端面磨床砂轮主轴结构设计.docx

毕业设计(论文) 端面磨床砂轮主轴结构设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业论文端面磨床砂轮主轴结构设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要主轴组件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具旋转，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键组件。主轴和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工件条件，但主轴直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动，因此对主轴有较高的要求。本人针对端面磨床的砂轮主轴部分进行设计分析。关键词：磨床，端面磨床，砂轮，主轴AbstractMain components of machine tools is the execution part, its function is to support and promote the development of the workpiece or tool to rotate, to complete the surface forming movement, also pass the motion and torque, bear cutting force and driving force of load. As a result of spindle components of working performance directly affects the machining quality and productivity, it is one of the key components of machine tool.The spindle and the general drive shaft are similar, both transfer motion, torque and bear the transmission power, transmission parts and support to ensure the normal work conditions, but the cutting force under the direct axis, but also drives the workpiece or tool, realize the surface forming movement, therefore has a higher requirement on the spindle.I aimed at the end grinding wheel spindle part design and analysis.Key Words: Grinder, surface grinder, grinding wheel, a spindle目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论51.1 磨床的类型与用途51.1.1 磨床的类型及其特点51.1.2 磨床的用途61.1.3 端面磨床61.2 磨床的现状及其发展趋势71.3 端面磨床的设计任务要求7第二章 主轴组件设计82.1 主轴的基本要求92.1.1 旋转精度92.1.2 刚度92.1.3 抗振性102.1.4 温升和热变形112.1.5 耐磨性112.1.6 其他122.2 主轴组件的布局122.2.1 适应刚度和承载能力的要求122.2.2 适应转速要求132.2.3 适应精度的要求142.2.4 适应结构的要求142.2.5 适应经济性要求142.3 主轴结构的初步拟定142.4 主轴的材料与热处理152.5 主轴的技术要求162.5.1 轴颈162.5.2 内锥孔162.6 主轴组件的计算162.6.1 主轴直径的选择（含电动机：功率计算、扭矩）172.6.2 主轴前后支承轴承的选择182.6.3 主轴内孔直径192.6.4 主轴前端悬伸量202.6.5 主轴支承跨距212.7 主轴结构图212.8 主轴组件的验算222.8.1 主轴端部挠度222.9 主轴组件的润滑和密封252.9.1 主轴轴承的润滑252.9.2 主轴组件的密封252.10 主轴组件中相关部件322.10.1 轴肩挡圈322.10.2 挡圈322.10.3 圆螺母32参 考 文 献34致 谢35 第1章 绪 论1.1 磨床的类型与用途机械制造业的生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。机械制造装备的核心是金属切削机床，精密零件的加工，主要依赖切削加工来达到所需要的精度。金属切削机床所担负的工作量约占机器制造总工作量的40%60%，金属切削机床的技术水平直接影响到机械制造业的产品质量和劳动生产率。换言之，一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。显然，金属切削机床在国民经济现代化建设中起着不可替代的作用。纵观几十年来的历史，机械制造业从早期降低成本的竞争，经过20世纪70年代、80年代发展到20世纪90年代乃至21世纪初的新的产品的竞争。