立式加工中心主传动系统设计1-学位论文.doc

毕 业 设 计题 目： 立式加工中心主传动系统设计 学院： 机械工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 学号： 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2012年6月6号 2诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 题目： 立 式 加 工 中 心 主 传 动 系 统 设 计 姓名 学院 专业 班级 学号 指导老师 职称 教研室主任 一、基本任务及要求： 本课题以立式加工中心的主传动系统设计为目标，通过对其机械部分、电气控制部分的设计，使之能够适应现代制造企业对加工设备的更高要求。通过设计使学生掌握加工中心数控机床主传动系统结构及控制部分设计的基本方法、步骤、过程和原理，同时提高他们分析、解决问题的能力及综合运用所学知识的能力。课题基本任务及要求： 1.熟悉数控机床（加工中心）本身的特点、明确设计要求； 2.拟定机床主传动系统的总体方案（机械部分、控制部分）； 3.进行加工中心机械部分的结构设计； 4.进行主传动电气控制系统的设计； 二、进度安排及完成时间：1.明确设计任务、熟悉设计课题、搜集有关资料； 2月29日前完成2.在熟悉课题要求的前提下，进入课题实施阶段，进行有关方面知识的准备、撰写开题报告； 3月20日前完成3.根据要求提出主传动系统设计的思路、拟定其方案； 3月31日前完成4.进行机械结构设计（绘制主轴箱部装图及1-2个零件图）； 4月20日前完成5.进行系统的动态特性分析（如果时间紧这一步可省）； 5月10日前完成6.进行主传动电机控制系统的设计（绘制控制系统图）； 5月20日前完成7.编写毕业设计说明书并打印； 5月28日前完成8.程序文件的整理、存储介质的制作、准备答辩； 5月31日前完成9.毕业设计答辩。 6月10日前完成1目 录摘要Abstract第1章 绪 论11.1 引言11.2 研发背景及意义11.3 加工中心的发展状况21.4 课题拟解决的关键问题2第2章 立式加工中心主传动系统设计42.1 加工中心主轴箱的组成42.2 机械系统方案的确定42.2.1 主轴传动机构42.2.2 加工中心主轴组件总体设计方案的确定42.3 运动及动力参数计算52.3.1 铣削分力52.3.2 铣削圆周力的计算62.3.3 选用电机9第3章 传动系统的设计113.1 主传动系统的设计113.1.1 带传动的设计113.1.2 齿轮传动的设计123.2 轴的设计173.2.1 轴的初步设计173.2.2 I轴的校核183.3 主轴的设计213.3.1 主轴的设计213.3.2 主轴受力分析243.3.3 主轴的强度校核283.3.4 主轴的刚度校核29第4章 控制系统设计304.1控制系统总体设计30374.2硬件设计314.3软件设计324.3.1 步进电机的控制原理334.3.2 变频电机的相关控制344.3.3 译码法寻址344.3.4 键盘显示器接口344.3.5 程序存储器（EEPROM）芯片344.2.6 数据存储器（RAM）芯片34结论35致 谢36参考文献37立式加工中心主传动系统设计摘要：数控技术和数控装备是制造工业现代化的基础，这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。立式加工中心主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统。包括电动机、传动系统和主轴部件。本文通过对立式加工中心主传动系统的各方面设计，以达到低制造成本、简化机构、实现优化。采用变频电机和一级机械调速达到调速和传递功率的要求；用步进电机驱动主轴上下运动达到Z行程的要求；数控装置采用51单片机来实现对电机更加精确的控制和实现机械调速的自动控制。关键词：主传动；设计；立式加工中心Main drive system designed for vertical machining centersAbstract:The numerical control technology and the numerical control equipment are the factory industry modernization foundations, does this foundation whether reliable immediate influence to a countrys economic development and the comprehensive national strength, relate the country the strategic position. Machining center tool master drive system is uses for to realize the engine bed main movement transmission system. Including electric motor, transmission system and spindle unit. This article through designs to Machining center master drive systems various aspects, achieves the