一种铣削组合机床及主轴箱设计.doc

摘 要
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。具有以下优点：结构紧凑，可以减小占地面积、有利于实现工序集中，工作的质量更为可靠，同时由于可以缩短设计和制造周期，故可以减少投资，因而可以获得更高的经济效益，大大提高生产率等。
此次设计的题目是一种铣削组合机床及主轴箱设计。以实现工序集中，提高生产加工效率，提高加工精度。为完成该篇设计，查阅了大量的文献，主要参考设计手册以及他人设计流程，以进行本次设计。完成该论文过程中，从所需加工的目标零件入手，确定本次设计所需达到的精度尺寸要求，并针对待加工零件对机床展开总体的设计规划。该设计的大概设计思路流程为：首先，根据需求以及各种规范，确定机床的总体布局，力求布局的合理与紧凑；然后，进一步细化各个结构的设计，对主轴箱进行设计。在主轴箱的设计过程中，需要从主轴入手，在满足刚度、精度等要求下，实现其功能结构要求，完成其它相应零件的设计。
本次设计初步完成了一种铣削组合机床及主轴箱设计。完成了总体方案的选择与确定；零构件的设计与选取；画出总体方案系统图及其布置图。并对主轴组件完成了：主轴组件的结构设计、方案设计、技术设计和结构设计；相关图纸的绘制。

关键词： 铣削组合机床； 铣削机床； 主轴箱

Abstract

Combination machine tools based on general parts, according to the specific shape of the part and process design of special components and fixture, composed of dedicated semi-automatic and automatic machine tools. Has the following advantages: compact structure, can reduce cover an area of an area, is advantageous to the implementation process, the quality of the work is more reliable, at the same time because can shorten the design and manufacturing cycle, so can reduce the investment, and therefore can obtain a higher economic efficiency, improve the productivity, etc.
The topic of this design is a combination of milling machine and spindle box design. In order to realize the process, improve the efficiency of production and processing, improve the machining accuracy. To complete the design, a large number of literatures, the main design process, refer to the manual design and others for this design. To complete the paper in the process, from the target parts of the processing required, determine the design needed to meet the requirements of the precision of the size, and an overall design plan of nc machine tools for machining parts. About design thinking process of the design as follows: first of all, according to the requirements as well as a variety of specifications, determine the general layout of machine tool, makes every effort to reasonable layout and compact; Then further refine the structure design of spindle box design. In the process of the design of spindle box, need, from the perspective of the main shaft, in satisfies the requirement of stiffness, precision, etc, to achieve its function structure, complete design of other relevant parts.
The preliminary design to complete a combination of milling machine and spindle box design. Completed the overall scheme selection and determine; Zero component design and selection; Draw the overall scheme system diagram and the plan. And the spindle component completed: the structure of the spindle component design, program design, technical design and structure design; Draw the relevant drawings.