目前，我国已加入世界贸易组织，经济全球化时代已经到来，我国机械制造业面临严峻的挑战，也面临着新的形势：知识技术产品的更新周期越来越短，产品的批量越来越小，产品的性能和质量的要求越来越高，环境保护意识和绿色制造的呼声越来越强，因而以敏捷制造为代表的先进制造技术将是制造业快速响应市场需要、不断推出新产品、赢得竞争、求得生存和发展的主要手段。1.1.1 磨床的类型及其特点磨床种类很多，主要有：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床，如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等2。对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、 宽砂轮外圆磨床、端面外圆磨床等以上均为使用砂轮作切削工具的磨床。此外，还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床，以油石和研磨剂为切削工具的精磨磨床等。磨床与其他机床相比，具有以下几个特点：1、磨床的磨具（砂轮）相对于工件做高速旋转运动（一般砂轮圆周线速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上发展）；2、它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件；3、它能使工件表面获得很高的精度和光洁度；4、易于实现自动化和自动线，进行高效率生产；5、磨床通常是电动机-油泵-发动部件，通过机械，电气，液压传动-传动部件带动工件和砂轮相对运动-工件部分组成1。1.1.2 磨床的用途随着科学技术的发展，对机械零件的精度和表面质量要求越来越高，各种高硬度材料的应用日益增多。精密铸造和精密锻造工艺的发展，使得有可能将毛坯直接磨成成品。高速磨削和强力磨削，进一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范围日益扩大。它在金属切削机床所占的比重不断上升。目前在工业发达的国家中，磨床在机床总数中的比例已达30%-40%。据1997年欧洲机床展览会(EMO)的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占23%， 钻削占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%3。由此可见，在精密加工当中，有许多零部件是通过精密磨削来达到其要求的，而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行，因此精密磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。但是要实现精密磨削加工，则所用的磨床就应该满足以下几个基本要求： 高几何精度。 精密磨床应有高的几何精度，主要有砂轮主轴的回转精度和导轨的直线度以保证工件的几何形状精度。主轴轴承可采用液体静压轴承、短三块瓦或长三块瓦油膜轴承，整体度油楔式动压轴承及动静压组合轴承等。当前采用动压轴承和动静压轴承较多。主轴的径向圆跳动一般应小于1um，轴向圆跳动应限制在23um以内。2.低速进给运动的稳定性。 由于砂轮的修整导程要求1015mm/min，因此工作台必须低速进给运动，要求无爬行和无冲击现象并能平稳工作。3.减少振动。 精密磨削时如果产生振动，会对加工质量产生严重不良影响。故对于精密磨床，在结构上应考虑减少振动。4.减少热变形。 精密磨削中热变形引起的加工误差会达到总误差的50，故机床和工艺系统的热变形已经成为实现精密磨削的主要障碍。1.1.3 端面磨床端面磨床是高精度端面加工设备，有着高强度机械构造和稳定的精度。应用领域：液压气动元件、液压马达部件、汽车转向泵零部件、制冷压缩机零部件、油泵油嘴零部件、发动机零部件、高精密轴承、密封件、活塞环、量刃具、模具、仪表、硬质合金刀片、陶瓷阀芯、磁性材料等产品的双面研磨加工。机床特点：高精度精密轴承，保证机床刚性及精度。气动控制，实现轻压、重压、轻压三阶段压力任意调整和自动转换。触摸屏控制界面，方便、快捷。高效率、高精度的金刚石磨盘研磨，备有修整环。端面磨床及其特点：端面磨床是外圆磨床的一种变形机床，它宜于大批量磨削轴类端面工件，有较高的生产率。它的特点如下（1）这种磨床的布局形成和运动联系与外圆磨床相似，为避免砂轮架与工件或尾架相碰，砂轮安装在砂轮架的右边，从斜向切入，一次磨削工件外圆和端面。（2）由于它适用于大批量生产，所以具有自动磨削循环，完成快速进给（长切入）-粗磨-精磨无花磨削。由定程装置或自动测量控制工件尺寸。（3）装有砂轮成型修整器，按样板修整出磨削工件外圆和端面的成型砂轮，为保证端面尺寸稳定及操作安全，一般具有轴向对刀装置。1.2 磨床的现状及其发展趋势随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增多，磨削加工技术正朝着超硬度磨料磨具、开发精密及超精密磨削（从微米、亚微米磨削向纳米磨削发展）和研制高精度、高刚度、多轴的自动化磨床等方向发展4，如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均半径可小至4m、磨削精度高达0.025m；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达400m/s，但这样的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用的砂轮线速度为4060m/s；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m的机床已越来越多；从主轴转速来看，8.2kw主轴达60000r/min，13kw达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。