low production cost, the simplified organization, to realize the optimization. Uses the frequency conversion electrical machinery and the first-level machinery velocity modulation achieves the velocity modulation and the transmission power request; With step-by-steps the motor-driven main axle vertical motion to achieve the Z traveling schedule the request; The numerical control installment uses 51 monolithic integrated circuits to realize to an electrical machinery more precise control and realizes the machinery velocity modulation automatic control.Keywords:Main drive system; Design; Machining center 第1章 绪 论1.1 引言 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有53年历史了。20世纪90年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从1958年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到1980年我国的数控机床产量还不到700台。到90年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1.2 研发背景及意义本课题是以加工中心为研究目标，从其主传动系统结构及其电气系统控制系统入手，对其系统结构设计、结构组成分析、分级变速分析、传动件的计算分析和主传动电气控制系统的设计的几个方面进行设计研究。为优化传动系统结构和改善传动系统的精度及稳定特性提供必要的理论依据通过本课题的研究，使加工中心结构更加紧凑，性能更加优越，生产加工更加精密。与普通数控机床的工艺装备相比较，加工中心工艺装备的制造精度更高、灵活性好、适用性更强，一般采用电动、气动、液压以及计算机控制，其自动化程度更高。合理使用加工中心的工艺装备，能提高零件的加工精度。各种类型加工中心所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。1.3 加工中心的发展状况对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在以上，最高已达到。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在左右，高的已达，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程以下，定位精度可控制在之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在左右，个别达到。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在，定位精度控制在之内，重复定位精度控制在之内。在换刀速度方面，国内机床多在，无法与国际水平相比。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。1.4 课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件和进给组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，组件能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件和进给组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件和进给组件应符合以下几点设计要求：旋转精度：旋转精度是指机床在空载低速旋转时，安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。刚度：指主轴组件和进给组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。抗振性：指主轴组件和进给组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。温升和热变形：温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转和进给的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。耐磨性：指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。