力为轴承所受径向合力为.轴承寿命计算轴承的工作年限为年年按天计算，每天两班工作制按计算，则轴承预期计算寿命为已知轴承所受的轴向负荷，径向负荷。由表查得分界判断系数。由表查得径向动载荷系数，轴向动载荷系数。根据载荷性质为中等冲击，由表查得载荷系数般为，取。则轴承的当量动载荷为以小时数表示的轴承寿命单位为为.式中失效率可靠度的基本额定寿命轴承的转速，单位为基本额定动载荷，单位为当量动载荷，单位为寿命指数，对球轴承，滚子轴承。查表得基本额定动载荷。将上述参数代入公式.，则以小时数表示的轴承寿命为由于，所以能够满足要求。.轴承寿命计算轴承的工作年限为年年按天计算，每天两班工作制按计算，则轴承预期计算寿命为已知轴承所受的轴向负荷，径向负荷。由表查得分界判断系数。由表查得径向动载荷系数.，轴向动载荷系数.。根据载荷性质为中等冲击，由表查得载荷系数般为，取。则轴承的当量动载荷