Key words： Milling combination machine tools; Milling machine; Thes pindle box

目 录

第一章绪论 1
第二章机床总体设计 6
2.1 设计依据 6
2.1.1 工件 6
2.1.2刀具 7
2.2 工艺分析 8
2.2.1 工艺方法 8
2.2.2 机床总体布局 8
2.2.3 机床运动的确定 9
2.3机床主要技术参数的确定 9
2.3.1 确定工件余量 10
2.3.2 选择切削用量 10
2.3.3 运动参数 10
2.3.4动力参数—主运动驱动电动机功率的确定 12
2.4 进给驱动电动机功率的确定 13
第三章 主轴组件设计 15
3.1 主轴的基本要求 15
3.1.1 旋转精度 15
3.1.2 刚度 15
3.1.3 抗振性 16
3.1.4 温升和热变形 18
3.1.5 耐磨性 19
3.1.6 其他 19
3.2 主轴组件的布局 19
3.2.1 适应刚度和承载能力的要求 20
3.2.2 适应转速要求 20
3.2.3 适应精度的要求 21
3.2.4 适应结构的要求 21
3.2.5 适应经济性要求 21
3.3 主轴结构的初步拟定 22
3.4 主轴的材料与热处理 23
3.5 主轴的技术要求 23
3.5.1 轴颈 24
3.5.2 内锥孔 24
3.6 主轴组件的计算 24
3.6.1 主轴直径的选择 24
3.6.2 主轴前后支承轴承的选择 25
3.6.1 主轴直径的选择 26
3.6.4 主轴前端悬伸量 27
3.6.5 主轴支承跨距 27
3.7 主轴结构图 27
3.8. 主轴组件的验算 28
3.9 主轴组件的润滑和密封 30
3.9.1 主轴轴承的润滑 30
3.9.2 主轴组件的密封 30
3.10 主轴组件中相关部件 31
3.10.1 轴肩挡圈 31
3.10.2 挡圈 31
3.10.3 圆螺母 32
3.11 主轴组件轴向调节机构 37
3.11.1 丝杠螺纹 37
3.11.2 丝杠轴承的选择 38
3.11.3 丝杠螺母 38
3.11.4 丝杠中段螺纹 38
3.11.5 丝杠上的内隔套 38
3.11.6 丝杠上调节用锥齿轮 39
3.12 箱体设计 40
第四章结论 44
参考文献 45
致 谢 46

沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论
第一章 绪论
制造业是国民经济赖以发展的坚实基础，而其中机械制造业更是国民经济有力发展的重要支撑。众所周知，一个国家或地区的机械制造业的发展水平可以在很大程度上反映该国家或者该地区的科技发展水平的优劣以及其相应的经济发展的强弱。
纵观机械制造业的发展历史，机械制造业由早期依靠降低支出成本来进行低价格竞争的价格战，到20世纪70年代开始发展的起来的新产品的较量，发展至今，机械制造业呈现出百花争艳的繁荣景象。如今，产品的批量开始向着小型化专一化发展，知识——技术——产品这一模式的运行更新周期越来越短，与此同时，市场对于产品性能以及产品质量的要求则相应的越来越高，同时，对于环境问题的重要性也成为制造生产过程中的重要问题，正因如此，为了能够快速响应制造业市场的需要，能够不断且快速的推出新型的产品以在市场中获得优势地位，赢得竞争，并相应地求得更好的生存与发展的空间与机遇，以敏捷制造为代表的先进制造技术成为实现这些目标的全新路径。
机械制造装备的核心是机床，尤其是进行金属切削的机床，而其中精密零件的加工，则也同样是依赖切削加工来保证所需要的加工精度，可以说，金属切削机床的发展水平直接影响到机械制造业的产品质量和劳动生产率。
组合机床作为切削机床中的一个大类，是一种高效的专用机床，它是按照工件加工的需要，以通用部件为基础，少量专用部件为配件共同组成组成。
它具有以下优点：
(1) 生产率高
(2) 加工精度高
(3) 研制周期短
(4) 便于设计者进行设计
(5) 成本低
(6) 配置灵活
此次设计的任务是对铣削组合机床及主轴组件进行设计。计划如下：1.总体设计：确定总体方案并设计规划机床总体布局图；2.对重点结构如主轴部分进行相关设计，以实现所需功能，其中任务主要有包括主轴设计、支承选取、主轴轴向移动机构和锁紧机构等的设计。

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沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 机床总体设计
第二章 机床总体设计
总体方案作为整体规划是进行后续设计的依据，如机床零部件设计，在整个设计过程中具有重大影响。因此，必须全面综合考虑整体设计方案，在保证方案技术先进性，完成所需功能的基础上，确保其经济合理。
2.1 设计依据
2.1.1 工件
工件是指在机械加工过程中的加工对象，因此作为确定机床总体方案的重要参考之一，设计者必须明确加工对象的特点以及所需要达到的加工要求以此确定整体设计方案。
此次设计的加工对象为：VF-6/7型空压机减荷阀体(如：图1)的两侧面。
由于空压机减荷阀主要由阀体、阀芯、气路集成块、电磁阀及比例阀（容调阀）等部件组成。因此在制造减荷阀时，阀体的加工是必不可少的一部分。阀体一般由铸造而成，但为了保证一定的粗糙度与精度等，需要对其进行进一步的加工。
又由于减荷阀大多为为大批量生产，故选择采用铣削式组合机床。
由于组合机床为按工件特定形状和加工工艺而设计的，与传统机床相比，更易实现批量化生产，实现工序集中，且具有更好的精度，可以提高生产质量以及生产效率。
此次设计题目为组合机床，工件的具体要求如下表1：