第2章 立式加工中心主传动系统设计2.1 加工中心主轴箱的组成主轴箱是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和减速齿轮等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。2.2 机械系统方案的确定2.2.1 主轴传动机构对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达，效率可达。齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达（有时允许达），传动功率可达，传动比可达（有时允许达），传动效率可达。本课题的主轴传动方式中选择齿轮传动。2.2.2 加工中心主轴组件总体设计方案的确定综合2.2中的方案，本课题的总体设计方案现确定如下：由于采用齿轮传动，能保证固定的传动比，且传动效率高，传递功率大，允许的线速度较高，需安置在很良好的工作环境中，所以在主轴传动方式中选择齿轮传动。在主轴的进给运动中，采用滚珠丝杠。其耐磨性好、磨损小，低速运行时无爬行、无振动，能够很好地确保Z轴的进给精度。由于加工中心具备自动换刀功能，所以在主轴组件中还应有主轴准停装置、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。在本课题中，主轴准停机构采用磁力传感器检测定向，其不仅能够使主轴停止在调整好的位置上，而且能够检测到主轴的转速，并在加工中心的操控面板上显示出来，方便机床操作者调整转速。在换刀过程中，刀具自动夹紧机构也是不可获缺的一部分。它控制着刀杆的松紧，使刀具在加工时能紧紧地固定在主轴上，在换刀时能轻松地卸载。本课题采用了液压缸运行的方式，通过活塞、拉杆、拉钉等一系列元件的运动来达到刀杆的松紧目的。同时，为了减少液压推力对主轴支承的磨损，在主轴的内部设置了一段碟形弹簧，使活塞对拉杆的作用起到一个缓冲的作用。同时，在换刀过程中，活塞及拉杆的内部将被加工成中空状。其间将通入一定的压缩空气来清除切屑。使刀杆和主轴始终具有很好的配合精度。在伺服系统中，本课题在进给系统中选用直流伺服电动机，而在主运动系统中则选用交流伺服电动机。由于交流伺服电动机具有电刷和换向器，需要常常维修，故不适合于主运动系统中。2.3 运动及动力参数计算由主轴转速1002500r/min,由此初步确定轴转速及电机选用。1主轴转速由变速箱加上PCL控速速，选取总传动比1：1.2，则电机转速范围为120r/min3000r/min.2 确定主轴转矩以及功率电机转矩由主轴正常工作时需要的转矩来确定，因此需要计算切削用量。由专用机床设计与制造Pg680页铣削力及铣削功率的计算如下：2.3.1 铣削分力 车铣削时的切削分力（见切削了力图 图2-5和表2-1）有： 圆周力Pz，即主切削力；走刀力Ph，即水平分力；颈向力Py，即铣刀所受的颈向切学力；轴向力Po；压轴力（垂直分力）Pv。图2-5 切削力图表2-1 铣削各分力与圆周力的比值铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端 铣PH/PZ0.3-0.40.9-0.60.3-0.15B/D=0.4-0.8=0.1-0.2mmPV/PZPO/PZ0.85-0.950.5-0.550.45-0.70.5-0.551-0.90.5-0.55平面铣、立铣、圆盘铣、成形铣t/D=0.5PH/PZ1-1.20.8-0.9=0.1-0.2mmPV/PZ0.2-0.30.75-0.8PO/PZ0.35-0.40.35-0.42.3.2 铣削圆周力的计算 公式如下： 1、刀具：高速钢（粗加工，低速）加工材料：b=75公斤力/mm,中、高碳钢1）端铣： B=0.40.8D=2652mm(取B=40mm) t=3.5mm Z=3 v=912m/min n=100r/min V=Dn=653.14*100/1000=20.42m/min 2)立铣： 由经验值得D=30mm,B=30mm,t=5mm, mm ，z=2,n=1000r/min, V=Dn=303.14*1000/1000=9.42m/min2、刀具：硬质合金钢（精加工、高速）加工材料：=75公斤力/mm,中、高碳钢1）端铣： 精加工：铣削深度t=0.51mm 取t=1mm铣削速度v=90150m/min V=Dn=453.14*1000/1000=141.4m/minB=0.40.8 D=1836mm(取B=35mm) z=2 2）立铣 =12.5 =0.85 =0.75 =1.0 =0.73 =-0.13 经验植：D=32mm,B=32mm,t=3mm,mm ，z=4,n=1000r/min, V=Dn=323.14*1000/1000=100.53m/min 铣削功率：N=2.3.3 选用电机选用变频调速电机，频率范围2100HZ，4极，转速范围603000r/min。当f50Hz时为恒功率调速。故有，当f=50Hz时电机有最大转矩，若电机额定功率为4KW，则。现选用带传动比为1：1.2，齿轮传动比为1：1或1：3的二联齿轮传动副。则主轴转速范围为57.2r/min2860r/min，满足要求100r/min2500r/min。由图2-5电机特性曲线图及表2-2、表2-3、表2-4和图2-6确定电机：变频调速电机 4级 频率范围2100Hz, 转速范围603000RPM，拐点转速（50Hz）1430r/min，额定功率4KW，最大转矩40转矩与频率的关系曲线功率与频率的关系曲线图2-5 电机特性曲线图表2-2 电机参数表型号额定功率（KW）机座号额定转速(r/min)额定电流(A)额定转矩(N.m)堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩转动惯量（kg.）