此外，对磨床的环保要求越来越高，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。大量的工业清洗机和切削液处理机系统反映现代制造业对环保越来越高的要求。1.3 端面磨床的设计任务要求（一）设计基本参数砂轮主轴转速1200r/min产品主轴转速100r/min磨削进给速度：0.002mm/min(精磨)；0.02mm/min(粗磨)加工材料：氧化锆（ZrO2）产品磨削面积：3500平方毫米（吸盘直径125毫米），产品规格：直径2.5毫米，长度10.5毫米。砂轮：端面金刚石砂轮（精磨、粗磨两种）磨削精度：产品长度10.50.005操作基本要求：产品经人工装上吸盘后，设备自动完成磨削并停机，等待下一次磨削。（二）课题设计途径与方法：1、了解氧化锆及其用途，常用的加工方法。（了解加工对象：陶瓷插芯）2、了解常用主轴的性能特点、种类、及加工方法、热处理方法（加工工艺方法）。3、了解金刚石砂轮的特点与加工性能。4、了解端面磨削基本结构。（总体构思与布局）5、轴承种类与形式、选用、特点及计算。6、受力分析、与计算。7、设计绘图。8、设计研讨会，改进设计。9、编号设计计算书，工艺文件等。（计算）10、综述、参考索引、编制。第二章 主轴组件设计主轴组件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具旋转，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键组件。主轴和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工件条件，但主轴直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动，因此对主轴有较高的要求。2.1 主轴的基本要求2.1.1 旋转精度主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动r、端面跳动a和轴向窜动值o。如图2-1所示：图中实线表示理想的旋转轴线，虚线表示实际的旋转轴线。当主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。主轴组件的旋转精度取决于部件中各主要件（如主轴、轴承及支承座孔等）的制造精度和装配、调整精度；运动精度还取决于主轴的转速、轴承的性能和润滑以及主轴部件的动态特性。各类通用机床主轴部件的旋转精度已在机床精度标准中作了规定，专用机床主轴部件的旋转精度则根据工件精度要求确定。2.1.2 刚度主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图2-2所示，即K=F/y（单位为N/m），刚度的倒数y/F称为柔度。主轴组件的刚度，是主轴、轴承和支承座的刚度的综合反映，它直接影响主轴组件的旋转精度。显然，主轴组件的刚度越高，主 图2-1 主轴的旋转误差轴受力后的变形就越小，如若刚度不足，在加工精度方面，主轴前端弹性变形直接影响着工件的精度；在传动质量方面，主轴的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况，并使轴承产生侧边压力，从而使这些零件的磨损加剧，寿命缩短；在工件平稳性方面，将使主轴在变化的切削力和传动力等作用下，产生过大的受迫振动，并容易引起切削自激振动，降低了工件的平稳性。图2-2 主轴组件静刚度主轴组件的刚度是综合刚度，影响主轴组件刚度的因素很多，主要有：主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造与装配质量等。2.1.3 抗振性主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。在切削过程中，主轴组件不仅受静载荷的作用，同时也受冲击载荷和交变载荷的作用，使主轴产生振动。如果主轴组件的抗振性差，工作时容易产生振动，从而影响工件的表面质量，降低刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声影响工作环境。随着机床向高精度、高效率方向发展，对抗振性要求越来越高。评价主轴组件的抗振性，主要考虑其抵抗受迫振动和自激振动能力的大小。（1） 抵抗受迫振动的能力主轴组件受迫振动的干扰力，主要包括由于主轴上旋转零件（主轴、传动件和所装的工件或刀具等）的偏心质量而产生的离心力，传动件运动速度不均匀而产生的惯性力，以及断续切削产生的周期性变化的切削力。由于这些干扰力，引起主轴并带着刀具或工件一起振动，而在加工表面上留下振纹，使工件表面粗糙度提高。根据所设计的机床加工表面粗糙度的要求，确定主轴前端的允许振幅，然后计算或测定主轴组件在各种动态干扰力的作用下，其前端的振幅，并同允许值比较，评价是否满足要求。在单独分析主轴组件时，只能求得主轴前端在切削部位的绝对振幅，它只能部分地反映刀具和工件之间的相对振幅。两者关系与激振频率有关，目前主要由试验来确定。此外，主轴组件的低阶固有频率与振型也是其抗振性的评价指标。一般来说，低阶固有频率应高些，并远离激振频率；主轴振型的节点应靠近切削部位。