表1 工件加工具体要求
项目
要求
加工表面
VF-6/7型空压机减荷阀体(如：图2-1)的两侧面
工件材料
HT200
硬度
190～210HB
生产批量
大批量
成型方法
铸造毛坯
加工部位的加工要求
(1)被加工表面的粗糙度均为R10；
(2)被加工表面的位置精度如下：
平面1与平面2之间的间隔为225mm；
平面1与平面2与φ95中心线的垂直度需要达到0.03mm的要求[3]。

图1 减荷阀体简图
2.1.2刀具
刀具是指机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。此次设计刀具参数如下表2：
表 2 刀具参数
刀具类型
刀齿材料
刀盘直径
刀具齿数
硬质合金端铣刀
YG6
φ75～110
Z=4
2.2 工艺分析
2.2.1 工艺方法
工艺方法对机床影响很大，影响主要体现在机床的结构变化以及机床的功能的多样上，不同的工艺方法常导致机床的布局、传动方式、性能结构以及经济效益等方面的不同。
平面加工的方法如车削，铣削，刨削。由于设计要求的阀体属于外形复杂的壳类零件，对于外形复杂的壳类零件，难以进行装夹，且装夹精度难以得到保证，因此难以利用车床进行加工；而刨床，虽然装夹较为稳固稳固但其加工精度却难以达到要求，且生产效率较低，不能达到生产要求；而如果采用铣削加工则可同时满足工件的加工精度问题，工件的装夹稳固性问题，并同时可以获得较大的生产效率以得到最大的经济效益。
组合机床，相较于普通机床，具有很多的优势。例如，相比与普通机床，灵活化的配置以及自动化的流程可以大大提高生产的效率，节约人力，降低设计生产所需的人力物力，且与此同时可以保证较高的加工精度，具有较高的稳定性，由于大大节约了人力，所以也相应的缩短了设计周期。
2.2.2 机床总体布局
总体布局设计主要是针对机械零部件的组成的确定以及相互之间位置关系的安排，同时需综合考虑各部件间的运动关系来实现合理的总体布局。
合理的总体布局的基本要求有：(1)确保满足工件和刀具作业时的相对运动要求；(2)确保满足任务要求的加工精度，并保证能够具有所要求的刚度、强度等要求；(3)确保设计方案便于人员的操作维修、定期维护与检测、方便清理等要求；(4)在满足功能的前提之下尽可能的节约占地面积、减少材料的损耗。
根据以上设计要求，确定机床总体布局图如图3所示：

