主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、目錄第一章 緒論31.1 背景31.2 數(shù)控機(jī)床的組成與分類(lèi)41.3 本文研究?jī)?nèi)容6第二章 VDL主軸傳動(dòng)系統(tǒng)72.1 主軸變速系統(tǒng)72.2 主軸電機(jī)選擇72.3 傳動(dòng)設(shè)計(jì)7第三章 同步帶傳動(dòng)113.1 材料選擇113.2 參數(shù)計(jì)算11第四章 主軸組件的設(shè)計(jì)144.1 主軸組件的設(shè)計(jì)要求144.2 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計(jì)算164.3 主軸傳動(dòng)裝置箱體的作用204.4 主軸箱體的截面形狀和壁厚計(jì)算204.5 軸承的選擇和軸承的精度214.6 軸承預(yù)緊力的要求224.7 主軸軸承的潤(rùn)滑與密封234.8 軸承壽命校核244.9 聯(lián)接鍵的選擇254.10 碟形彈簧的選擇與計(jì)算254.11 碟形

2、彈簧材料及熱處理、厚度和脫碳264.12 碟形彈簧的強(qiáng)壓處理、表面強(qiáng)化處理和防腐處理26第五章 螺釘聯(lián)接的設(shè)計(jì)28結(jié) 論34致 謝35參考文獻(xiàn)36附錄37第一章 緒論1.1 背景數(shù)控（numerical control，NC)機(jī)床，顧名思義，是一類(lèi)由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機(jī)床。與人工操作的普通機(jī)床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動(dòng)化程度高、柔性強(qiáng)。操作者勞動(dòng)強(qiáng)度低。易于組成自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用好嗎或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上，如果再配以道具和地總換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成了加工中心。加工中心的特點(diǎn)是她的刀具庫(kù)能存放幾十把甚至更

3、多的道具，由程序控制換刀機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)用與更換，這樣就可以在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下，一次完成很多工藝內(nèi)容。 機(jī)床主軸系統(tǒng)指機(jī)床上帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸，通常有主軸、軸承和傳動(dòng)件（齒輪或皮帶）等組成。主軸部件的運(yùn)動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素。VDL600A立式加工中心如下：圖1.11.2國(guó)外數(shù)控銑床現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外數(shù)控銑床的生產(chǎn)廠家主要集中在德國(guó)、美國(guó)和日本。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，其發(fā)展經(jīng)歷了十字架型（輕型）、門(mén)型（小型）、龍門(mén)型（大型）3個(gè)階段，相應(yīng)的型號(hào)種類(lèi)繁多。能夠代表數(shù)控銑床技術(shù)最高水平的廠家主要集中在德國(guó)，目前，國(guó)外已有廠家在龍門(mén)式切割機(jī)上安裝一個(gè)專(zhuān)用切割機(jī)械手，開(kāi)發(fā)出五軸

4、控制系統(tǒng)的龍門(mén)式專(zhuān)用切割工具，該系統(tǒng)可以在空間切割出各種軌跡，利用特殊的跟蹤探頭，在切割過(guò)程中控制切割運(yùn)行軌跡。我國(guó)工廠的板材下料中應(yīng)用最為普遍的是數(shù)控銑床和等離子切割，所用的設(shè)備包括手工下料、仿形機(jī)下料、半自動(dòng)切割機(jī)下料及數(shù)控切割機(jī)下料等。與其他切割方式比較而言，手工下料隨意性大、靈活方便，并且不需要專(zhuān)用配套下料設(shè)備。但手工切割下料的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，其割縫質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后道加工工序的工作量大，同時(shí)勞動(dòng)條件惡劣。用仿形機(jī)下料，雖可大大提高下料工件的質(zhì)量，但必須預(yù)先加工與工件相適應(yīng)的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動(dòng)切割機(jī)雖然降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，但其功能簡(jiǎn)單，只適

