数控机床主轴箱设计(方案3参考)
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查《数控加工中心设计》P27，公式2-14， [2]； 其中K-刚度值，其下限值250N/μ m，精密机床的K值为 500 N/μ m； D-主轴平均外径，mm； d-主轴平均内经，即中空轴平均内经，mm； l-主轴轴承支撑跨距，mm。 取K=400N/μ m，代入公式可得l=285mm，可取l=300mm 又l=（2-3）a，可得a=100-150mm； 在设计主轴前端时应尽量缩短前端悬伸量，根据设计手 册主轴前端部，结合设计取前悬伸a=100mm。
三、参考资料
1. 机床设计手册（下册）
机工社出版 2.金属切削机床简明设计手册 机工社出版 3.机床设计图册 上海科学技术出版社 4.金属切削机床 戴曙编 机工社出版 5.金属切削机床概论 吉林工业大学 贾亚洲编 机工社出版 6.数控加工中心设计 夏田主编 化学工业出版社 7.现代实用机床设计手册上、下册 现代实用机 床设计手册编委会. 机械工业出版社 8.教材：机械制造装备设计 9.教材：机械零件设计手册（即机械设计课程设计） 8.其他（网上资料）
郭力老师：院楼206室 电话：13647486338 电子邮件：guoli864@
1.主轴箱电动机选择
选择条件：连续工作额定功率为18.5kW，30min工作最大 输出为22 kW；额定转速为1500r/min,最高转速为 4000r/min。 查《现代实用机床设计手册》下册P967表6-1-12，FANUCS系列标准型交流主轴电动机主要技术参数，选取FANUC18S型电机[13]。其最高转速为4500r/min。
很多机床的主轴是空心的，内孔直径d与其用途有关，加工中心 主轴内孔通过拉杆来拉紧刀杆等。为不过多的削弱主轴的刚度， 加工中心的主轴孔径d可比刀具拉杆直径大5～10mm。根据所查主 轴端部中拉杆孔径d1，在此初步定d = d1 +(5~10)。由于主轴内 孔直径在一定范围内对主轴刚度影响很小，若超出此范围，则能 使主轴刚度急剧下降，由材料力学知识可知刚度K正比于截面惯 性矩I，它与直径间有下列关系，即
（每个班借一两套，同学们必须查手册）
设计内容
第一部分: 方案设计； 第二部分：主轴箱结构设计。
第一部分、方案设计
该数控机床的主运动传动系统图, 转速图(a)和主轴的 功率特性图（b） 为简化结构，采用双速变速箱（z=2） 主轴恒功率调速范围Rnp=4000/254=15.75 电动机恒功率调速范围Rdp=4000/1500=2.67 根据 得变速箱公比φ f= 5.89>Rdp 主轴的功率特性图上有缺口。 电机：FANUC交流主轴电机S系列18S （参见《金属切削机床简明设计手册》第607页和 584页（电机头部结构）） 长期运行 18.5KW ； 30分钟内运行22KW一般NC 机床不会长期工作。(再讲解图b)
失为0.1。 则主轴传递最大功率为P=P电×0.952×0.9=15.4Kw；
根据功率特性图知缺口处实际功率为8.3 Kw。故，主轴传递 功率为8.3~15.4 Kw。
查《机械制造装备设计》第三版P146，表3—1主轴前轴颈直
径D1,参考升降台铣床，可取D1=100mm[7]； D2=（0.7~0.8）×D1，可取D2=80mm； D= D1/（1.10~1.15），可取D=90mm；
隔套： 查《金属切削机床设计简明手册》P385-P386，表6-23内隔 套和表6-24外隔套，选取内隔套J-100×22、外隔套J140×22[6]，如图2.5所示。
后轴承： 主轴动力从后端传入，后轴承承受较大传动力，所以 使用双列圆柱滚子轴承。 查《现代实用机床设计手册》上册，P1018表3-9-10 双列圆柱滚子轴承，选NN3016轴承[13]。 查《机械制造装备设计》P155，表3-3主轴轴承精度 ，选后轴承公差等级为4级，其代号为P4，即轴承代号为 NN3016/P4[7]. 查《现代实用机床设计手册》上册,P1053表3-9-41向 心轴承与轴的配合及P1054表3-9-41向心轴承与外壳的配合 ；选取轴承内圈与轴配合处轴的偏差为m5，选取轴承外圈与 外壳配合处外壳的偏差为J7[13]。
(6) 键和键槽 齿轮和主轴采用普通平键连接；由于安装在主轴上的 两个齿轮紧贴安装，故可以将两个平键和键槽加工成为一个
整体。
查《画法几何及工程制图》P337，附表17平键和键槽 的剖面尺寸。选GB/T 1096-2003 键 B 25×14×125[12]。
主轴内孔直径d的确定： 很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关， 加工中心新主轴内孔通过拉杆来拉紧刀杆等。为不过多的削 弱主轴的刚度，加工中心的主轴孔径d可比刀具拉杆直径大5 ～10mm。根据所查主轴端部中拉杆孔径d1=39.6mm，在此初 步定d =50mm。由于主轴内孔直径在一定范围内对主轴刚度 影响很小，若超出此范围，则能使主轴刚度急剧下降，由材 料力学知识可知刚度K正比于截面惯性矩I，它与直径间有下 列关系，即： d，D——主轴内外径； K0，I0——空心主轴的刚度和截面惯性矩； K，I——实心主轴的刚度和截面惯性矩； 一般当ε ≤0.7时对刚度影响不大，若ε >0.7将使主 轴的刚度下降。 这里ε =50/100=0.5<0.7，故满足刚度要求。
