SK40立式数控铣床设计-主轴部件设计

2021-03-26 来源：年旅网

摘要.................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................... II 第1章绪论 ........................................................................................................................ 1

1.1 数控技术及数控加工的基本概念....................................................................... 1 1.2 数控机床的组成与分类....................................................................................... 2 1.3 数控机床的特点与数控机床的发展方向........................................................... 4 1.4 SK40主轴与刀柄简介 ......................................................................................... 4 第2章 SK40立式数控铣床主传动系统方案的确定 ...................................................... 6

2.1 立式数控铣床主传动系统简介........................................................................... 6 2.2 对立式数控铣床主传动系统的要求................................................................... 6 2.3 主传动的类型及方案选择................................................................................... 7 第3章电机的选择 ............................................................................................................ 9

3.1 确定主轴传动功率............................................................................................... 9 3.2 电机的选择......................................................................................................... 10 3.3 主轴的变速过程..................................................................................................11 第4章主轴系统参数计算及部件设计 .......................................................................... 12

4.1 主传动变速系统主要参数计算......................................................................... 12

4.1.1 计算切削功率........................................................................................... 12 4.1.2 计算主传动功率....................................................................................... 13 4.1.3 变速级数Z的确定 .................................................................................. 13 4.2 主轴组件设计..................................................................................................... 13

4.2.1 概述........................................................................................................... 13 4.2.2 主轴结构设计........................................................................................... 14 4.2.3 主轴强度的校核....................................................................................... 19 4.3 轴承的设计......................................................................................................... 23

4.3.1 概述........................................................................................................... 23 4.3.2 轴承的类型选择....................................................................................... 23 4.3.3 轴承游隙等级的选择............................................................................... 24 4.3.4 轴承的寿命计算....................................................................................... 24 4.3.5 轴承布局................................................................................................... 24 4.3.6 轴承装置的设计....................................................................................... 25

第5章主轴的加工工艺设计 .......................................................................................... 29

5.1 主轴加工工艺的主要内容................................................................................. 29 5.2 对电主轴进行工艺分析..................................................................................... 29 5.3 电主轴的工艺路线设计..................................................................................... 30

5.3.1 工序的划分............................................................................................... 30 5.3.2 工步划分................................................................................................... 30 5.4 电主轴加工工序设计......................................................................................... 30 5.5 制定加工工艺卡................................................................................................. 31 参考文献…………………………………………………………………………………Ⅲ

摘要

本文介绍了立式数控铣床的一些基本概况，简述了机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。立式数控铣床主传动系统包括了主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了立式数控铣床主传动系统的设计过程，该立式数控铣床主轴变速箱是靠齿轮进行传动的，主轴箱传动系统采用齿轮传动，传动形式采用集中式传动，主轴变速系统采用多联滑移齿轮变速。齿轮传动具有传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确等优点。文中介绍了立式数控铣床主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计、轴承的选用及润滑、关键零件的校核等设计过程。关键词：立式数控铣床；主传动系统；主轴组件；主轴电动机

Abstract

This text introduces the sign type number to control some basic general situations of the miller, Chien says the tool machine lord to spread the principle and types of move the systems, analyzing various mechanism that spreads to move the project.The sign type number controls the miller lord to spread to move the system to include the principal axis electric motor, principal axis to spread to move the system and the principal axis module three partses to constitute.Detailed introduction of this text the sign type number controls the design process that the miller lord spreads to move the system, should the sign type number control the miller principal axis to become soon the box is to is carry on by wheel gear to spread to move of, the principal axis box spreads to move the system adoption wheel gear to spread to move, spreading to move the form adoption concentration type to spread to move, the principal axis become soon many of the system adoption slip to move the wheel gear to become soon.The wheel gear spreads to move to have to spread to move the efficiency high, the structure tightly packed, work credibility, the life span is long, spreading to move than accurate etc. advantage.It introduced the sign type number to control the miller lord to spread to move various comparison, lord that spreads to move the project merit and shortcoming of system to spread in the text the choice and assurance, lords of move the projects spread to move to become soon system of design, bearings of design calculation, the principal axis module choose the control of the school pit, and the principal axis electric motor of use the lubrication, the key spare parts etc. the design process.

Key words： The sign type number controls the miller;The lord spreads to move the system;Principal axis module;Principal axis electric motor.

第1章绪论

1.1 数控技术及数控加工的基本概念

1、数控技术

数控技术是本世纪中期发展起来的机床控制技术，是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透行程的机电一体化铲平，即所谓的数字化装备[1]。

(1)数控与数控机床

数字控制 (Numerical Control，简称 NC） ,国家标准定义为：是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法[2]。定义中的机床，不仅指金属切削机床，还包括其他各类机床，如线切割机床等。

数控机床（Numerical Control Machine Tools）是技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工装备。简单地说就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床[3]。国际信息处理联盟（Internaional Federationof Information Proceccing，简称 IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他符号编码指令规定的程序。