（2） 抵抗切削自激振动的能力金属切削加工时，虽然没有外界动态干扰力的作用，但由于机床工件刀具弹性系统振动对切削过程的反馈作用，刀具与工件之间发生了周期性的强烈的相对振动，称为切削自激振动，简称为颤振。颤振将使加工表面质量恶化，甚至使切削过程无法继续下去，从而不得不降低切削用量来避免之，所以机床的切削用量极限往往不是由机床的功率来决定，而是由加工时发生颤振的条件来决定。机床切削时，从没有颤振到颤振的产生之间存在着明显的界限，这个界限即是稳定性的极限，或称为机床稳定性的条件。对现有机床的试验表明，切削自振频率往往接近于主轴组件弯曲振动的低阶固有频率。即主轴组件是颤振的主振部分，它的低阶弯曲振动模态是决定机床抵抗切削自振能力的主要模态。因此，在单独分析主轴组件时，可以认为主轴前端在切削部位激振点动柔度（在主振方向）的最大负实部，反映了主轴组件抵抗切削自振的能力。对于粗加工机床，切削宽度大，切削自振的可能性大，但加工表面质量要求不高，可主要考虑不产生颤振的条件。对于精密机床，切削用量小，切削自振的可能性小，但允许的振幅小，可主要考虑抵抗受迫振动的能力。对于高速机床，因为激振力的频率和幅值均随着转速提高而剧增，受迫振动和自激振动都比较突出。因此，在设计和评价高速机床时，自激和受迫振动均应考虑。2.1.4 温升和热变形主轴组件工作时因各种相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生了温升，温升使主轴组件的形状和位置发生畸变，称为热变形。热变形应以主轴组件运转一定时间后各部分位置的变化来度量。主轴组件温升和热变形，使机床各部件间相对位置精度遭到破坏，影响工件加工精度，高精度机床尤为严重；热变形造成主轴弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态变坏；热变形还使主轴和轴承，轴承与支承座之间已调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承正常工作，间隙过小将加速齿轮和轴承等零件的磨损，严重时甚至会发生轴承抱轴现象。影响主轴组件温升、热变形的主要因素有：轴承的类型和布置方式，轴承间隙及预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。目前，对各种类型机床连续运转下的允许温升都有一定的规定。2.1.5 耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主轴组件各个滑动表面，包括主轴端部定位面、锥孔，与滑动轴承配合的轴颈表面，移动式主轴套筒外圆表面等，都必须具有很高的硬度，以保证其耐磨性。为了提高主轴组件的耐磨性，应该正确地选用主轴和滑动轴承的材料及热处理方法、润滑方式，合理调整轴承间隙，良好的润滑和可靠的密封。2.1.6 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。主轴在切削力和传动力的作用下，应有可靠的径向和轴向定位，使主轴在工作时受到的切削力和传动力通过轴承可靠地传至箱体等基础零件上。（2）主轴前端结构应保证工件或刀具装卡可靠，并有足够的定位精度。（3）结构工艺好。在保证好用的基础上，尽可能地做到好造、好装、好拆及好修，并尽可能降低主轴组件的成本。2.2 主轴组件的布局主轴组件的设计，必须保证满足上述的基本要求，从而从全局出发，考虑主轴组件的布局。机床主轴有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种，以前者较多见。两支承主轴轴承的配置型式，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，并考虑轴承的供应、经济性等具体情况，加以确定。在选择时，具体有以下要求：2.2.1 适应刚度和承载能力的要求 主轴轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。径向载荷较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力，比单列的大。同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力，比采用单个轴承的大。一般来说，前支承的刚度，应比后支承的大。因为前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后支承的大。表2-1所示为滚动轴承和滑动轴承的比较：表2-1 滚动轴承和滑动轴承的比较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=0.0020.008较小f=0.0010.008本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.00050.001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2.2.2 适应转速要求由于结构和制造方面的原因，不同型号和规格的轴承所允许的最高转速是不同的。轴承的规格越大，精度等级越低，允许的最高转速越低。在承受径向载荷的轴承当中，圆柱滚子轴承的极限转速，比圆锥滚子轴承的高。在承受轴向载荷的轴承当中，向心推力轴承的极限转速最高；推力球轴承的次之；圆锥滚子轴承的最低，但承载能力与上述次序相反。因此，应综合考虑转速和承载能力两方面要求来选择轴承型式。