机械制造装备设计第四章 组合机床主轴箱设计

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主轴直径按加工示意图所示主轴类型及外伸尺寸可初步确定。 传动轴的直径也可参考主轴直径大小初步选定。待齿轮传动系 统设计完后再验算某些关键轴颈。 齿轮模数m(单位为mm)一般用类比法确定，也可按公式估算，
即
≧m
(30 ~ 32) P zn
式中： P——齿轮所传递的功率，单位为kW ； z——一对啮合齿轮中的小齿轮齿数； n——小齿轮的转速，单位为r/min 。
第四章 组合机床主轴箱设计
第一节 概述
一 主轴箱的用途及分类
主轴箱是组合机床的主要部件之一。按专用要 求进行设计，由通用零部件组成。
其主要作用是，根据被加工零件的加工要求， 安排各主轴位置，并将动力和运动由电机或动力 部件传给各工作主轴，使之得到要求的转速和转 向。
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主轴箱是根据加工示意图所确定的工件 加工孔的数量、位置，切削用量和主轴类 型设计的传递各主轴运动的动力部件。
通常卧式主轴箱的厚度为325 mm，立式主轴 箱的厚度为340 mm 。
主轴4、传动轴6、手柄轴7、传动齿轮11、 动力箱或电动机齿轮13等为传动类零件。
叶片泵12、分油器16、注油杯22、排油塞21、 油盘19（立式主轴箱不用）和防油套10等 为润滑及防油元件。 精选课件
在主轴箱箱体内腔，可安排两排32mm宽的齿轮或三 排24mm宽的齿轮；箱体后壁与后盖之间可安排一排 （后盖用90 mm厚时）或两排（后盖用125 mm厚时） 24 mm宽的齿轮。
目前主轴箱设计有一般设计法和电子计算机辅助设计法两种。
计算机设计主轴箱
由人工输入原始数据，按事先编制的程序，通过人 机交互方式，可迅速、准确地设计传动系统，绘制主轴 箱总图、零件图和箱体补充加工图，打印出轴孔坐标及 组件明细表。
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一般设计法的顺序
① 绘制主轴箱设计原始依据图； ② 确定主轴结构、轴颈尺寸及齿轮模数； ③ 拟定传动系统； ④ 计算主轴、传动轴坐标（也可用计算机计算和 验算箱体轴孔的坐标尺寸）； ⑤ 绘制坐标检查图； ⑥ 绘制主轴箱总图、零件图及编制组件明细表。
——零件顺序号 ——————顺 序 号 ————————小 组 号 —————————类 别 号 ———————————字 头 —————————————规 格
T07或1T07系指与TD或1TD系列动力箱配套的主 轴箱
通用零件。
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小组号： 1——主轴箱体类零件； 2——主轴类零件；
3——传动轴类零件； 4——齿轮类零件。
通用主轴箱基型后盖厚度为90 mm ，如只有电机轴 安排第Ⅳ排齿轮，可选用厚度为50 mm的后盖，此时 后盖窗孔应加以扩大，如图4—2所示
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2．主轴箱总图绘制方法及特点
（1）主视图——用点划线表示齿轮节圆，标注齿 轮齿数和模数，两啮合齿轮相切处标注罗马数字 表示齿轮所在排数。标注各轴轴号及主轴、驱动 轴、液压泵轴的转速和转向。
（2）展开图——每根轴、轴承、齿轮等组件可只 画轴线上边或下边（左边或右边）一半，对于结 构尺寸完全相同的轴组件只画一根，但必须在轴 端注明相应的轴号；齿轮可不按比例绘制，在图 形一侧用数码箭头标明齿轮所在排数。
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二、主轴箱通用零件
主轴箱通用零件的编号方法如下：
口 T 07 Δ Δ ——ΔΔ
① 顺序号和零件顺序号表示的内容随类别号和小组号的不
同而不同。
如 500×400T0711—11，表示宽500 mm、高400 mm的主轴箱体； 30T0721—41,表示用圆锥滚子轴承、直径为Ф40 mm的传动轴； 3×25×20T0741—91，表示模数为3 mm 、齿数为25 、孔径为Ф20mm 、 宽度为32mm的齿轮。
主轴箱的通用箱体类零件采用灰铸铁材料，箱体材料为HT200 ，前盖、 后盖、侧盖等材料为HT150。
主轴箱基本尺寸系列标准（GB3668.1—83）规定，名义尺寸用相应滑 台的宽度表示，主轴箱体宽度和高度根据配套滑台的规格按 表4—1进行选择。
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➢ 主轴箱的标准厚度为180 mm ； ➢ 用于卧式主轴箱的前盖厚度为55 mm ，用
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主轴箱传动设计过程中，当齿轮排数Ⅰ～Ⅳ排不够用时，可以增加排 数，如在原来Ⅰ排齿轮的位置上排两排薄齿轮（其强度应满足要求） 或在箱体与前盖之间增设0排齿轮。