(2)数控系统

数控系统（NC System）就是上诉定义中所指的那种程序控制系统[4] ，它是逻辑地处理驶入到系统中具有特定代码的程序，并将其译码，从而使机床运行并加工零件。

数控系统在本质上是一台计算机。在硬件方面，它经历了电子管、晶体管、小规模集成电路、微处理机到当前 PC结构的五代发展；在体系结构上，经历了硬件数控系统（NC）、计算机数控（CNC）、到目前的 PC数控（PC-NC）三个阶段 [5]。

2、数控加工

数控加工技术是 20世纪 40年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化加工技术。数控加工就是用数控机床加工零件的方法。数控加工是

伴随数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们长期从事数控加工实践的经验总结。

1.2 数控机床的组成与分类

1、数控机床的组成

数控机床的种类很多，但是任何一种数控机床都主要由数控系统、伺服系统和机械系统组成。

(1)数控系统

数控系统是数控机床的核心，是数控机床的 “ 指挥系统 ” 。数控系统通常是一台带有专门系统软件的专用微型计算机。

(2)伺服系统

伺服系统（或称驱动系统）是数控机床的执行机构[6]，是由驱动和执行两大部分组成。用于实现数控机床的进给伺服控制和株洲伺服控制。它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给熟读、方向和位移。

(3)机械系统

数控机床的机械系统，除机床基础件意外，有下列各部分组成 : a、主轴部件：包括主轴电动机和主轴传动系统。 b、进给系统：包括进给执行电动机和进给传动系统。 c、实现共建回转、定位的装置和附件。

d、实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。

e、刀库和自动换刀装置 (Autormatic Tools Changer，简称 ATC) [7] f、自动托盘交换装置（Autormatic Pallet Changer，简称 APC）

机床基础件或称机床大件，通常是指床身 (或底座 )、立柱、滑座和工作台等，它是整台机床的基础和框架[8]。

1、数控机床的分类 (1)按工艺用途分

按照工艺的不同，数控机床可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控齿轮加工机床、数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控冲床、

数控剪床、数控液压机等各种工艺用途的数控机床[9]。

(2)按运动方式划分

按运动方式即刀具与工件相对运动方式，数控机床可分为：点位控制、直线控制和轮廓控制[10]。

(3)按伺服系统类型划分

按伺服系统类型的不同，数控机床可分为：开环伺服系统数控机床、闭环伺服系统数控机床和半闭环伺服系统时空机床。

a、开环伺服系统数控机床

开环伺服系统数控机床是一种不叫原始的数控机床。这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数据指令给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号[11]。最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统。这类系统的信息流是单向的，即进给脉冲发出去以后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制。这类机床较为经济，但加工速度和加工精度较低。

b、闭环伺服系统数控机床

闭环伺服系统数控机床带有检测装置，直接对工作台的位移量进行检测[12]。这类控制系统，因为把机床工作台纳入位置控制环，故称为闭环控制系统。该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差，因而定位精度高、调节速度快。但由于该系统受进给丝杠的拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，给调试工作造成较大的困难。由于闭环伺服系统复杂和成本高，故适用于精度要求很高的数控机床，如精密镗铣床、超精密数控机床等。

c、半闭环伺服系统数控机床

大多数数控机床是半闭环伺服系统，这类系统介于开环和闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，因而得到了广泛的应用。

(4)按数控机床系统的功能水平划分

按数控机床系统的功能水平可分为：低档、中档和高档。按控制轴数和联动轴数可分为几轴联动等多种数控机床；按数控机床功能多少可分为经济型数控机床和全功能型数控机床等 [13]。

1.3 数控机床的特点与数控机床的发展方向

1、数控机床的特点

数控机床与普通机床比较具有以下特点。（ 1）自动化程度高。（ 2）进给传动机构简单。（ 3）工艺复合化和功能集成化。（ 4）具有加工复杂形状两件的能力。（ 5）具有高度柔性，适用性强。（ 6）加工精度高、质量稳定。（ 7）生产效率高。 2、数控机床的发展方向

当今数控机床正朝着以下几个方向发展。（ 1）高速度、高精度。（ 2）多功能化。（ 3）智能化。

（ 4）目前 CAD/CAM图形交互式自动变成已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。

（ 5）可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。（ 6）控制系统小型化和时空系统小型化便于将机、电装置结合为一体[14]。

1.4 SK40主轴与刀柄简介

加工中心的主轴锥孔通常分为两大类[15]，即锥度为 7： 24的通用系统和 1： 10的 HSK真空系统。 SK系列主轴与刀具属于锥度为 7： 24的德国 DIN标准通用系统。 SK40刀柄如图 1.1所示，各尺寸数值见表 1.1。

图1.1SK40刀柄表1.1 SK40刀柄尺寸

规格 SK40 D1 44.45 D2 17 D3max 48 D4 50 D5 63.55 D6 72.3 L1 68.4 5

第2章 SK40立式数控铣床主传动系统方案的确定

2.1 立式数控铣床主传动系统简介

主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，他应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。

数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上简单，这是因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。

在主传动系统方面，具有下列特点：

(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。

(2)转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。

(3)变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般 Rn＞100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

(4)主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。

2.2 对立式数控铣床主传动系统的要求

（1）主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。

（2）主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有是够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。