图3 机床总体布局图
1.机座 2.动力滑台 3.工件 4.端铣刀 5.电动机 6.变速箱 7.主轴箱
如图所示，在工作台上安装减荷阀体，并作纵向进给运动，铣刀进行旋转的主运动，通过主运动与进给运动的配合实现切削加工。此方案的提出是基于;1.部件具有专一性，为实现功能所进行的专门设计，因此，具有结构紧凑、精度稳定且生产效率高等优点，能较好的实现要求作业。
2.2.3 机床运动的确定
机床运动主要包括运动的数目类型及其运动过程中所涉及的的执行元件等几部分内容。
本次设计机床运动分为成型运动和辅助运动等两大部分，其中的表面成形运动主要为回转运动与进给运动，而辅助运动主要为调整运动。
2.3机床主要技术参数的确定
机床的主要技术参数可分为主参数和基本参数两大部分，其中基本参数又包括确定构件尺寸以及保证运动和配合的尺寸参数，保证功能实现及运动关系的运动参数，保证动力提供及传递的动力参数。
2.3.1 确定工件余量
根据加工要求，根据《机械制造工艺设计简明手册》一书中的表2～5,综合各方面考虑后，在双边加工的情况下取加工余量为2.5mm。
2.3.2 选择切削用量
根据要求可知，被加工件的铣削总体宽度为175mm,由于为实现要求需进行二次走刀，故取一次走刀的宽度为90mm，
则二次走刀为：
175-90=85mm
即：a=90mm。
根据《组合机床设计简明手册》一书中第132～133页的内容，综合各方面考虑后选择合适的铣削切削用量。
根据设计手册可知，选择铣削用量需要综合考虑设计所要求的表面粗糙度以及所需达到的生产率。当对表面粗糙度要求无需太高时，可以相应的提高铣削速度，而相应的每齿的走刀量必须相应减小。同样的，如果对于生产率并无极高要求，则也可以相应的减小每齿走刀量，在达到R=1.6μm的表面粗糙度的要求下，可以取一次铣削余量为4～5mm，此时基本可达到0.02～0.03mm的每齿的进给量。
综合考虑本次设计要求的被加工件的要求，由于其需保证较高的其表面粗糙度，且材料为铸铁，查相关设计手册表6-16得：
a=0.2～0.4mm/z,V=50～80m/min,取a=0.2mm/z。
2.3.3 运动参数
主运动的运动参数确定主要包括主轴最低最高转速及其转速排列等等。计算如下：
(1)主轴转速范围
按照切削速度和刀具的直径根据相应的公式分别计算主轴最高转速n、最低转速n。计算公式如下：
n= (2-1)
n= (2-2)
式中：n、n—主轴转速最高、最低值(r/min)
V、V—切削速度最高、最低值(m/min)
d、d—计算直径最大、最小值(mm)
由《机械制造工艺金属切削机床设计指导》一书第69～70页可得以下数据：
由表2.2-3 综合考虑后取最大，最小切削速度如下：
V=200～300m/min， 取V=250m/min
V=15～20m/min, 取V=20m/min
铣床的d、d可取使用的刀具最大、最小直径，即：
d=110mm, d=75mm
故主轴最高转速为
n== =1061.6r/min
由于数值需标准化，故取：
n=1000r/min
最低转速为：
n== =57.9r/min
取标准数列值：
n=56r/min
(2) 主轴转速的合理排列
转速范围确定后则需确定中间转速，合理分配各级转速比例，综合个情况合理选择公比Φ，以及转速级数Z，则由相应公式可得：
转速数列为：
n= n=56r/min, n= nΦ, n= nΦ, n= nΦ (2-3)
查表可知，取公比Φ=1.78 (1＜Φ≤2)
则转速的范围可确定为：
R===17.8
转速的级数可确定为：
Z=+1=5.99 取Z=6
根据本次设计的要求取Z=4，即主轴转速级数取为四级，四级转速分配如下，即：
n=56， n=100, n=180, n=315 (r/min)
2.3.4动力参数—主运动驱动电动机功率的确定
(1) 切削力的计算
由于组合机床的最高转速从上节计算可得为n=315r/min，则可计算此时的切削速度：
V===108.8m/min<200m/min
故，切削速度符合设计要求。
铣削的切削力
F=9.18×54.5a×a×a×Z×d (2-4)
式中：a—铣削宽度
a—铣削深度
a—每齿进给量
Z—转数级数
其中：a=90mm
a=2.5mm
a=0.2mm/r
Z=4
则根据以上可以求得铣削工件的铣削力：
F=9.18×54.5×90×0.2×2.5×4×110=1213.1N
(2)切削功率的计算
由《机械制造工艺金属机床设计指导》一书P72页，可得到切削功率公式为：
P===2.2KW
(3) 估算电动机功率
有《机械制造工艺金属机床设计指导》一书P72页，有电动机功率估算公式：
P===3.14KW
式中：
η—主传动系统的机械效率，（此处η=0.7～0.85）。
(4) 选择主电机
根据《机械设计课程设计手册》P155页表12-1，综合各因素后选Y112-4电机，查得其参数如下：
额定功率P=4KW
同步转速n=1500r/min
级数P=4
质量m=43kg
满载转速 n=1440r/min
2.4 进给驱动电动机功率的确定
根据《金属切削机床设计》一书P41页，可知：
进给运动的有效功率以及各个传动件的总的机械效率共同决定了进给驱动电动 机功率，计算公式如下：
N= (2-5)
式中：N—进给驱动电动机功率(KW)
Q —进给抗力(N)
V—进给速度(m/min)
η—进给传动系统的总机械效率(一般取0.15～0.2)
估算时，可根据进给运动以及主运动的传动功率的比值来初步估算进给驱动电 机功率。
对于铣床： N=0.2×N=0.2×4=0.8KW
综合考虑之后，选Y90S-4电机，该电机的主要参数如下所示：
额定功率：P=1.1KW
满载转速：n=1440r/min
同步转速：n=1500r/min
级数：P=4
质量：m=22kg。

沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 主轴组件设计
第三章 主轴组件设计
机床的执行件主要是主轴组件，其主要作用是起支承作用以及带动工件或刀具实现旋转运动，以实现工件的表面成形作业，与此同时主轴组件还起到传递运动、扭矩、力的作用。主轴组件作为机床中的一个关键组件，其性能可以直接影响到机床的性能，如加工精度、生产效率等。
主轴起到传递运动、传递扭矩以及传递动力的作用，在工作过程中，需要确保传动件以及支承处于正常作用状态，在机床工作过程中，主轴不但需要直接承受切削力，同时还要带动工件或刀具运动，以实现工件的表面成形运动，因此对主轴的设计具有较高的要求。
3.1 主轴的基本要求
3.1.1 旋转精度
主轴的旋转精度指的是主轴处于手动档位或者是处于低速空载状态时时，主轴的各种跳动值，主要可以分为主轴直径方向的径向跳动△r以及主轴的端面的端面跳动△a以及主轴的轴向的窜动值△o。
如下图4所示：图中实线所画的直线表示理想轴线，虚线所画的直线表示实际轴线。当主轴处于工作状态时，处于此时的旋转的速度之下，主轴在以该速度运动时的回转轴线在空间中造成的漂移量称之为运动精度。
旋转精度在很大程度上与机床的主轴的各部件的制造精度以及装配精度等有关；而运动精度除此之外还与主轴正常工作状态下的转速、机床所选取的轴承的静态、动态性能和构件间及零件自身润滑效果以及主轴的各部件的静态、动态特性等因素有关。
3.1.2 刚度
刚度（K)是指主轴在承受外部载荷的情况下，主轴自身能够抵抗在和所造成的变形的能力，如图5所示，其表达式为K=F/y（单位为N/m），而其倒数y/F定义为柔度。
主轴的组件的刚度主要取决于主轴各部分的刚度、所选取的轴承的类型、性能的刚度以及所设计的支承座的整体刚度等，它的刚度很大程度上直接影响着组件的旋转精度。
很明显可知，刚度越高，则相应的主轴受外载荷作用后所产生的变形越小，相反如果主轴部件的刚度不满足要求，则会直接影响机床的加工精度，例如：主轴的前端所产生的弹性变形就可以直接影响被加工零件的制造精度；同时，刚度不足也会影响机床的传动质量，主轴由于刚度不足造成的的弯曲变形将会影响齿轮的啮合，传动状况将会进一步恶化，额外的力的产生将会加速零件的磨损，并会因此缩短机床整体的使用寿命；而额外产生的载荷将会很大程度上影响工件加工过程的平稳性，这一状况的发生将会导致使主轴在不断发生变化的切削力以及传动力等的综合作用下，产生振动。
图4 主轴的旋转误差