例如，当轴向载荷较大，而转速不高时，可采用推力球轴承；反之，当转速较高，而轴向载荷不大时，可采用角接触球轴承；如果转速较高，轴向载荷又较大，则可采用双列推力向心球轴承；如果径向和轴向载荷都较小，而转速较高，则可采用向心推力球轴承。2.2.3 适应精度的要求起止推作用的轴承的布置有三种方式：前端定位止推轴承集中布置在前支承；后端定位集中布置在后支承；两端定位分别布置在前、后支承。采用前端定位时，主轴受热变形向后延伸，不影响轴向定位精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙较不便，前支承处发热量较大；后端定位的特点与前述的相反；两端定位时，主轴受热伸长后，轴承轴向间隙的改变较大，若止推轴承布置在径向轴承内侧，主轴可能因热膨胀而弯曲。2.2.4 适应结构的要求当要求主轴组件在性能上有较高的刚度和一定的承载能力，而在结构上径向尺寸要紧凑时，则可在一个支承（尤其是前支承）中配置两个或两个以上的轴承。对于轴间距很小的多主轴机床，由于结构限制，宜采用滚针轴承来承受径向载荷，用推力球轴承来承受轴向载荷，并使两轴承错开排列。2.2.5 适应经济性要求确定主轴轴承配置型式，除应考虑满足性能和结构方面要求外，还应作经济性分析，使经济效果好。例如，在能够满足要求的情况下，一般采用已经标准化、系列化，且大批量生产的滚动轴承较为经济，但对于一些大型、重型机床的主轴组件，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。在中速和大载荷情况下，采用圆锥滚子轴承要比采用向心轴承和推力轴承组合的配置型式成本低，因为前者节省了两个轴承，而且箱体工艺性较好。综合考虑以上因素，本设计的主轴采用前、后支承的两支承主轴，前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合，D级精度；后支承采用圆柱滚子轴承，E级精度。其中前支承的双列圆柱滚子轴承，滚子直径小，数量多（5060个），具有较高的刚度；两列滚子交错布置，减少了刚度的变化量；外圈无挡边，加工方便；轴承内孔为锥孔，锥度为1：12，轴向移动内圈使之径向变形，调整径向间隙和预紧；黄铜实体保持架，利于轴承散热。前支承的总体特点是：主轴静刚度好，回转精度高，温升小，径向间隙可以调整，易保持主轴精度，但由于前支承结构比较复杂，前、后支承的温升不同，热变形较大，此外，装配、调整比较麻烦。2.3 主轴结构的初步拟定主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位的方法，同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性，一般在机床主轴上装有较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴颈起向后依次递减。主轴是空心的或者是实心的，主要取决于机床的类型。此次设计的主轴，也设计成阶梯形，同时，在满足刚度要求的前提下，设计成空心轴，以便通过刀具拉杆。主轴端部系指主轴前端。它的形状决定于机床的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。2.4 主轴的材料与热处理主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大（2.110N/cm左右），所以，主轴材料首先考虑用钢料。钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减少热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（HRC4854）.有关45钢主轴热处理情况如下表2-2所列：表2-2 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4550调质HB220250轻中负载局部要求高硬度磨床的砂轮轴4550高频淬火HRC5258轻中负载PV400（Nm/cms）车、钻、铣、磨床的主轴4550淬火回火高频淬火HRC4250HRC5258此次设计的机床主轴，考虑到主轴材料的选择原则，选用价格便宜的中碳钢（45钢）。查表2-2中，因工作中承受轻、中负荷，且要求局部高硬度，故热处理采用高频淬火，HRC5258。2.5 主轴的技术要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度，零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求。2.5.1 轴颈此次设计的主轴，应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时，以轴颈作为工作基面进行旋转运动；加工主轴时，为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴，一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔；在检查主轴精度时，以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度。采用滚动轴承时，轴颈的精度必须与轴承的精度相适应。轴颈的表面粗糙度和硬度，将影响其与滚动轴承的配合质量。对于普通精度级机床的主轴，其支承轴颈的尺寸精度为IT5，轴颈的几何形状允差（圆度、圆柱度等）通常应小于直径公差的1/41/2。2.5.2 内锥孔内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面。