（3）主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热

变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。

（4）操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。

（5）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。

2.3 主传动的类型及方案选择

数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级凋速系统。为扩大调速。

为了适应不同的加工要求，目前主传动系统主要有三种变速方式 1、具有变速齿轮的主传动

这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，见图 2.1所示。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。

图2.1 变速齿轮主传动图2.2 带传动主传动

2、通过带传动的主传动

通常选用同步齿形带或多楔带传动，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声，见图 2.2所示。

3、由调速电机直接驱动的主传动

这种主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。如图 2.3所示。

图2.3 直接驱动的主传动

近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量亦使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机最高转速可达 20000r/min。

本次设计采用调速电机直接驱动的主传动。使主轴获得较高的转速和骄傲大的转矩。二级以上齿轮变速系统虽然此种结构复杂，制造和维修费用高，但和以上两种驱动方式比，变速装置多采用齿轮变速结构，可以使用可调的交、直流无级变速电动机，经齿轮变速后，实现分段无级变速，调速范围增加，且能满足各种切削运动的转矩输出，因此选用调速电机直接驱动的主传动。

第3章电机的选择

现在的数控铣床能够实现无级变速或无级变速加有级变速，数控铣床一般都采用由直流或交流调速电动机作为驱动的电气无级调速。由于数控铣床的运动调速范围较大，单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。

3.1 确定主轴传动功率

数控铣床的加工范围一般都比较大，所传动的额定功率可以根据典型切削工艺的情况计算，根据设计的铣床主要的加工范围，查机床设计手册确定如下典型加工工艺：用高速刚圆柱平刀铣削灰铸铁工件平面，刀具直径 D=100mm，刀齿数为 10，工件材料为 HT200，硬度 190HBS，切削速度v=23.5m/min，进给速度为 160mm/min，背吃刀量 a＝ 5mm，切宽为 75mm。

p由公式 n=

1000v计算得 n=1200r/min D160160＝＝0.013mm 101200zn则每齿进给量 sz＝

根据典型切削工艺公式： P切＝2.8× 10· t20.9HB0.74· sz· B· z· n·

091式中： t— 切削厚度，即被吃刀量（mm）

sz— 每齿进给量（mm）

B— 切削宽度（mm） Z— 刀齿数 HB—材料硬度代入数值得

P切=2.8×10×5

20.9×0.013

0.74190×75×10×1200×=4300W=4.3KW

1909

主传动的总效率一般可取为η=0.70～0.85,数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动实现，传动链较短，因此效率可取较大值，由此可求得主轴传递的功率为

p切=

4.3=5.4kw 0.83.2 电机的选择

现在数控机床常用直流电动机和交流调频电机两种。目前，中小型数控机床中，交流调频电机已占优势，有取代直流电机之势。本文所设计的铣床采用交流调频电机调节电源频率来达到调速的目的，额定转速常为1500r/min，如图 3.1所示是变速电机的功率特性。从额定转速 nd到最高转速 nmax的区域Ⅰ为恒功率区，从最低转速 nmin至 nd的区域Ⅱ为恒转矩区。

图 3.1 变速电动机的功率特性

在设计数控铣床主传动时，必须考虑电机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围 Rnp远大于电机的恒功率变速范围 Rdp，所以在电机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其功率调速范围，满足低速大功率切削时对电机的输出功率要求。为了简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比 可取大于电机的恒功率调速范围 Rdp，即 >Rdp。这时，变速箱

ff每挡内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统功率特性图中出现 “ 缺口 ” ，称之功率降低区。使用 “ 缺口 ” 范围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输

出的全部功率。为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应的增大。为了满足主轴传递 5.4kw，最高转速 4000r/min的要求，选择上海富田电机生产的IAG系列变频调速专用感应电动机，其型号为 IAG132M-1500-7.5。

其中：IAG—系列代号 132— 极座号（中心高）

M— 机座长度代号，有 S、 M、 L三种类型 1500— 基本转速 Nb（单位： r/min） 7.5— 额定功率（单位：kw）

电机在 60-1500r/min内，实现恒扭矩输出，在 1500-500r/min内实现恒功率输出；最高转速可以达到 6000r/min，当电机转速达到 6000r/min，扭矩特性不好，因此一般情况下转速只达到 4500r/min

3.3 主轴的变速过程

为了实现数控铣床的无级变速，本设计采用的是交流调频电机，通过对电源频率的调节来实现主轴的增 /减速传动。

第4章主轴系统参数计算及部件设计

4.1 主传动变速系统主要参数计算

4.1.1 计算切削功率

1、切削力的计算

铣削时的切削力，公式如下

CafBZ0.98F （4-1） D0.86pFZC0.860.74式中 F— — 铣削时的主切削力（N）

CC— — 加工材料影响的系数

FfZ— — 每齿进给量（ mm）

a— — 背吃刀量（ mm）

pB— — 铣削宽度 Z— — 铣刀齿数

D— — 铣刀直径 (mm)