图5 主轴组件静刚度
3.1.3 抗振性
抗振性是指主轴组件能够抵抗受迫振动以及抵抗自激振动等形式的振动并能够保持继续平稳作业的能力。主轴振动的产生主要是由于，切削过程中，主轴组件不仅受到静载荷的作用，同时也会受动载荷的作用，例如：冲击载荷、交变载荷等[。
抗振性差的组件，则抵抗振动的能力弱，因此运行时较为容易产生较大的振动，而振动对于被加工件的表面质量会造成非常恶劣的影响，此外，振动还会降低刀具的寿命，加速刀具磨损以及主轴轴承的使用年限。
3.1.3.1 抵抗受迫振动的能力
主轴上的旋转零件由于加工等原因会产生质量的不均匀，因此而产生质量偏心，最终造成离心力的产生，同时，由于传动件不能保持以均匀的速度运动，因此会造成惯性力的产生。此外，由于不连续的切削运动而产生切削力且会以一定的周期循环。这些力称之为干扰力，将会造成主轴组件产生受迫振动，最终将导致刀具、工件的振动，振动将会导致加工精度的降低，在加工表面上产生的振文会使加工质量的下降，被加工零件的表面粗糙度因此而大大的增加。
根据要求可知，设计需要首先确定主轴的前端所能允许最大的振幅，然后根据振幅值计算或通过实验测定主轴组件在各种动载荷作用下前端的振动的幅值大小，得出结果数值后同所允许的最大幅度值进行比较，以此来判断该设计是否满足要求。需要注意的是，由于当我们单独的对主轴组件进行相关分析时，无法求得全部的振幅信息，而只能得到切削部位附近的主轴振幅，由于所得信息有限，故只能通过该值部分地反映在刀具和被加工零件之间的相对振幅。而且，激振频率对刀具与被加工零件的相对振幅关系有一定的影响，而其间的关系主要依靠试验来确定。
3.1.3.2 抵抗切削自激振动的能力
对金属进行切削加工时，虽然金属并未受到外界干扰动载荷作用，但是由于机床—工件—刀具三部分构成了一个弹性系统，该系统所产的振动作用反馈到切削过程中，因此，将会引起刀具与工件之间的强烈振动，称为切削自激振动，又可以简称为颤振，此外，颤振具有一定的周期性。
颤振的产生不可避免带来一系列的危害，例如导致加工表面质量下降，严重的情况下，甚至可能导致切削难以进行，为解决此种现象，只能被迫降低切削用量。正是因此，所以我们通常根据加工过程中所发生颤振的条件来确定而非机床的功率来确定其切削用量的极限值。
机床切削过程时，颤振的从无到有有明显的界限，我们将这个这个界限称之为稳定性的极限，也可以称之为使机床获得稳定性的条件。对现有的各类机床进行大量的试验后可以得出，切削自振频率通常与主轴组件弯曲振动的低阶固有频率较为接近。因此可以得出结论，即颤振的产生主要是由于主轴组件的振动导致的。因此，将主轴组件单独拿出来进行分析时，主轴组件抵抗切削自振的能力的判定可以通过主轴前端在切削部位形成的激振点的动柔度的最大负实部来进行判定。
对于非精加工机床，由于其切削宽度相对较大，因此产生切削自振的可能性也相对较高，但是由于对加工表面质量要求较低，所以可优先考虑未颤振时的其他条件。但是对于精密机床，其切削用量相对较小，因此产生切削自振的可能性也相对比较低，但是因为精度要求较高所以导致允许的振幅较小，因此，设计过程中可主要考虑抵抗受迫振动的能力。对于高速机床，因为转速提高会导致激振力幅频的急速增加，因此受迫振动和自激振动都较为明显。因此二者均应考虑。
3.1.4 温升和热变形
相对运动会导致接触面上的摩擦，因此会产生一定热量，主轴组件在摩擦和搅油工作时将会产生温升，温升将会导致主轴组件材料参数发生变化进而导致主轴形状和位置畸变，这种现象称之为热变形。热变形的度量应以一定时间段之后，主轴组件的各部分所产生的位置的变化为准。
温升与热变形的存在，会大大降低各部件间相对位置精度，因此会导致被加工零件的加工精度降低，且精度越高的机床所受的影响越大；热造成的变形会导致主轴弯曲，因此，轴承与齿轮等零件的受力状态将会改变，因而其工作状态将会变坏；同时，变形还使轴承与轴，轴承与支承座之间的配合、间隙改变，使轴承不能工作在正常状态，不但不利于传动的进行，降低传动精度，而且将会大大缩短轴承使用寿命，此外当间隙过小时，各接触零件的磨损将会大大加剧，甚至导致轴承抱轴现象的发生，使传动无法继续。
轴承间隙及预紧力的大小、轴承的类型的选取以及轴承的布置方式、选取的润滑方式和机床的散热条件等都将会影响主轴组件的温升以及热变形的程度。
3.1.5 耐磨性
耐磨性又称之为精度的保持性，指的是零件可以长期保持其原始精度的能力。通常情况下，硬度越高，零件的耐磨性就越好。因此，主轴组件各个存在相互运动的表面，例如主轴端部定位面、锥孔，轴承与轴的配合表面，各个传动接触啮合表面，都需要具有一定的硬度要求以满足其耐磨性，使机床的精度得以长期保持。
提高耐磨性的方式有很多，例如合理的选取机床各个构件的材料及热处理方法从材料上进行改变或是改变外部的影响，例如合理选择润滑方式，合理调整轴承间隙等。
3.1.6 其他
主轴组件除应保证上述基本要求外，还应满足下列要求：
(1) 主轴的定位可靠。要保证主轴在轴向以及径向受到载荷作用时具有可靠的径向和轴向定位，保持其位置及其工作状态，这样才能保证切削力和传动力过轴承可靠地传至基础零件上。
(2) 主轴结构设计应保证工件或刀具在保证一定的精度之下具有合理可靠的定位及夹紧。
(3) 结构工艺好。在实现其基础功能的同时，也应该同时兼顾其生产加工、维护维修、零件替换等的方便程度及成本。
3.2 主轴组件的布局
主轴组件的设计，必需要在满足各种基本要求的情况下，综合考虑实际情况以及各构件间的传动与配合，从而对主轴组件进行合理的的布局。
机床主轴的支撑方式通常有前、后两个支承以及前、中、后三个支承两种，而又以以前者较为多见]。
两点支承式的选取，需要进行轴承类型及型号的选取、轴承间的组合以及布置方式的合理设计。设计以及选取主要依靠该设计要求中主轴组件所需达到的转速、精度、承载能力、抗干扰能力、刚度等要求，并同时需要兼顾经济性原则。
选择具体要求如下：
3.2.1 适应刚度和承载能力的要求
主轴轴承选型主要根据刚度要求和承载能力要求以及所受载荷类型。径向载荷较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。所需要的刚度及其承载能力较大时可以选用双列轴承的布置方式。此外，多个轴承的应用加大了受力点的支撑，可以很大提高支承刚度和承载能力。一般来说，在支撑方式的选择上，由于前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后支承的大，因此前支承的刚度应该大于后支撑的刚度更有利于组件刚度的提高。表3所示为滚动轴承和滑动轴承的比较：
表3 滚动轴承和滑动轴承的比较[15]
基本要求
滚动轴承
滑 动 轴 承
动压轴承
静压轴承
旋转精度
精度一般或较差。可在无隙或预加载荷下工作。精度也可以很高，但制造困难
单油楔轴承一般，多油楔轴承较高
可以很高
刚 度
仅与轴承型号有关，与转速、载荷无关，预紧后可提高一些
随转速和载荷升高而增大
与节流形式有关，与载荷转速无关
承载能力
一般为恒定值，高速时受材料疲劳强度限制
随转速增加而增加，高速时受温升限制
与油腔相对压差有关，不计动压效应时与速度无关
抗振性能
不好，阻尼系数D=0.029
较好，阻尼系数D=0.055
很好，阻尼系数D=0.4
速度性能
高速受疲劳强度和离心力限制，低中速性能较好
中高速性能较好。低速时形不成油漠，无承载能力
适应于各种转速
摩擦功耗
一般较小，润滑调整不当时则较大f=0.002～0.008
较小
f=0.001～0.008
本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.0005～0.001
噪 声
较大
无噪声
本身无噪声，泵有噪声
寿 命
受疲劳强度限制
在不频繁启动时，寿命较长
本身寿命无限，但供油系统的寿命有限