重量（Kg）变频器功率（kw）A型B型CTB-41P5BXB33-41.5100LM9203.6151.32.30.00716361.52.2CTB-42P2BXB33-42.2100L19205.2221.32.30.00975382.23.7CTB-43P0BXB33-43100L29206.8311.32.30.0116403.73.7CTB-44P0BXB33-44112M9408.7401.32.30.0207575.55.5CTB-45P5BXB33-45.5132S95011.5551.32.30.0418755.57.5注：额定电压/频率：380V/50Hz 极数：4极同步转速1430转/分图2-6 B5法兰安装图所以可以选用的电机为：电机：CTB44P0BXB33合理 第3章 传动系统的设计3.1 主传动系统的设计3.1.1 带传动的设计1 计算功率带轮传动的传动比 ：i=1.2 ，选取SPA型窄带，且 所以：2中心距的计算取 则3 计算包角4 计算带速 5 计算预紧力 式中 计算功率；带速；材料的修正系数；带数6 计算作用到轴上的压轴力3.1.2 齿轮传动的设计 1 材料的选择：小齿轮 40Cr调 , ；大齿轮 45钢 , 。初选小齿轮的齿数 ，且其mm,则大齿轮的齿数2 齿面接触强度设计1）确定公式中个计算数值试选载荷系数 =1.3。计算小齿轮传递的扭矩 由机械设计 表10-7圆柱齿轮的齿宽系数 选取齿宽系数 =0.4。由机械设计 表10-6弹性影响系数查得材料的弹性影响系数。 由机械设计 图10-21d齿轮的接触疲劳强度极限 按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限 ，大齿轮的接触疲劳强度极限。 计算疲劳寿命h。由机械设计 图10-19接触疲劳寿命系数 查得接触疲劳寿命系数 ，。 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数为S=1,由此得： 2）计算试算小齿轮分度圆直径，代人中较小的值计算圆周速度v计算齿宽b0.463.13mm =25.2mm计算齿宽和齿高之比b/h:法向模数 齿高 b/h=19.82/6.75=3.73计算载荷系数根据v=3.94m/s,7级精度，由机械设计 图10-8动载系数图 查得动载系数 直齿轮，假设 100N/mm。由机械设计 表10-3查得 。由机械设计 表10-2查得使用系数 。 由机械设计 表10-4查得7级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时：由b/h=3.73， ，查机械设计图10-13得 故载荷数 。按实际载荷系数校正所算得分度圆直径，由式机械设计（10-10a）得： 计算模数 。3 按齿根弯曲强度设计由机械设计 式（10-5）的弯曲强度设计公式1）确定公式中的各计算数值由机械设计图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度是 大齿轮的弯曲疲劳强度是 。由机械设计 图10-18查得弯曲疲劳强度寿命系数 ，。计算弯曲许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-1）得： 计算载荷系数K查取齿形系数由机械设计 表10-5可查得 ， 。查取应力校正系数由机械设计 表10-5可查得 ， 。计算大小齿轮的并加以比较：比较可知大齿轮的数值比较大。2)设计计算对比计算结果，又因为齿轮模数m主要取决于弯曲强度，因而m=3mm，分度圆直径=79.41mm,算出小齿轮齿数。则大齿轮齿数，则。4 几何尺寸的计算1）分度圆直径d的计算2）中心距a的计算3）齿厚b的计算5 验算所以此齿轮设计合理。6 的齿轮设计齿轮的材料都为45钢，调质处理。由 i=1,a=168,且m=3, 则 ，取B=25mm。 传动系统图如图3-1：图3.1 传动系统图 当电机转速最高和最低时候主轴箱各轴转速图如下：图3-2 传动系统转速图3.2 轴的设计3.2.1 轴的初步设计 材料的选择:45钢，调制处理到HB=220-250HBS,5级精度.因而可由以下公式进行设计：所以最小可取30mm。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d100mm的轴，当轴截面上开有一个键槽时，应增大3；有两个键槽时，应增大7。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大57%；有两个键槽时，应增大10%15%。然后将轴径圆整为标准直径。3.2.2 I轴的校核通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度较核计算。其中轴的结构如下图3-3轴结构简图图3-3轴结构简图轴上力的计算步骤如下：1）轴上各个方向力的计算轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关，可按图来确定。由以上的计算过程可得， 。