用直径 D=50mm的四齿锥柄立铣刀，铣刀宽 B=40mm的刚工件， f=0.05mm，

za=4mm，C=68mm，

计算得：F=132N

C2、切削功率的计算

切削时所消耗的功率称为切削功率。切削功率的公式计算：

P式中： P— — 切削功率（kw）

CCFV （4-2）

CC6000F— — 切削力（N）

CV— — 切削速度（m/min）

C根据机床设计手册典型加工条件以及钢材料的铣削速度范围，取

V=100m/min

c计算得： P=2.2kw

C12

3、主轴转速范围的确定

主轴最高转速为 nmax4000r/min，最低转速为 nmin40r/min 4.1.2 计算主传动功率

用下列粗略估算主电动机的功率

P （4-3） PCLC式中，为铣床主传动系统总机械效率，主运动为回转运动时，

CC0.7~0.8；主运动为直线运动时， 0.6~0.7。

C取主传动的总效率 =0.7 则初选电动机功率

P取 Pd4kw 电动机额定转速为

d2.2/0.73.14kw

n额定最高转速为

d1500r/min

n4.1.3 变速级数Z的确定

如取变速箱的公比 fdmax4500r/min

Rdp3

z1f则由于无级变速时 R故变速箱的变速极数

npRdpzf

ZlgRnplgf可取Z=3 （4-4） lg19.52.704lg3虽然此中方法功率特性图示连续的、无缺口 (即没有功率降低区 )和无重但是 Z=3，变速箱机构较复杂。

因此为简化变速箱机构，取Z=2。

4.2 主轴组件设计

4.2.1 概述

主轴部件设计是机床重要部件之一，它是机床的执行件。它的功用是支撑并带

动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成型运动。

1、轴的分类

轴是机械传动的一个重要零件，一般作回转运动的零件常要装在轴上才能实现其回转运动。其承载在载荷可分为：

（1）转轴 — — 工作时既承受弯矩又承受扭矩。（2）心轴 — — 用于支撑转动零件，只承受弯矩。（3）动轴 — — 传递扭矩。

在高速传动的轴不仅要考虑轴的材料、结构、强度和刚度，而且要防止轴的振动（动平衡）。此外，注意轴上零件的固定，结构工艺性，热处理等要求。作为制造机器的机器上的轴，设计的主要原则是：刚度原则 ,本次设计选择转轴。

2、主轴材料

轴的材料主要是碳钢和合金钢。数控主轴主要传递扭矩，且在高速旋转中产生大量的热，产生一定的轴伸长，其他零件的变形，从而影响加工精度和表面质量。从多方面考虑选用40Cr为本次数控铣床主轴材料。

4.2.2 主轴结构设计

主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。

1、主轴部件应满足的基本要求

（1）旋转精度主轴的旋转精度指装配后，在无载荷、低转速条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和端面圆跳动。其主要取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。

（2）刚度主轴部件的刚度指其在外加载荷的作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性形变时，在位移方向上所施加的作用力来定义。如图4.1所示。主轴部件的刚度是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件布置形式、主轴部件的制造和装配质量都影响主轴部件的刚度。

图4.1 主轴受载图

（3）抗振性主轴部件的抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力。在切削过程中，主轴部件不仅受静态力作用，同时也受冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动。影响抗振性的主要因素是主轴部件的静刚度、质量分布及阻尼。其评价指标是主轴部件的低阶固有频率与振型。

（4）温升和热变形主轴部件运转时，因相对运动产生的摩擦热、切削的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的热变形。其引起轴承间隙变化，润滑油温度升高会使粘度降低，这些变化会影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。

（5）精度保持性主轴部件的精度保持性指长期保持其原始制造精度的能力。磨损是主轴部件丧失原始精度的主要原因。因此，必须提高主轴部件的耐磨性。对耐磨性影响较大的有主轴的材料、轴承的材料、热处理方式、轴承类型及润滑防护方式等。由于机械结构的要求而需在轴中装设其他零件或者减少轴的质量具有特别重大的作用的场合 ,则将轴制成空心的 ,空心轴内径与外径的比值通常为 0.5-0.6为保证轴的刚度和扭转稳定性。

轴的设计也和其他的零件的设计相似，包括结构设计和工作能力的计算两方面的内容。

轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺性等方面的要求 ,合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构不合理会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性 ,还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此轴的结构设计很重要。

轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。对于机械装备则需刚度计算，防止工作时产生过大的弹性变形，影响加工精度和表面质量。对于高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，防止发生共振而破坏。

2、轴的结构设计

轴的结构主要取决于以下因素 :

（1）轴在机器中的安装位置及形式；

（2）轴上安装零件的类型、尺寸、数量和轴连接的方法；（3）载荷的性质、大小、方向及分布情况；（4）轴的加工工艺。

不论什么条件 ,轴的结构应满足以下条件：

（1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置 ,周向和轴向要有准确的定位；

（2）轴上的零件应便于装拆和调整；

（3）轴应具有良好的结构工艺性和制造工艺性。 3、草拟轴上零件的装配方案

图4.2 主轴装配图

预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和关系，如图4.2所示立式数控铣床主轴的装配。

端盖（曲路密封）、套筒（曲路密封）、前轴承（前支撑）、轴套、轴承（后支撑）、套筒（曲路密封）、齿轮（动力输入部分）、圆螺母、轴承、端盖、依次从轴的后端向前端安装。