5、合一種形狀的切割。上述3種切割方式，相對(duì)于數(shù)控切割來(lái)說(shuō)由于設(shè)備成本較低、操作簡(jiǎn)單，所以在我國(guó)的中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中仍在廣泛使用。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的蓬勃發(fā)展以及以焊代鑄趨勢(shì)的加速，數(shù)控銑床的優(yōu)勢(shì)正在逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。數(shù)控銑床不僅使板材利用率大幅度提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到改進(jìn)，而且改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，勞動(dòng)效率進(jìn)一步提高。目前，我國(guó)金屬加工行業(yè)使用的數(shù)控銑床是以火焰和普通等離子切割機(jī)為主，但純火焰切割，已不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，該類(lèi)切割機(jī)可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會(huì)越來(lái)越大，但與國(guó)外的差距仍極為明顯，主要表現(xiàn)為：發(fā)達(dá)國(guó)家金屬加工行業(yè)90%為數(shù)控

6、切割機(jī)下料，僅10%為手工下料；而我國(guó)數(shù)控切割機(jī)下料僅占下料總量的10%，其中數(shù)控銑床下料所占比例更小。1.3 數(shù)控機(jī)床的組成與分類(lèi)一 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的種類(lèi)很多，但是任何一種數(shù)控機(jī)床都主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成。1 數(shù)控系統(tǒng)：數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，是數(shù)控機(jī)床的“指揮系統(tǒng)”。 數(shù)控系統(tǒng)通常是一臺(tái)帶有專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)軟件的專(zhuān)用微型計(jì)算機(jī)。2 伺服系統(tǒng)：伺服系統(tǒng)（或稱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是由驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行兩大部分組成。用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服控制和株洲伺服控制。它接受數(shù)控裝置的指令信息，并按指令信息的要求控制執(zhí)行部件的進(jìn)給熟讀、方向和位移。3 機(jī)械系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床的機(jī)械系統(tǒng)，

7、除機(jī)床基礎(chǔ)件意外，有下列各部分組成:(1)主軸部件：包括主軸電動(dòng)機(jī)和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)。(2)進(jìn)給系統(tǒng)：包括進(jìn)給執(zhí)行電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)。(3)實(shí)現(xiàn)共建回轉(zhuǎn)、定位的裝置和附件。(4)實(shí)現(xiàn)某些部件動(dòng)作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置。(5)刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置(Autormatic Tools Changer, 簡(jiǎn)稱 ATC)(6)自動(dòng)托盤(pán)交換裝置（Autormatic Pallet Changer，簡(jiǎn)稱 APC）機(jī)床基礎(chǔ)件或稱機(jī)床大件，通常是指床身(或底座)、立柱、滑座和工作臺(tái)等，它是整臺(tái)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。9二 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)1 按工藝用途分按照工藝的不同，數(shù)控機(jī)床可分為數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、

8、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控沖床、數(shù)控剪床、數(shù)控液壓機(jī)等各種工藝用途的數(shù)控機(jī)床。2 按運(yùn)動(dòng)方式劃分按運(yùn)動(dòng)方式即刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，數(shù)控機(jī)床可分為：點(diǎn)位控制、直線控制和輪廓控制。3 按伺服系統(tǒng)類(lèi)型劃分按伺服系統(tǒng)類(lèi)型的不同，數(shù)控機(jī)床可分為：開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床、閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)時(shí)空機(jī)床。（1） 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床是一種不叫原始的數(shù)控機(jī)床。這類(lèi)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)將零件的程序處理后，輸出數(shù)據(jù)指令給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有來(lái)自位置傳感器的反饋信號(hào)。最典型的系統(tǒng)就是采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)的信息流是單向的，即進(jìn)給脈沖發(fā)出

9、去以后，實(shí)際移動(dòng)值不再反饋回來(lái)，所以稱為開(kāi)環(huán)控制。這類(lèi)機(jī)床較為經(jīng)濟(jì)，但加工速度和加工精度較低。（2） 閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床帶有檢測(cè)裝置，直接對(duì)工作臺(tái)的位移量進(jìn)行檢測(cè)。這類(lèi)控制系統(tǒng)，因?yàn)榘褭C(jī)床工作臺(tái)納入位置控制環(huán)，故稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以消除包括工作臺(tái)傳動(dòng)鏈在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)誤差，因而定位精度高、調(diào)節(jié)速度快。但由于該系統(tǒng)受進(jìn)給絲杠的拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等非線性因素的影響，給調(diào)試工作造成較大的困難。（3） 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床大多數(shù)數(shù)控機(jī)床是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)介于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)之間，精度沒(méi)有閉環(huán)高，調(diào)試卻比閉環(huán)方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用。1.4本文研究?jī)?nèi)容