3.2.2 适应转速要求
不同型号和规格的轴承对应着的最高转速同，轴承的规格与精度等级越低和最高转速成反比。对于承受径向载荷的轴承，圆柱滚子轴承比圆锥滚子轴承极限转速高。对于承受轴向载荷的轴承中，可承受极限转速大小顺序依次为向心推力轴承、推力球轴承的次之、圆锥滚子轴承，承载能力反之。因此，由于承载能力和极限转速之间的矛盾，所以需综和考虑要求以选择轴承型式。
3.2.3 适应精度的要求
起止推作用的轴承的布置有三种方式：前端定位、后端定位、两端定位。其特区别为止推轴承所在位置。
若集中布置在前支承，则称之为前端定位；此时的特点是：由于前端定位，所以主轴受热膨胀将会向后延伸，这样虽然并不影响轴向的定位精度，但是会造成轴承间隙的调整变困难，且前端支撑处发热量变大。若集中布置在后支承，则称之为后端定位；此时的特点与前端定位恰好相反。若集中分别布置在前、后支承，则称之为两端定位，此时的特点是：由于主轴受热膨胀，发生变形，轴承的轴向间隙变化比较大，甚至可能发生弯曲。
3.2.4 适应结构的要求
如果主轴组件有较高的刚度、承载能力要求时，为同时满足其在结构上尺寸紧凑的要求，可在一个支承中配置多个轴承。
由于轴间距很小的多主轴机床存在尺寸与功能的约束，因此受到了很大的结构限制，故可以采用滚针轴承和推力轴承的搭配来满足要求。
3.2.5 适应经济性要求
设计在满足性能和结构等的要求外，还应考虑经济性。尽可能采用标准化、系列化，且大批量生产的滚动轴承，当没有标准的大型号滚动轴承时，可采用动压轴承或静压轴承。但在中速重载时，宜采用圆锥滚子轴承。
综上，本设计如下表4：