2. 拟定主轴箱传动系统的基本方法
然后根据已选定的各中 心传动轴再取同心圆， 并用最少的传动轴带动 这些中心传动轴；
最后通过合拢传动轴与 动力箱驱动轴连接起来。
其动力来源于通用的动力箱，与动力箱 一起安装在进给滑台上，将动力和运动传 给主轴，使 之得到要求的转速和转速，可完成钻孔、 扩孔、铰孔、镗孔、铣削等加工工序。
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1 主轴箱一般具有多根主轴，同时对一列孔系进行加工。但也有单 轴的，用于镗孔居多。
2 主轴箱按结构大小，可分为大型主轴箱和小型主轴箱两大类。大 型主轴箱又分为通用（即标准）主轴箱和专用主轴箱两种。
于立式主轴箱的前盖，因兼作油池用，故加 厚到70 mm ；
➢ 基型后盖的厚度为90 mm ，变形后盖厚度
为50 mm 、100 mm和125 mm三种，应根 据主轴箱传动系统安排和动力部件与主轴箱 的连接情况合理选用。
➢ 如只有电机轴安排Ⅳ或Ⅴ排齿轮，可选用厚
度为50 mm或100 mm的后盖，此时，后盖 窗口应按齿轮外廓加以扩大，如图4—2所示。
长主轴
外伸长度大于75（立式为60）mm的主轴， 因主轴内孔较长，与刀具尾部连接的接触面加长，增强了 刀具与主轴的连接刚度、减少刀具前端下垂，采用标准导 套导向或单导向，用于钻孔、扩孔、倒角、锪平面等工序。
通用钻削类主轴参数见表4—2所示。
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（2）攻螺纹类主轴（见图4—5） 按支承型式分两种：
3 通用主轴箱结构典型，能利用通用的箱体和传动件。 4 专用主轴箱结构特殊，往往需要加强主轴系统刚性，而使主轴及
某些传动件必须专门设计，故专用主轴箱通常指“刚性主轴箱”， 即采用不需刀具导向装置的刚性主轴和用精密滑台导 轨来保证加工孔的位置精度。 5 大型主轴箱和小型主轴箱，这两种主轴箱的设计方 法基本相同。 下面仅介绍大型通用主轴箱的精设选课计件。
承受单方向的轴向力，适用于钻孔主轴。
前滚后针支轴承承均主为轴无内环滚针轴承和推力球轴承。当主轴
间距较小时采用。
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按与刀具的连接是浮动还是刚性连接，又分为短主轴和长主轴；
短主轴
主轴箱前盖外伸长度为75（立式为60）mm的圆锥滚子 轴承主轴，采用浮动卡头与刀具浮动连接配以加长导向或双 导向，用于镗、扩、铰孔等工序；
通用传动轴按用途和支承型式分为图4—5所示六种；表4—5 所示为通用传动轴的系列参数。
通用传动轴一般用45钢，调质T235；滚针轴承传动轴用 20Cr钢，热处理S0.5 ~ C59。
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3. 通用齿轮
主轴箱用通用齿轮有：传动齿轮、动力箱齿轮和电动机齿轮三 种，材料均采用45钢，热处理为齿部高频淬火G54。
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主轴箱所需的进给力F主轴箱可按下式计算：
n
F主轴箱
Fi
i 1
式中： Fi——各主轴所需的轴向切削力，单位为N。
实际上，为克服滑台移动引起的摩擦阻力， 动力滑台的进给力应大于F主轴箱
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三、主轴箱传动设计
1. 对主轴箱传动系统的一般要求
【1】在保证主轴的强度、刚度、转速和转向的条件下，力求使传动轴和齿 轮的规格、数量为最少。 【2】尽量不用主轴带动主轴的方案，以免增加主轴负荷，影响加工质量。 【3】为使结构紧凑，主轴箱内齿轮副的传动比一般要大于1∶2（最佳传动 比为1 ~ 1∶1.5），后盖内齿轮传动比允许取至1∶3 ~ 1∶3.5 ；尽量避 免用升速传动。 【4】用于粗加工主轴的齿轮，应尽可能设置在第Ⅰ排，以减少主轴的扭转 变形；精加工主轴上的齿轮，应设置在第Ⅲ排，以减少主轴端的弯曲变形。 【5】主轴箱内具有粗精加工主轴时，最好从动力箱驱动轴齿轮传动开始就 分两条传动路线，以免影响加工精度。 【6】刚性镗孔主轴上的齿轮，其分度圆直径要尽可能大于被加工孔的孔径， 以减少振动，提高运动平稳性。 【7】驱动轴直接带动的转动轴数不能超过两根，以免给装配带来困难。
具体内容和方法简述如下： 精选课件
图4—6所示为双面卧式钻孔组合机床右主轴箱设计原始依据图。 较简单的主轴箱可不画原始依据图。
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一、绘制主轴箱设计原始依据图
1）根据机床联系尺寸图， 绘制主轴箱外形图，并标注 轮廓尺寸及动力箱驱动轴的 相对位置尺寸。
2）根据联系尺寸图和加工 示意图，标注所有主轴位置 尺寸及工件与主轴、主轴与 驱动轴的相关位置尺寸。
主轴箱中的齿轮模数常用2 、2.5 、3 、3.5 、4几种。 为便于生产，同一主轴箱中的精模选数课件规格最好不要多于两种。
2.主轴箱所需动力的计算