10、主要研究主軸箱部分，如圖1.2，該主軸箱具有以下要求：1合理設(shè)計(jì)加工主軸箱結(jié)構(gòu)；2經(jīng)過(guò)對(duì)該設(shè)備刀具切削力計(jì)算，合理主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件、軸承組件、主軸。氣壓傳動(dòng)等零部件參數(shù)計(jì)算以及選型等；3設(shè)計(jì)主軸箱的整體結(jié)構(gòu)；4設(shè)計(jì)主軸箱、主軸等主要零件；5切削力計(jì)算；圖1.2第2章 VDL主軸傳動(dòng)系統(tǒng)與普通機(jī)床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)相比數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān)。省去了繁雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，還有一些數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中還存在二級(jí)或三級(jí)齒輪變速機(jī)構(gòu)用以擴(kuò)大主軸電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)變速的范圍。2.1 主軸變速系統(tǒng)變速方式有有極變速和無(wú)極變速。無(wú)極變速：速度連續(xù)變化，有無(wú)數(shù)個(gè)設(shè)置

11、點(diǎn)。如，電子式旋鈕風(fēng)扇的風(fēng)力檔的變化，旋鈕從最小到最大位置之間，有無(wú)數(shù)個(gè)位置。有極變速：速度不是連續(xù)變化，僅有限的幾個(gè)變化位置。如，機(jī)械式按鈕風(fēng)扇的風(fēng)力檔的變化，只有 1，2，3，4 等幾個(gè)檔位。由于無(wú)極變速簡(jiǎn)化了主軸箱的結(jié)構(gòu)，也保證了加工時(shí)能選用合理的切削用量，獲得好的加工質(zhì)量，一般都采用無(wú)極變速。目前主軸類(lèi)型有以下幾種：1、齒輪傳動(dòng)主軸大中型數(shù)控機(jī)床常采用這種變速方式。如圖a所示，通過(guò)少數(shù)幾對(duì)齒輪變速，擴(kuò)大調(diào)速范圍，擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩，滿足主軸低速是對(duì)主軸扭矩特性要求?；讫X輪的移位大都采用液壓撥叉或直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。2、直接驅(qū)動(dòng)主軸從電動(dòng)機(jī)到加工刀具的傳動(dòng)效率而言，直接驅(qū)動(dòng)方式幾乎可

12、以實(shí)現(xiàn)100%的傳動(dòng)效率。直接驅(qū)動(dòng)主軸可以在低轉(zhuǎn)矩下實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速工作。由于不存在皮帶或齒輪等中間傳動(dòng)鏈，直接驅(qū)動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)矩不會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而增加。就振動(dòng)而言，這種傳動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)良好，也就是說(shuō)能夠達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持良好地加工表面加工質(zhì)量。 3、通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)這種傳動(dòng)主要用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機(jī)床。如圖b。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便，且在一定條件下能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求。帶傳動(dòng)可以避免齒輪傳動(dòng)的噪聲與振動(dòng)。常用的帶有三角帶和同步齒形帶。4內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸這種主軸也被稱為電主軸。集成在主軸上前后軸承之間的電機(jī)可以是同步電機(jī)也可以是異步電機(jī)。這種驅(qū)動(dòng)方式可以有效的減少震動(dòng)和噪聲，實(shí)現(xiàn)15

13、000r/min乃至更高的轉(zhuǎn)速，而且其結(jié)構(gòu)更為緊湊，這就是電主軸能在告訴加工機(jī)床中普遍應(yīng)用的原因。通過(guò)調(diào)研，我做的VDL600A立式加工中心所用的是高扭力齒形皮帶傳動(dòng)的無(wú)極變速方式。加工中心的主軸組件加工中心主軸組件是機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，除了具有一般數(shù)控機(jī)床主軸組件所具有的主軸、主軸支承及裝在主軸上的傳動(dòng)件和密封件外，還具有刀具自動(dòng)加緊、主軸自動(dòng)準(zhǔn)停和主軸裝刀孔吹凈等裝置。1. 范圍： 各種不同的機(jī)床對(duì)調(diào)速范圍的要求不同，多用途，通用性比較大的機(jī)床，要求主軸的調(diào)速范圍大，不但有低速大轉(zhuǎn)距的功能，而且還要有比較高的速度。2. 熱變形：電動(dòng)機(jī)、主軸及傳動(dòng)件都有熱源。降低溫升，減少熱變形是對(duì)主傳