4、轴上零件的定位

为防止轴上零件受力时发生沿轴向和周向的相对运动 ,轴上零件除了有游动或空转要求外 ,都必须进行轴向和周向定位 ,以保证其准确的工作位置。

1）零件的轴向固定 :通常由轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母来保证；

2）零件的周向固定 :周向固定的目的是限制轴上零件与轴发生相对运动。常用周向定位零件有键、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。

5、各轴段直径与的确定

由轴的结构和拉刀方式确定出轴的最小直径：立式数控铣床主轴必须制成空心轴，且又因为 为空心轴的内径 d1与外径 d之比，为了保证轴的刚度和扭转刚度 ,通常在 0.5~0.6之间 ,取为0.6。故d=50mm。按轴上零件的装配方案和定位要求，从 dmin处起逐一确定各轴段的直径。在实际的设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验确定，或参考同类机器用类比的方法确定。

有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件的部位的轴径，应取为相应的标准值及所选的配合公差。且在这样的轴段需 0.5mm的碳氮共渗层。为了使带轮、轴承等有配合要求的零件装配拆卸方便，并减少配合面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径，发挥轴肩的作用。

确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还需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邻零件必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠与带轮等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2~3mm，所以取 Dmax=100mm。

（1）主轴悬伸量 a与前端轴颈 D1之比可按下表 4.1选择：

表4.1 主轴悬伸量与前端轴颈之比机床和主轴的类型通用和精密机床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承和支架中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸较长的精密镗床和内圆磨床孔加工机床应用加工细长孔的机床，由加工技术决定，需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，因切削较长而不适用于有高精度要求的机床 a/D1 0.5~1.5 1.25~2.5 >2.5 取 a=65mm （2）主轴合理跨距的选择：

在具体设计时，常常由于结构上的限制，实际跨距 l≠ l0最佳合理跨距。这样就造成主轴组件的刚度损失。在设计中一般认为 l/l0=0.75~1.5时，刚度损失不大（5%左右）。应该认为在合理范围之内，称之为合理跨距，合理跨距 l合理=（ 0.75~1.5） l0是一个区域。

6、提高主轴强度的措施

轴和轴上零件的结构、工艺及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的影响，所以应在这些方面进行考虑，以利提高轴的承载的能力，减小轴的尺寸和机器的质量，降低制造成本。

（1）合理布置轴上零件以减小轴的载荷。

为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度。

通常轴是在变应力条件下工作的，轴的截面尺寸发生突变处产生应力集中，轴的疲劳破坏也常常发生在此处。轴肩要采用较大的 R减小应力集中；选择合适的配合关系；可在轮毂或轴上开减载槽；切制螺纹处的应力集中较大，应避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。

（2）改进轴的表面质量提高轴的疲劳强度。

轴的表面愈粗糙，疲劳强度愈低。因此，应合理减小轴的表面及圆角处的

Ra，提高轴的疲劳强度。表面强化处理的方法有：表面高频淬火；表面渗碳、氮化；碾压、喷丸等强化处理。

7、轴的结构工艺性

轴的结构工艺性指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，生产率高，成本低。一般说，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简单。

为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45° 的倒角；需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。为了减少加工刀具种类和提高劳动生产率，轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽量采用相同的尺寸。

主轴结构设计如图4.3：

图4.3主轴结构示意图

4.2.3 主轴强度的校核

常见轴材料见表4.2所示。

表4.2 常见轴材料

轴的材料 [] A0 Q235-A、20 15-25 149-126 Q275、 35 20-35 135-112 45 25-45 126-103 40Cr 35-45 112-97 1、按扭转强度进行计算下面这种方法只是按轴所承受的扭矩来计算轴的强度；如果还承受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。在作轴的结构设计时通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为计算结果。轴的扭转强度条件为

TWT95500000.2d3Pn （4-5）

TTT— — 扭转切应力，单位 MPa

T— — 轴所受的扭矩，单位为 Nmm

WT— — 轴的抗扭截面系数，单位为 mm3 n— — 轴的转速，单位为r/min P— — 轴传递的功率，单位为 kw d— — 计算截面处轴的直径，单位为 mm

T— — 许用扭转切应力，单位为MPa

由上式可的直径

d9550000PPA03 （ 4-6）

0.2Tnn式中 :A039550000102mm2

0.2T对于空心轴

d3P18mm （ 4-7） 4n(1)应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径 d>100mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大 7%。对于直径 d<100mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大 5%-7%有两个键槽时，应增大 10%-15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径 dmin。

2、强度校核计算

轴的精确计算主要是轴的强度和刚度校核计算，且在满足轴的强度和刚度要求，必要时还应进行轴的振动稳定性计算。

进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况 ,采取相应的计算方法 ,并恰当地选用许用应力。 BT30铣床机械主轴既承受弯矩又承受扭矩 ,应按弯扭合成强度条件进行计算 ,需要时还应按疲劳强度进行精确校核计算。

按扭转强度条件进行校核计算。

TTTT （ 4-8） 32bt(dt)WTd16d式中： T— — 扭转切应力，单位 MPa。 T— — 轴所受的扭矩，单位为 Nmm。 d— — 计算截面处轴的直径，单位为 mm。

