铣削组合机床及主轴组件设计 第一章 机床总体设计 列为：
n1= nmin=56r/min, n2= nminΦ, n3= nminΦ2, nz= nminΦ查标准数列，取公比Φ=1.78 (1＜Φ≤2) 转速范围： Rn=
z?1
nmax1000==17.8 56nmin转速级数： Z=
logR n+1=5.99 取Z=6 logΦ由于本次设计的要求，主轴转速级数只需设计四级就能满足要求，故取Z=4。即：
n1=56， n2=100, n3=180, n4=315 (r/min)
1.3.4动力参数—主运动驱动电动机功率的确定 (1) 切削力的计算
由前面已知，本次设计的组合机床的最高转速为n4=315r/min，则此时的切削速度为：
V=
n4?d315?3.14?110==108.8m/min<200m/min
10001000由此可见，切削速度满足要求。 计算铣削工件时的切削力
0.740.9.00?1.0Fz=9.18×54.5a1×a×a×Z×d e0fp式中：ae—铣削宽度，ae=90mm
ap—铣削深度，由于是一次铣削就能达到设计尺寸，则铣削深度为工件加
工余量，即ap=2.5mm。
af—每齿进给量，af=0.2mm/r Z—转数级数，取Z=4 则铣削力的大小为：
Fz=9.18×54.5×90
1.00×0.2
0.74×2.5
0.9×4×110
?1.0=1213.1N
(2)切削功率的计算
根据《机械制造工艺金属机床设计指导》第72页，可得切削功率公式为：
Pm=
FzV1213.1?108.8==2.2KW
6000060000(3) 估算电动机功率
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铣削组合机床及主轴组件设计 第一章 机床总体设计
根据《机械制造工艺金属机床设计指导》第72页，有
Pe=
Pm?=
2.2=3.14KW 0.7式中：η—主传动系统的机械效率，回转运动的机床η=0.7～0.85。 (4) 选择主电机
查《机械设计课程设计手册》第155页表12-1，选Y112-4电机，主要参数有： 额定功率Pe=4KW，满载转速 ne=1440r/min，同步转速n=1500r/min，级数P=4，质量m=43kg。
1.4 进给驱动电动机功率的确定
查《金属切削机床设计》第41页，可知：进给驱动电动机功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率，即：
Ns=
QVs 60000?s式中：Ns—进给驱动电动机功率(KW) Q —进给抗力(N) Vs—进给速度(m/min)
ηs—进给传动系统的总机械效率(一般取0.15～0.2)
粗略计算时，可根据进给传动与主传动所需功率之比值来估算进给驱动电机功率。 对于铣床： Ns=0.2×N=0.2×4=0.8KW
查《机械设计课程设计手册》第155页表12-1，选Y90S-4电机，主要参数有： 额定功率Pe=1.1KW，满载转速ne=1440r/min，同步转速n=1500r/min，级数P=4，质量m=22kg。
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铣削组合机床及主轴组件设计 第二章 主轴组件设计
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
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铣削组合机床及主轴组件设计 第二章 主轴组件设计
△r△o△a 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。
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铣削组合机床及主轴组件设计 第二章 主轴组件设计 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。
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