14、動(dòng)系統(tǒng)要求的重要指標(biāo)。3. 旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度（1）主軸的旋轉(zhuǎn)精度:是指裝配后，在無(wú)載荷，低速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，測(cè)量主軸前端和300mm處的徑向和軸向跳動(dòng)值。（2）主軸在以工作速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量上述兩項(xiàng)精度稱為運(yùn)動(dòng)精度。4. 主軸的靜剛度和抗振性由于數(shù)控機(jī)床的加工精度比較高，主軸的轉(zhuǎn)速又很高。因此，主軸組件的質(zhì)量分布是否均勻以及主軸組件的阻尼等，對(duì)主軸組件的靜剛度和抗振性都會(huì)產(chǎn)生影響。5. 主軸組件的耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，使之能夠長(zhǎng)期保持要求的準(zhǔn)確精度。凡是有機(jī)械摩擦的部位，軸承，錐孔等都要有足夠的硬度，軸承還應(yīng)具有良好的潤(rùn)滑。2.2 主軸電機(jī)的選擇2.2.1主軸切削力銑削用量的選擇為使

15、組合銑床更好的提高生產(chǎn)效率，便于人工操作，最少的停車(chē)損失和使刀具的壽命更長(zhǎng)、加工質(zhì)量更好，合理的選擇銑削用量是非常必要的。表3-3為硬質(zhì)合金端銑刀的銑削用量。銑削用量的選擇應(yīng)該使選擇的刀具充分發(fā)揮其性能。所以就不能選擇太低?？紤]到批量生產(chǎn)時(shí)也沒(méi)必要把切削用量選太高，以免增加刀具損耗?？傊鶕?jù)加工精度和加工材料，工作條件和技術(shù)要求進(jìn)行分析。所以以上的選擇是可行的。2.2確定切削力、切削功率根據(jù)選定的切削用量（組要指切削速度v及進(jìn)給量f），確定切削力，作為選擇動(dòng)力部件（滑臺(tái)）及夾具設(shè)計(jì)的依據(jù)；確定切削扭矩，用以確定主軸及其他傳動(dòng)件（齒輪、傳動(dòng)軸等）的尺寸；確定切削功率，用以選擇主傳動(dòng)電機(jī)功率。一

16、銑削力和主切削功率計(jì)算1. 轉(zhuǎn)速根據(jù)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速的范圍為：608000，主軸在工作時(shí)其轉(zhuǎn)速通常為：10r/s則轉(zhuǎn)速：v=nd/2=0.625m/s2.主切削力Fc因選取硬質(zhì)合金端面銑削45,鋼工件,由得：式中：ap銑削深度（mm）；ae銑削接觸弧深度（mm）；af每齒進(jìn)給量(mm/Z)；每秒（分）進(jìn)給量(mm/s,mm/min)；f每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm/r)；d0銑刀外徑mm；n0銑刀轉(zhuǎn)速（r/s）,Z銑刀齒數(shù)。根據(jù)表2.1，選?。篴p=2.0mm；ae=5；af=1.0mm；=5mm；d=125mm; n=20;Cf=78.5;Xf=1.0;Yf=0.75;Zf=1.1;Wf=0.2;qF=1.

17、3帶入式中得：Fz=5600NP=FV=3500W, 圓整取P=4.0KW;則驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率：則電機(jī)的功率為6.0kw。銑刀類(lèi)型刀具材料公式中的系數(shù)及指數(shù)CFXFYFZFWFqF加工碳素結(jié)構(gòu)鋼b=0.637GPa端銑刀硬質(zhì)合金7901.00.751.10.21.3高速鋼78.50.950.81.101.1圓柱銑刀硬質(zhì)合金96.71.00.750.8800.87高速鋼651.00.720.8600.86立銑刀硬質(zhì)合金11.91.00.750.85-0.130.73高速鋼651.00.720.8600.86圓盤(pán)銑刀、切槽及切斷銑刀硬質(zhì)合金2501.10.80.90.11.1高速鋼651.00.720