在检验机床精度时，它是代表主轴中心线的基准，用来检查主轴与其他部件的相互位置精度，如主轴与导轨的平行度等。由于刀具和顶尖要经常装拆，故内锥孔必须耐磨。锥孔与轴承轴颈的同轴度，一般以锥孔端部及其相距100300毫米处对轴颈的径向跳动表示；其形状误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验，此乃综合指标；还要求一定的表面粗糙度和硬度等。2.6 主轴组件的计算主轴组件的结构参数主要包括：主轴的平均直径D（初选时常用主轴前轴颈的直径D来表示）；主轴内孔直径d；主轴前端部的悬伸量a；以及主轴支承跨距L等。一般步骤是：首先根据机床主电机功率或机床的主参数来选取D，在满足主轴本身刚度的前提下，按照工艺要求来确定d，根据主轴前端部结构形状和前支承的结构型式来确定a,最后根据D、a和主轴前支承的支承刚度来确定L。主轴轴承的配置型式，对主要结构参数的确定很有关系，故在设计过程中常需交叉进行，最终以主轴组件刚度等性能来衡量其设计的合理性。2.6.1 主轴直径的选择（含电动机：功率计算、扭矩）主轴直径对主轴组件刚度的影响很大，直径越大，主轴本身的变形和轴承变形引起的主轴前端位移越小，即主轴组件的刚度越高。但主轴前端轴颈直径D越大，与之相配的轴承等零件的尺寸越大，要达到相同的公差则制造越困难，重量也增加。同时，加大直径还受到轴承所允许的极限转速的限制，甚至为机床结构所不允许。通常，主轴前轴颈直径D可根据传递功率，并参考现有同类机床的主轴轴颈尺寸确定。查金属切削机床设计第157页表5-12中，几种常见的通用机床钢质主轴前轴颈的直径D，可供参考，如下表2-3所示：已知主电机功率P=4KW，机床类型是磨床，查上表中对应项，初取D=80。主轴后轴颈直径D和前轴颈直径D的关系，可根据下列经验公式来定：D=（0.70.85）D因此，有D=（0.70.85）D=（0.70.85）80=5668，取D=65。表2-3 主轴前轴颈直径D的选择机床机 床 功 率 （千瓦）1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.7车床608070907010595130110145140165铣床5090609060957510090105100115外圆磨床509055707080759075100主轴转矩：T1=9550103P1/n1=31.8 Nm表 大批生产砂轮主轴工艺过程序号工序名称工序内容定位基准设备1备料2锻造模锻立式精锻机3热处理正火4锯头5铣端面钻中心孔毛坯外圆中心孔机床6粗车外圆顶尖孔多刀半自动车床7热处理调质8车大端各部车大端外圆、短锥、端面及台阶顶尖孔卧式车床9车小端各部仿形车小端各部外圆顶尖孔仿形车床10钻孔钻大头端面各孔大端内锥孔摇臂钻床11热处理局部高频淬火高频淬火设备12精车外圆精车各外圆并切槽、倒角锥堵顶尖孔数控车床13粗磨外圆粗磨40、45外圆锥堵顶尖孔组合外圆磨床14铣键槽铣8f9键槽80h5及M115mm外圆立式铣床15车螺纹车三处螺纹（与螺母配车）锥堵顶尖孔卧式车床15精磨外圆精磨各外圆锥堵顶尖孔外圆磨床17钳工端面孔去锐边倒角，去毛刺18检验按图样要求全部检验专用检具2.6.2 主轴前后支承轴承的选择（1） 主轴前支承轴承的选择根据前述关于轴承的选择原则，查金属切削机床设计简明手册第375页，选取主轴前支承的双列向心短圆柱滚子轴承型号为3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D=91，D=117，D=117，r=1。具体结构参数如图2-4所示： 图2-4 双列向心短圆柱滚子轴承（GB285-87）结构参数及安装尺寸再查金属切削机床设计简明手册第365页，选取主轴前支承的推力球轴轴承型号为8215。其中，d=75，d=75.2，D=110，H=27, D=86, D=99，r=1。具体结构参数如图2-5所示：（2） 主轴后支承轴承的选择查金属切削机床设计简明手册第368页，选取主轴后支承的圆柱滚子轴承型号为2213。其中：d=65，D=120，B=23，D=77，D=110，r=1.5。具体结构参数如图2-6所示：2.6.3 主轴内孔直径该磨床用于铣削加工，其主轴需有一通过铣刀拉杆的孔，该主轴内孔直径应取在一定范围内，才不致影响主轴刚度。一般，主轴内孔直径受到主轴后轴颈的直径所限制。 图2-5 推力球轴承（GB301-84）结构参数及安装尺寸 图2-6 圆柱滚子轴承（GB283-87）结构参数及安装尺寸由材料力学可知，刚度K正比于截面惯性矩I，它与直径之间有下列关系：=1-（）=1-根据此式可得：当0.3时，空心与实心截面主轴的刚度很接近；当=0.5时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%，对刚度影响不大；0.7时，则主轴刚度急剧下降，故一般应使0.7，即d0.7D。由以上分析可得：d0.7 D=0.765=45.5考虑到此磨床主轴为磨削主轴，故可将取小些，即取=0.5，即：d3根据上表所列，所设计的磨床属于型，所以取a/ D为1.252.5，即：a=（1.252.5）D=（1.252.5）80=100200初取a=120。2.6.5 主轴支承跨距主轴支承跨距L是指主轴前、后支承支承反力作用点之间的距离。合理确定主轴支承跨距，可提高主轴部件的静刚度。可以证明，支承跨距越小，主轴自身的刚度越大，弯曲变形越小，但支承的变形引起的主轴前端的位移量将增大；支承跨距大，支承的变形引起的主轴前端的位移量较小，但主轴本身的弯曲变形将增大。可见，支承跨距过大或过