主轴箱的动力计算包括主轴箱所需要的功率和进给力两项。
传动系统确定之后，主轴箱所需功率P主轴箱按下列公式计算：
n
n
n
P 主轴 P 切 箱 削 P 空 转 P 损 失P 切 i 削P 空 i 转P 损失 （kW）
固定式装在手动滑板上装在移动滑台上攻螺纹靠模的行程能满足加工要求工件的装卸和丝锥的更换又很方便则可将攻螺纹装置安装在固定的侧底座上靠模行程能满足工件装卸的要求但更换丝锥的行程尚不够则可将攻螺纹装置安装在手动滑板上更换丝锥时将滑板退后一段距靠模行程不能满足装卸工件的需要时则应将攻螺纹装置安装在动力滑台上对于固定式的立式攻螺纹机床可不必采用立柱只要采用四根支杆将攻螺纹装置支承在机床夹具的上方以便简化机床的结构
二、通用主轴箱的组成
1．主轴箱的组成 大型通用主轴箱在生产中应用甚广，常见的有：
1 钻削类主轴箱；
2 攻丝类主轴箱；
3 钻、攻复合主轴箱。
通用主轴箱由通用零件，如箱体、主轴、传动轴、
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传动齿轮、轴套和附加机构等组成。
其基本结构如图4—1所示。
图中主轴箱体17、前盖20、后盖15、上盖18、 侧盖14等为箱体类零件；
1）前后支承均为圆锥滚子轴承主轴。
2）前后支承均为推力球轴承和无内环滚针轴承的主轴。
通用攻螺纹主轴系列参数见表4—3所示。
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主轴材料一般采用40Cr钢，热处理C42；滚针轴承主轴 用20Cr钢，热处理S0.5 ~ C59。
表4—4所示为通用主轴的最小轴间距。
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2. 通用传动轴
② 与1TD系列动力箱配套的主轴箱通用零件标记时，原T07
改标为1T07，通用零件规格与1T07间用“—”分开；
如 630×400—1T0711—11，表示宽为630 mm 、 高400 mm的主轴箱体； 25—1T0722—41，表示用球轴承，直径为Ф25 mm的 钻削类主轴。
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1. 通用箱体类零件
主轴箱设计原始依据图是根据“三图一卡”绘制的。
3）根据加工示意图标注 各主轴转速及转向，主轴 逆时针转向（面对主轴看） 可不标，只注顺时针转向。
4）列表标明工件材料、 加工表面要求，并注明 各主轴的工序内容、切 削用量及主轴外伸尺寸
等。
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5）标明动力部件型号 及性能参数等。
二、主轴、齿轮的确定及动力计算
1.主轴型式和直径及齿轮模数的确定
主轴的型式和直径主要取决于工艺方法、刀具主轴联接结构、刀具的进 给抗力和切削扭矩。
如 钻孔时常采用
球轴承主轴；
扩、镗、铰孔等工序常采用 圆锥滚子轴承主轴；
主轴间距较小时常选用
滚针轴承主轴。
滚针ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ承精度较低、结构刚度及装配工艺性能都较差，除非轴距限制， 一般不选用。
攻螺纹主轴因靠模杆在主轴孔内作轴向移动，为获得良好的导向性， 一般采用双键结构，不用轴向定位（见图4—4）。
通用齿轮的系列参数见表4—6 。
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A型（宽度为84 mm）
采用90 mm厚的基型后盖时使用 动 力 箱 齿 轮
B型（宽度为44 mm）
采用50 mm厚盖和100 mm 、125 mm厚的加厚后盖时使用
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第二节 主轴箱设计的步骤和内容
主轴箱是组合机床的重要部件之一，它关系到整台机床质量的 好坏。
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2. 通用主轴
（1）通用钻削类主轴 按支承型式可分为三种 圆锥滚子轴承主轴
前后支承均为圆锥滚子轴承。这种支承可承受较大的径向和轴 向力，且结构简单、装配调整方便，广泛用于扩、镗、铰孔和 攻螺纹等加工；当主轴进退两个方向都有轴向切削力时常用此 种结构。
球轴承主轴
前支承为推力球轴承和向心球轴承、后支承为向心球 轴承或圆锥滚子轴承。因推力球轴承设置在前端，能
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式中： P切削——切削功率，单位为kW ； P空转——空转功率，单位为kW ； P损失——与负荷成正比的功率损失，单位为kW ；
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每根主轴的切削功率，由选定的切削用量按公式计 算或查图表获得；每根轴的空转功率按表4—7确定； 每根轴上的功率损失，一般可取所传递功率的1% 。