T— — 许用扭转切应力，单位为 MPa。

WT— — 轴的抗扭截面系数，单位为 mm3。

由《机械设计手册》表 8-348查得 T为 45MPa；由《机械设计课程设计手

册》表 4-1（GB1059-79）可查得 t5.0mm； b12mm； T42Ngmm。

将以上各值代入式（2-4）得：

T=4.7MPa

2、按弯扭合成强度计算：

过轴的结构设计，轴上零件的位置，外载荷和支反力的作用位置都已确定，算出轴上载荷。

由金属切削手册表得：

表4.2 参数表

项目数值参数 D B S t Z 50mm 30mm 0.1mm/齿 8mm 4 表 9-7 表 9-4 表 9-11 t=0.02*D 表 9-7 出处《金属切削手册》由金属切削机床夹具设计手册表 3-56得 0.88P1150t1.06szD1.3B0.90n0.18z115081.060.10.88501.3300.960000.184 1758查手册表 1-2逆铣时得

PP纵P0.8横0.7垂0.5P,P,P

所以 p纵0.817581406N,

p横0.717581230N

P垂0.51758879N 求出支反力：已知

P径879N；

p横0.71758=1230N

Fr1Fr2879Fr10.3Fr20.6059850.0445.50

Fr2885N联立解得： Fr11764N 刚度校核计算:

轴在载荷作用下 ,将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过了允许的限度 ,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。对于制造产品的铣床主轴来说刚度是关键。

由误差复映原理可知 ,刚度较差的机床造出的产品 ,根本就谈不上精度。因此 ,本次设计的 SK40主轴必须校核刚度。

轴的弯曲刚度以挠度和偏转角来度量的 ;扭转刚度以扭转角来度量。主要任务是 :计算主轴在受载时的变形量 ,并控制其在允许范围内。刚度校核计算：

阶梯轴的刚度条件： 

1zTili5.7310LGi1Ipi4 (4-9)

T— — 扭矩，单位为 N mm

G— — 剪切弹性模量，单位为 MPa，对于各种钢材， G8.1104MPa

IP— — 极惯性矩，单位为 mm4 L— — 阶梯轴受扭矩的长度，单位为 mm Z— — 阶梯轴受扭矩轴段数

Ti、 li、 Ii— — 阶梯轴第 i段上的扭矩、长度、惯性矩

dv19.6mm

0.190.064444(0.080.037)(0.0750.0155)332320.21i144(0.0450.03)3222

5.73104420.34788.110100.168/mm由《机械设计》查得 0.25~0.5° /m，显然，。故满足刚度条件。

4.3 轴承的设计

4.3.1 概述

由于在高速机械上使用的轴承对于转速的要求很高，国内的标准轴承无法满足本次设计要求，根据本次设计的要求选取国外生产的 FAG型号轴承为本次设计所用轴承。

4.3.2 轴承的类型选择

通过本次设计的 SK40铣床机械主轴的受力分析可知：轴承在工作过程中，既受径向载荷又受轴向载荷。因此，本次设计必须选用角接触球轴承。

由于本次设计的主轴为高速机械主轴，所以对主轴轴承要求较高，国内的标准轴承以无法满足本次设计，所以选择国外的 FAG型号轴承作为本次设计所选轴承。

(1)主轴前端支撑用角接触球 FAG轴承 XCB7013C.T.P4S参数如表 4.3所示。

表4.3 FAG轴承XCB7013C.T.P4S

（2）主轴后端支撑用角接触球FAG轴承XCB7010C.T.P4S参数如表 4.4所示。

表4.4 FAG轴承XCB7010C.T.P4S

（3）花键轴用圆珠滚子 FAG轴承 FD1007T.P4S参数如表4.5所示。

表4.5 FAG轴承FD1007T.P4S

4.3.3 轴承游隙等级的选择

为了提高主轴的刚度和抗振性，SK40铣床主轴采用三支承方式，且前面和中间为主要支承，后面支撑为辅助支承。但是三支承方式对三支承孔的同轴度要求较高，制造装配较复杂。主轴承也应消除间隙或预紧，且辅助支承必须选用较大游隙的轴承。因此，前、后轴承选 4组游隙并预紧，辅助支承选用 4组游隙。 4.3.4 轴承的寿命计算

轴承在承受负荷旋转时，由于套圈滚道面及滚动体滚动面不断地受到交变负荷的作用，即使在正常的使用条件下，也会因材料疲劳使滚道面及滚动面出现疲劳损伤。出现这种滚动疲劳损伤之前的总旋转数称做轴承的“（疲劳）寿命”。即使是结构、尺寸、材料、加工方法等完全相同的轴承，在同样条件下旋转时，轴承的（疲劳）寿命仍会出现较大的差异。这是因为材料疲劳本身即具有离散性，应从统计的角度来考虑。于是就将一批相同的轴承在同样条件下分别旋转时，其中 90%的轴承不出现滚动疲劳损伤的总旋转数称做 “ 轴承的基本额定寿命 ” （即可靠性为 90%的寿命)。在以固定的转速旋转时，也可用总旋转时间表示。但在实际工作时，还会出现滚动疲劳损伤以外的损伤现象。这些损伤可以通过做好轴承的选择、安装和润滑等加以避免。本次设计所以轴承的寿命符合要求。 4.3.5 轴承布局