5、传动轴设计（即第Ⅱ轴）有花键
滑移齿轮的花键大小径的平均值应大于轴径计算值。 矩形花键：N * d * D * B
键数 小径 大径 键宽 查《机械设计、机械设计基础课程设计》P141，表14-2矩形花键基本尺 寸系列及公差。
6、箱体设计
壁厚：15mm～20mm 表面只能内凸不能外凸
特别注意
①
主轴头部结构。箱体上要有拔模斜度，采用内六角 螺钉。
4、齿轮块设计 （1）齿轮的宽度
b=(6～10)mn (装在轴中间的齿轮取大值，靠近支撑处取小值） （2）变速组所占用的轴向尺寸 一定要保证一对齿轮完全脱开后， 下一对齿轮才能开始进入啮合 ( 3)空刀槽 mn=2.5～4 mm Bk=6 mm(拨叉槽Bk≥10mm) (4)轮壳长度(2连滑移齿轮) 滑移齿轮块 L ≥(1.2～2)d 固定齿轮块 L ≥ (0.8～1.5)d （5）主轴上用压块锁紧圆螺母：防松（《机床设计手册》 下册728页）。
电机头部尺寸如图2.4所示
图2.4 电动机头部简图及重要尺寸
2.主轴及其连接部件设计
（1）主轴主要结构设计
主要结构参数：D1——主轴前轴颈直径；
D2——主轴后轴颈直径； D——主轴平均外径； d——主轴内孔直径； l——主轴支承跨距； a——前悬伸；
计算主轴传递功率：
取每级齿轮传动效率（包括轴承效率）为0.95，其他功率损
电机的安装与固定。 结构设计图：展开图1#和剖面图1#图纸。 不要在展开图上写明细表。说明书上也可以不写。
② ③ ④ ⑤
在1#图板上设计图纸比例可能要缩小，图纸比例在 1:1.5以内.
注意
1.每个同学借一个1#图板和丁字尺等。 第一周（六）不休息，这样可以完成好。 2.下周四下午五点交图。下周五下午答辩。
(4)砂轮越程槽 查《金属切削机床设计简明手册》P23，表1-23砂轮越程槽
[6]。根据主轴上各段直径查各段砂轮越程槽b、r、H的具体
数值，进行设计，如图2.6.
(5)固定齿轮 齿轮齿宽：b=(6-10)m—其中m为齿轮模数。 故齿数为61的齿轮齿宽：b=6×5=30mm； 齿数为34的齿轮齿宽：b=8×4=32mm； 轮壳长度：L=(0.8～1.5)d—其中d为孔径。 故取L1=70mm，L2=72mm,则L=L1+L2=142mm。 即齿数为61的齿轮总宽为70mm； 齿数为34的齿轮总宽为72mm。 齿轮材料： 查《机械设计手册》第三册P13-62，表16.2-59和表 16.2-60，选取齿轮材料35SiMn，调质处理[8]。
主轴结构类型
加工中心可参考教材图2-29或《数控加工中心设 计》P33-34，图2-14，图2-15
主轴关键部分尺寸
主轴轴颈的选取 由教材表3－1（装备设计教材上146页）
计算主轴传递功率范围:8.3～15.4kw 参考升降台铣床取： 主轴前轴颈：D1=90～115，取D1=100mm； 后轴颈：D2=70～80 取D2=80mm； 平均直径：D=D1/(1.10~1.15)，取D=90mm；
2、主轴支承跨距l和前悬伸a 查《数控加工中心设计》P27，公式2-14可算出主轴支承跨 距l0，往往实际支撑跨距l>l0；
K，为刚度值 前悬伸a：l0=（2-3）a a的值对主轴刚度影响很大，a值越小，主轴刚度越高。
3、主轴轴承
前轴承采用三联角接触球轴承：外侧的两个角接触球轴承大口 朝向主轴工作端，第三个角接触球轴承通过隔套与外侧的两个轴 承背靠背配置。 查《现代实用机床设计手册》上册，P1021表3-9-13角接触球 轴承，根据轴径、转速等条件进行选择。 后轴承采用双列圆柱滚子轴承： 查《现代实用机床设计手册》上册，P1018表3-9-10双列圆柱滚 子轴承，根据轴径、转速等条件进行选择。 隔套： 查《金属切削机床设计简明手册》P385-P386，表6-23内隔套 和表6-24外隔套，根据轴径和所选轴承外径选取。
接触球轴承，选71920C轴承[13]。 查《机械制造装备设计》P155，表3-3主轴轴承精度， 选前轴承公差等级为2级，其代号为P2，即轴承代号为 71920C/P2[7]。
查《现代实用机床设计手册》上册,P1053表3-9-41向
心轴承与轴的配合及P1054表3-9-41向心轴承与外壳的配合 ；选取轴承内圈与轴配合处轴的偏差为k5，选取轴承外圈与 外壳配合处外壳的偏差为J7[13]。
前轴承:外侧的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作
端，承受主要方向的轴向力；第三个角接触球轴承通过隔套 与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有较大 的支撑跨距，以提高承受颠覆力矩的刚度。 查《现代实用机床设计手册》上册，P1021表3-9-13角