表4 轴承选择
项目
内容
支承方式
两支承主轴
轴承选取
前支承：双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合
后支承：圆柱滚子轴承
轴承精度
前支撑 D级精度
后支撑 E级精度
轴承内孔
锥孔，锥度为1：12

3.3 主轴结构的初步拟定
主轴的结构的确定是由主轴上所安装的零构件所决定。例如，主轴上所需安装的零构件种类、数量、尺寸、密封情况、位置要求、定位方式、加工及装配要求等等。此次设计的主轴，为了满足刚度要求及止推定位要求以及刀具拉杆的方便，设计成阶梯空心轴。
主轴前端的形状应保证其上所安装的夹具或刀具的可靠性与定位的准确性，同时应满足扭矩的传递要求以及装卸的方便性。
主轴端部根据《金属切削机床设计》第135页，选短圆锥法兰盘式结构。其结构如下所示：
图6 短圆锥法兰盘式主轴端部结构

3.4 主轴的材料与热处理
主轴材料主要根据设计要求的刚度、强度、耐磨性、载荷形式和热敏感性等因素选取。
刚度与材料的弹性模量E值有关，为获得较大的刚度，且综合经济性原则，优先选用钢材（钢的E值2.1×10N/cm左右）。由于钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，考虑到经济性的问题选用价格较为便宜的中碳钢，对性能要求较高时，如承载能力、耐热耐磨程度及变形要求等，可选用合金钢。
为了提高接触刚度，配合表面强度，减少内应力，改善综合性能，需对轴进行热处理45钢主轴热处理情况见下表5：
表5 使用滚动轴承的45钢主轴热处理等参数

工 作 条 件

使 用 机 床
材 料 牌 号

热 处 理

硬 度
常 用
代 用
轻中负载
车、钻、铣、磨床主轴
45
50
调质
HB220～250
轻中负载局部要求高硬度
磨床的砂轮轴
45
50
高频淬火
HRC52～58