表4.6 常用轴承布局方式

配置方式可达到的转速系数 0.85  24

    0.80 0.75 0.65 0.72 为了适应高速运行同时保证一定的刚度，本次设计采用面对面设置。按轴承参数可知，轴承的极限转速为22000r/min 配置选第五种，其速度系数为 0.65，则可得最高转速为

Nmax0.722200015840/min4000r/min

所以完全可以实现转速为 4000r/min的设计要求。

又因为轴承支点跨距较大，温升较高，所以本设计采用一端固定，一端游动的轴承固定方式。并且是三支承方式。

4.3.6 轴承装置的设计

要想保证轴承顺利的工作，除了正确选择轴承类型和尺寸外，还应该正确设计轴承的装置。轴承装置的设计主要是正确解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等问题。下面提出一些设计中注意的要点。

1、轴承的配置

一般来说，一根轴需要两个支点，每个支点可由一个或一个以上的轴承组成。合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置、防止轴向窜动以及轴受热膨胀后导致将轴承卡死等因素。

常用的轴承配置方法有以下三种 : 1）双支点单向固定。

这种轴承配置常用两个反向安装的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，两个轴承各限制一个方向的轴向移动。

2）单支点双向固定。

对于跨距较大（如大于350mm）且工作温度较高的轴，其热伸长量大，应采用一支点双向固定，另一支点游动的支承结构。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向都要固定。作为补偿轴的热膨胀的游动支

承，若使用的是内外圈不可分离型轴承，只需固定内圈，其外留在座孔内应可以轴向游动。

3）两端游动支承

对于一对人字齿轮轴，由于人字齿轮本身的相互轴向定位作用，它们的轴承内外圈的轴向紧固应设计成只保证其中一根轴相对机座有固定的轴向位置，而另一根轴上的两个轴承都必须是游动的，以防止齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均匀。

首先通过SK40主轴的工作情况来说，是内圈旋转，外圈固定。SK40主轴的转速为8000prm，额定转矩为42Nm，属于高速中载的工作条件。由于高速旋转，轴承等安装在轴上的零件会和轴有摩擦，并产生大量的热。虽然水冷却系统能带走一部分热能，但仍会导致因温升而产生热伸长。因此，必须采用 “ 一支点双向固定，另一支点游动 ” 的轴承配置形式。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，内外圈在轴上都要固定。而作为补偿轴的热膨胀的游动支承，固定内圈，外圈在坐孔内可以游动，给轴的热膨胀留余空间。在本次设计中，受力不是很大，选取前三后二的支承方式。

2、轴承的配合

配合的目的是使轴承内圈或外圈牢固地与轴或外壳固定，以免在相互配合面上出现不利的轴向滑动。这种不利的轴向滑动（称做蠕变）会引起异常发热、配合面磨损（进而使磨损铁粉侵入轴承内部）以及振动等问题，使轴承不能充分发挥作用。因此对于轴承来说，由于承受负荷旋转，一般必须让套圈带上过盈使之牢固地与轴或外壳固定。

配合的选择一般按下述原则进行：

根据作用于轴承的负荷方向、性质及内外圈的哪一方旋转，则各套圈所承受的负荷可分为旋转负荷、静止负荷或不定向负荷。承受旋转负荷及不定向负荷的套圈应取静配合（过盈配合），承受静止负荷的套圈，可取过渡配合或动配合（游隙配合）。轴承负荷大或承受振动、冲击负荷时，其过盈须增大。采用空心轴、薄壁轴承箱或轻合金、塑料制轴承箱时，也须增大过盈量。要求保持高旋转时，须采用高精度轴承，并提高轴及轴承箱的尺寸精度，避免过盈过大。如

果过盈太大，可能使轴或轴承箱的几何形状精度影响轴承套圈的几何形状，从而损害轴承的旋转精度。

非分离型轴承（例如深沟球轴承）内外圈都采用静配合，则轴承安装、拆卸极为不便，最好将内外圈的某一方采用动配合。所以本次设计的外圈为过硬配合，轴承内圈采用动配合，

负荷性质的影响轴承负荷根据其性质可分为内圈旋转负荷、外圈旋转负荷及不定向负荷。

3、轴承的润滑

润滑对于滚动轴承具有重要意义，轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还可以起散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等作用。所以本次设计根据工作情况选用脂润滑。

脂润滑的优点：润滑膜强度高，能够承受较大的载荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以维持相当长的一段时间，方便简单。

表4.7 使用于脂润滑和油润滑的 dn植界限（表值 10）

油润滑轴承类型脂润滑油浴深沟球轴承调心球轴承角接触球轴承圆柱滚子轴承圆锥滚子轴承调心滚子轴承推力球轴承 16 16 16 12 10 8 4 25 25 25 25 16 12 6 滴油 40 40 40 40 23 20 12 循环油（喷油） 60 50 60 60 30 25 15 油雾 >60 >60 >60 44、轴承的密封 27

为了使轴承保持良好的润滑条件和正常的工作环境，充分发挥轴承的工作性能，延长使用寿命，对滚动轴承必须具有适宜的密封，以防止润滑剂的泄漏和灰尘、水气或其他污物的侵入。

