CK6140数控车床主轴部件设计

摘要本设计是以CK6140数控车床主轴部件为主要内容。

讲述了数控机床的结构设计要求：提高机床的结构刚度，提高机床结构的抗振性，以及减少机床的热变形。

主要设计主轴的前端轴径的大小和形状、主轴跨距的计算及前后支撑的类型和轴承的选用。

主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中为主要考虑对象。

关键词：主轴回转精度；轴承精度；最优跨距；前端悬伸量目录绪论 (1)一、主轴的用途及设计要求 (2)二、有关零件的分析 (5)（一）零件的结构特点 (5)（二）加工工艺性 (6)三、基准的选择 (7)（一）有关基准的选择说明 (7)（二）确定零件的定位基准 (8)四、轴类零件的材料、毛坯及热处理 (9)（一）轴类零件的材料 (9)（二）轴类毛坯 (9)（三）轴类零件的热处理 (9)五、制定加工工艺路线 (10)（一）主轴加工工艺过程分析 (10)（二）工艺路线的拟定 (11)（三）车床主轴机械加工工艺过程卡 (14)（四）加工余量的确定 (15)六、轴类零件的检验 (17)（一）加工中的检验 (17)（二）加工后的检验 (17)结论 (18)参考文献 (19)致谢 (20)绪论机床技术参数有主参数和基本参数，他们是运动传动和结构设计的依据，影响到机床是否满足所需要的基本功能要求，参数拟定就是机床性能设计。

主参数是直接反映机床的加工能力、决定和影响其他基本参数的依据，如车床的最大加工直径，一般在设计题目中给定，基本参数是一些加工尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的参数，可归纳为尺寸参数和动力参数。

通用车床工艺范围广，所加工的工件形状、尺寸和材料各不相同，有粗加工又有精加工；用硬质合金刀具有用高速钢刀具。

因此必须对所设计的机床工艺范围和使用情况全面的调研和统计，依据某些典型工艺和加工对象，兼顾其他的可能工艺加工的要求，拟定机床技术参数，拟定参数时，要考虑机床发展趋势和同国内外类机床的对比，使拟定的参数最大限度地适应各种不同的工艺要求和达到机床加工能力下经济合理。

机床主传动系因机床的类型、性能、规格和尺寸等因素的不同，应满足的要求也不一样。

设计机床主传动系时最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。

主电动机和传动机构能提供足够的转速范围和转速级数；满足机床传动动力的要求。

主电动机和传动机构提供足够的功率和转矩，具有较高的传动效率；满足机床工作性能要求。

主传动中所有零部件与足够的刚度、精度和抗震性，热变形特性稳定；满足产品的经济性要求。

传动链尽可能简短，零件数目要少，以便节约材料降低成本。

一、主轴的用途及设计要求（一）用途车床主轴是车床的主要零件，它的头端装有夹具、工件或刀具，工作时要承受扭曲和弯矩，所以要求有足够的刚性、耐磨性和抗振性，并要求很高的回转精度。

所以主轴的加工质量对机床的工作精度和使用寿命有很大的影响。

其原始资料如下：零件材料：45钢技术要求：1、莫氏锥度及1：12锥面用涂色法检查，接触率为大于等于70%。

2、莫氏6号锥孔对主轴端面的位移为+2。

3、用环规紧贴C面，环规端面与D端面的间隙为0.05～0.1。

4、花键不等分积累误差和键对定心直径中心的偏移为0.02。

生产批量:中等批量零件数据：（见零件图）图1.1 车床主轴零件图（二）设计要求1要求编制一个车床主轴零件的机械加工工艺规程，按照老师的设计，并编写设计说明书。

具体内容如下：2选择毛胚的制造方法，指定毛胚的技术要求。

3拟定车床主轴的机械加工工艺过程。

4合理选择各工序的定位基准。

5确定各工序所用的加工设备。

6确定刀具材料、类型和规定量具的种类。

7确定一个加工表面的工序余量和总余量。

8确定一个工序的切削用量。

9确定工序尺寸，正确拟定工序技术要求。

10计算一个工件的单件工时。

11编写工艺文件。

12编写设计说明书。

二、有关零件的分析根据轴类零件的功用和工作条件，其技术要求主要在以下方面：（1）尺寸精度轴类零件的主要表面常为两类：一类是与轴承的内圈配合的外圆轴颈，即支承轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为IT5～IT7；另一类为与各类传动件配合的轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，常为IT6～IT9。

（2）几何形状精度主要指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度。

其误差一般应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行规定其几何形状精度。

（3）相互位置精度包括内、外表面、重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等。

（4）表面粗糙度轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确定。

支承轴颈常为0.2～1.6μm，传动件配合轴颈为0.4～3.2μm。

（5）其他热处理及外观修饰等要求。

（一）零件的结构特点图1.1所示零件是车床的主轴，它属于台阶型轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹、退刀槽和键槽等组成。

轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置；键槽是便于安装键，以传递转矩；螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。