根据3.1.1 带传动的设计的计算可知，带轮作用到轴上的压轴力FP=1017N，其力的方向如图3-1轴的载荷分析图，且可计算作用到齿轮上的圆周力和径向力如下： 现在从轴受力方向进行力的计算，其中力的方向如图3-1轴的载荷分析图，而轴上的力的计算如下：沿圆周方向： 在竖直截面方向： 2）根据力学图，分别按在横截面方向和在竖直截面方向计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出水平面上的弯矩MH和垂直面上的弯矩MV，然后按下式计算总弯矩并作出M图；根据力学关系与受力性质可知弯矩。根据图可得： ；则。3）作载荷分部图如图3-2轴的载荷分析图4）较核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面作弯扭合成强度较核计算。按第三强度理论，计算应力。通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则计算应力为式中的弯曲应力为对称循环变应力。当扭转切应力为静应力时，取；当扭转去、切应力为脉动循环变应力时，取；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取。齿轮上的扭矩是脉动的，所以去。对直径为d的圆轴，弯曲应力，扭转切应力，将和代入式中，则轴的弯扭合成强度条件为式中： 轴的计算应力，单位为MPa; M轴所受的弯矩，单位为Nmm; T轴所受的扭矩，单位为Nmm; W轴的抗弯截面系数，单位为 对称循环变应力的轴的许用弯曲应力。上式中，所以；查表得到=所以轴的设计合理。图3-4 轴的载荷分析图3.3 主轴的设计3.3.1 主轴的设计主轴的主要参数是指：主轴前轴颈直径；主轴内孔径；主轴悬伸量和主轴支承跨距，见图3.5。图3.5主轴主要参数示意图 （1） 主轴轴径的确定主轴轴径通常指主轴前轴颈的直径，其对于主轴部件刚度影响较大。加大直径，可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下应取较小值。设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径。加工中心主轴前轴颈直径按主电动机功率来确定，由现代数控机床结构设计查得。由于装配需要，主轴的直径总是由前轴颈向后缓慢地逐段减小的。在确定前轴径后，可知前轴颈直径和后轴颈直径有如下关系：（2） 主轴内孔直径的确定主轴内孔直径与机床类型有关，主要用来通过棒料，通过拉杆、镗杆或顶出顶尖等。确定孔径的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，应尽量取大值。由经验得知，当时（是主轴平均直径），主轴刚度会急剧下降；而当时，内孔对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，所以常取孔径的极限值为：此时，刚度削弱小于。按照任务书的要求及综合各轴段直径的实际大小，确定内孔直径。（3） 主轴端部形状的选择机床主轴的轴端一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。目前，主轴端部的结构形状都已标准化。图3.6所示为铣床主轴的轴端形式，其尺寸大小按照JB2324-78进行加工，选择主轴序号为50的主轴端部尺寸。图3.6 铣床主轴的轴端形式（4） 主轴悬伸量的确定主轴悬伸量是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径向支承中点）的距离。它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸、前支承的轴承配置和密封装置等，有的还与机床其他结构参数有关，如工作台的行程等，因此主要由结构设计确定。悬伸量值对主轴部件的刚度和抗振性具有较大的影响。因此，确定悬伸量的原则，是在满足结构要求的前提下尽可能取小值，同时应在设计时采取措施缩减值。（5） 主轴支承跨距的确定支承跨距是指主轴相邻两支承反力作用点之间的距离。跨距是决定主轴系统动、静刚度的重要影响因素。合理确定支承跨距，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。最优跨距是指在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小时的跨距。其推导公式是在静态力作用下进行的。实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推得的最优值。最优跨距可按下列公式计算： （3.2）式中： （3.3） （3.4）式中： 主轴前端悬伸长，单位为； 材料的弹性模量，单位为； 轴惯性矩，单位为； 前轴承刚度值，单位为； 后轴承刚度值，单位为。按上式计算最优跨距，计算过程如下： （3.5）式中： 主轴跨距部分的平均直径，单位为； 主轴跨距部分的平均孔颈，单位为。由式（3.5）得：；， ；由主轴材料为40Cr查得材料的弹性模量；由主轴的结构形式确定主轴前端悬伸长将上述参数值代入公式(3.3)(3.4)，得，将，值代入公式（3.2），得按照结构设计的要求，取。由于，故满足设计要求。3.3.2 主轴受力分析轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。(a)(b)(c)图3.7 轴承受力图主轴上的轴承采用一端固定，另一端游动的支承形式。图示3.7a为轴承在空间力系的总受力图，它可分解为铅垂面（图3.7b）和水平面（图3.7c）两个平面力系。由公式（3.1）得出切