轴承的密封可分为自带密封和外加密封两类。所谓轴承自带密封就是把轴承本身制造成具有密封性能装置的。如轴承带防尘盖、密封圈等。这种密封占用空间很小，安装拆卸方便，造价也比较低。

自带密封又分为非接触式与接触式两种。（1）非接触式密封

非接触式密封就是密封件与其相对运动的零件不接触，且有适当间隙的密封。这种形式的密封，在工作中几乎不产生摩擦热，没有磨损，特别适用于高速和高温场合。非接触式密封常用的有间隙式，迷宫式和垫圈式等各种不同结构形式，分别应用于不同场合。非接触式密封的间隙以尽可能小为佳。

（2）接触式密封

接触式密封就是密封与其相对运动的零件相接触且没有间隙的密封。这种密封由于密封件与配合件直接接触，在工作中摩擦较大，发热量亦大，易造成润滑不良，接触面易摩损，从而导致密封效果与性能下降。因此，它只适用于中、低速的工作条件。接触式密封常用的有毛毡密封、皮碗密封等结构形式，应用于不同场合。

由以上理论本次设计主要采用非接触式密封 ,优点在于在工作中几乎不产生摩擦热，没有磨损，特别适用于高速和高温场合。前端轴承受力较大 ,且要求较高故采用间隙密封加一个甩油环密封可靠。后端轴承要求稍低一点儿 ,选用曲路密封。曲路密封是由旋转的和固定的密封零件之间拼合成的曲折的缝隙所形成的。缝隙中加入润滑脂 ,可以增加密封效果。根据部件的结构曲路是布置为轴向的 .采用轴向曲路时 ,端盖应为剖分式 ,当轴因温度变化而伸缩或采用调心轴承感作支承时 ,都有旋转片与固定片相接触的可能 .根据实际情况本次设计采用接触式密封。

第5章主轴的加工工艺设计

工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作，它必须在程序编制工作以前完成，因为只有工艺方案确定以后，编程才有依据。若工艺方面考虑不周是造成数控加工差错的主要原因之一。工艺设计不好，往往要成倍增加工作量，有时甚至要推倒重来。所以，一定注意先把工艺设计好，不要先考虑编程。

5.1 主轴加工工艺的主要内容

根据数控加工适应性，选择并决定SK40立式数控铣床主轴的加工表面。由下图 5.1可以看出主轴需要加工的表面：

图 5.1 主轴加工尺寸

主要的加工表面有外圆表面和内孔表面的阶梯轴。

5.2 对电主轴进行工艺分析

由于此电主轴为空心的阶梯轴，所以选用的毛坯是外直径为 115mm，内孔直径为 30mm的棒柱材料。另外，由于内孔加工比较困难，只通过数控车床难以达到加工要求。所以初步决定加工工艺为：

1、用拉床对直径 36mm的通孔进行加工；

2、用钻床加工直径为 72mm,深度为 200mm的内孔；

3、用车床直径分别为 40mm、 44mm内孔，锥度为 SK-40#的锥孔以及外圆表面。

5.3 电主轴的工艺路线设计

5.3.1 工序的划分

一般的工序划分有以下几种方式：按零件装夹定位方式划分工序；按粗、精加工划分工序；按所用刀具划分工序。[6]

SK40数控铣床的电主轴工序初步按粗、精加工划分。

5.3.2 工步划分

由于电主轴的加工表面是圆柱面体，没有平面或曲面。所以可以按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗后精加工分开进行。

5.4 电主轴加工工序设计

加工工序设计的主要任务是拟定本工序的具体加工内容、切削用量、定义夹紧方式及刀具运动轨迹，选择刀具、夹具、量具等工艺装备，为编制加工程序做好充分准备。 [6]

下面主要以数控车床 G-CNC6135A加工电主轴的工序。零件是半成品，即内孔以加工完成，主要加工外圆表面。

1、走道路线的确定

走道路线以主轴的外轮廓为主，这样就可以使加工路线最短。但是，由于主轴的外轮廓是 550mm,避免加工过程中，使电主轴产生形变，所以应采用分几步走刀加工到最后尺寸。另外，由于电主轴有两段是与轴承直接装配，所以加工路线要保证这两段的精度和表面粗糙度。

2、定位基准与夹紧方案的确定

在确定定位基准与夹紧方案时应注意以下几个问题： 1）电主轴的基准在设计、工艺与编程计算时都应该统一；

2）电主轴应以直径为 110mm为装夹面，这样就能做到在一次定位装夹后就能加工出全部代加工的表面；

3）避免采用占机人工调整式方案。 3、确定切削用量

数控车床切削用量主要包括背吃刀量、主轴转速及进给速度。如果背吃刀量过大会使电主轴形变，背吃刀量过小就影响加工效率。进给速度过大，侧会影

响电主轴的粗糙度与精度。所以要合理的设置切削参数。

5.5 制定加工工艺卡

SK40数控铣床主轴加工工艺卡如图5.2所示。

图5.2 SK40立式数控铣床主轴加工工艺卡

参考文献

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