从图1.1所示的车床主轴零件的支撑轴颈A、B是装配基准，故对A、B两段轴颈的加工提出了很高的要求。

主轴的支撑轴颈、配合轴颈、锥孔、前端圆锥面及端面、锁紧螺纹等表面是轴的主要加工表面。

其中支撑轴颈本身的尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度和表面粗糙度尤为重要。

（二）加工工艺性次零件的技术要求不高，用车床、铣床和钻床就可以加工出来，精度要求一般是7到8级，而且表面粗糙度要求也不太高，是一个较好加工的零件。

三、基准的选择（一）有关基准的选择说明1．粗基准的选用原则（1）保证不加工表面与加工表面相互位置要求原则。

当有些不加工表面与加工表面之间有相互位置要求时，一般不选择加工表面作为粗基准。

（2）保证各加工表面的加工余量合理分配的原则。

应选择重要加工表面为粗基准。

（3）粗基准不重复使用的原则。

粗基准的精度低，粗糙度数值大，重复使用会造成较大的定位误差，因此，同一尺寸方向的粗基准，通常只允许使用一次。

2．精基准的选用原则（1）基准重合原则。

尽可能使设计基准和定位基准重合，以减少定位误差。

（2）基准统一原则。

尽可能使用同一定位基准加工个表面，以保证各表面的位置精度。

如轴类零件常用两端顶尖孔作为统一的定位基准。

（3）互为基准原则。

当两个加工表面间的位置精度要求比较高的时候，可用互为基准的原则反复加工。

（4）自为基准的原则。

当要求加工余量小而均匀时，可选择加工表面作为自身的定位基准。

（二）确定零件的定位基准主轴加工中，为了保证各主要表面的相互位置精度，选择定位基准时，应遵循基准重合、基准统一和互为基准等重要原则，并能在一次装夹中尽可能加工出较多的表面。

由于主轴外圆表面的设计基准是主轴轴心线，根据基准重合的原则考虑应选择主轴两端的顶尖孔作为精基准面。

用顶尖孔定位，还能在一次装夹中将许多外圆表面及其端面加工出来，有利于保证加工面间的位置精度。

所以主轴在粗车之前应先加工顶尖孔。

为了保证支承轴颈与主轴内锥面的同轴度要求，宜按互为基准的原则选择基准面。

如车小端1∶20锥孔和大端莫氏6号内锥孔时，以与前支承轴颈相邻而它们又是用同一基准加工出来的外圆柱面为定位基准面（因支承轴颈系外锥面不便装夹）；在精车各外圆（包括两个支承轴颈）时，以前、后锥孔内所配锥堵的顶尖孔为定位基面；在粗磨莫氏6号内锥孔时，又以两圆柱面为定位基准面；粗、精磨两个支承轴颈的1∶12锥面时，再次用锥堵顶尖孔定位；最后精磨莫氏6号锥孔时，直接以精磨后的前支承轴颈和另一圆柱面定位。

定位基准每转换一次，都使主轴的加工精度提高一步。

四、轴类零件的材料、毛坯及热处理（一）轴类零件的材料常用45钢，精度较高的轴可选用40Cr、轴承钢GCr15、弹簧钢65Mn，也可选用球墨铸铁；对高速、重载的轴，选用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr 等低碳合金钢或38CrMoAl氮化钢。

考虑到零件的经济性和综合性能要求，零件材料为45钢。

（二）轴类毛坯常用圆棒料和锻件；大型轴或结构复杂的轴采用铸件。

毛坯经过加热锻造后，可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。

（三）轴类零件的热处理锻造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除锻造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。

调质一般安排在粗车之后、半精车之前，以获得良好的物理力学性能。

表面淬火一般安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。

精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理。

五、制定加工工艺路线拟订零件的加工路线是制定工艺规程的总体布局，主要任务是选择各表面的加工方法，及定位基准，确定加工顺序，各工序采用的机床设备和工艺装备等。

（一）主轴加工工艺过程分析主轴加工工艺过程可划分为三个加工阶段，即粗加工阶段（包括铣端面、加工顶尖孔、粗车外圆等）；半精加工阶段（半精车外圆，钻通孔，车锥面、锥孔，钻大头端面各孔，精车外圆等）；精加工阶段（包括精铣键槽，粗、精磨外圆、锥面、锥孔等）。

在机械加工工序中间尚需插入必要的热处理工序，这就决定了主轴加工各主要表面总是循着以下顺序的进行，即粗车→调质（预备热处理）→半精车→精车→淬火-回火（最终热处理）→粗磨→精磨。

综上所述，主轴主要表面的加工顺序安排如下：外圆表面粗加工（以顶尖孔定位）→外圆表面半精加工（以顶尖孔定位）→钻通孔（以半精加工过的外圆表面定位）→锥孔粗加工（以半精加工过的外圆表面定位，加工后配锥堵）→外圆表面精加工（以锥堵顶尖孔定位）→锥孔精加工（以精加工外圆面定位）。

当主要表面加工顺序确定后，就要合理地插入非主要表面加工工序。

对主轴来说非主要表面指的是螺孔、键槽、螺纹等。

这些表面加工一般不易出现废品，所以尽量安排在后面工序进行，主要表面加工一旦出了废品，非主要表面就不需加工了，这样可以避免浪费工时。

但这些表面也不能放在主要表面精加工后，以防在加工非主要表面过程中损伤已精加工过的表面。

对凡是需要在淬硬表面上加工的螺孔、键槽等，都应安排在淬火前加工。

非淬硬表面上螺孔、键槽等一般在外圆精车之后，精磨之前进行加工。

主轴螺纹，因它与主轴支承轴颈之间有一定的同轴度要求，所以螺纹安排在以非淬火-回火为最终热处理工序之后的精加工阶段进行，这样半精加工后残余应力所引起的变形和热处理后的变形，就不会影响螺纹的加工精度。

（二）工艺路线的拟定为保证几何形状、尺寸精度、位置精度及各项技术要求，必须判定合理的工艺路线。

工艺路线方案一工艺路线方案二两个工艺路线的分析：相比工艺路线方案一，工艺路线方案二采用先铣面，后钻孔的思路，符合工序集中和先面后孔的原则，但在加工右边圆柱上平面和左边圆柱下平面时不便于定位和装夹，且不符合基准先行的原则；而加工方案一不仅符合先面后孔的原则和基准先行原则，而且便于定位和装夹。