18、.8600.86凹凸半圓及角銑刀高速鋼451.00.720.8600.86加工不銹鋼1Cr18Ni9Ti HB=141端銑刀硬質(zhì)合金2180.920.781.001.15立銑刀高速鋼821.00.60.7500.68加工灰鑄鐵HB=190端銑刀硬質(zhì)合金54.50.90.741.001.0圓柱銑刀581.00.80.7500.9圓柱銑刀、立銑刀、圓盤(pán)銑刀、切槽及切斷銑刀高速鋼301.00.650.8300.83加工可鍛鑄鐵HB=150端銑刀硬質(zhì)合金4911.00.751.10.21.3圓柱銑刀、立銑刀、圓盤(pán)銑刀、切槽及切斷銑刀高速鋼301.00.720.8600.86加工中等硬度非均質(zhì)銅合金HB

19、=100140圓柱銑刀、立銑刀、圓盤(pán)銑刀、切槽及切斷銑刀22.61.00.720.8600.86表2.1 2.3 傳動(dòng)設(shè)計(jì)VDL主軸的驅(qū)動(dòng)路線采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶傳動(dòng)，帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，由電機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速。帶采用同步帶傳動(dòng)，同步帶傳動(dòng)具有：同步帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)，同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是:（1）無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，帶長(zhǎng)不變，傳動(dòng)比穩(wěn)定；（2）帶薄而輕，強(qiáng)力層強(qiáng)度高，適用于高速傳動(dòng)，速度可達(dá)40 m/s；（3）帶的柔性好，課用直徑較小的帶輪，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，能獲得較大的傳動(dòng)比；（4）傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98-0.99，因而應(yīng)用日益廣泛；（5）初拉力較小，故軸和軸承上所受的載荷

20、小。主要缺點(diǎn)是制造、安裝精度要求較高、成本高。同步帶主要用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中，如計(jì)算機(jī)、錄音機(jī)、磨床和紡織機(jī)等。13第三章 同步帶傳動(dòng)3.1 材料選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用聚氨酯同步帶，由帶背、帶齒、抗拉層三部分組成。帶背和帶齒材料為聚氨酯，抗拉層采用鋼絲繩，適用于中小功率的高速運(yùn)轉(zhuǎn)部分。133.2 參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容主要是：齒形帶的模數(shù)、齒數(shù)、和寬度的結(jié)構(gòu)和尺寸，傳動(dòng)中心距，作用在軸上載荷以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1. 模數(shù)的選取模數(shù)主要根據(jù)齒形帶所傳遞的計(jì)算功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n1確定的，通過(guò)查現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床表4-33查得Pd=KA*P, 式中P傳動(dòng)功率表4-1 工作情況系數(shù)KA載荷性質(zhì)

21、一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間/h10101616以上載荷平穩(wěn)1.01.11.2載荷變化小1.21.41.6載荷變化大1.41.72.0選取KA=1.7，所以PC=5.71.7=9.69KW由齒形帶模數(shù)選用圖可選m=42. 小帶輪齒數(shù)Z1:由機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)表8-38 得Zmin=22,所以取Z1=303. 同步帶節(jié)距Pb:由PD=9.35KW n1=1500r/min, 查表選取節(jié)距Pb=12.566mm, 齒形角2=40。齒根厚S=5.75mm。齒頂厚St=4mm, 齒高h(yuǎn)g=ht+e=2.4+2.7=5.1mm, 齒根圓半徑Rr=齒頂圓半徑Ra=0.40mm, 帶高h(yuǎn)s=4.4mm, 節(jié)頂距=1.00

22、0mm, 帶bs=3540mm。4. 節(jié)圓直徑d1:d1=121.2 5. 大帶輪齒數(shù)z2與直徑：z2=iz1=606. 大帶輪直徑d2=id1=1.596=242.2 7. 帶的速度V:V=7.536， (式4-1)由表查得13Vmax=3540 VVmax 所以合格。8. 定中心距a0: 5(d1+d2) a02(d1+d2)所以：0.7（96+144）a02(96+144)則有168a0480 初選a0=2789. 帶的節(jié)線長(zhǎng)度Lp以及齒數(shù)Zb：Lp0=2a0+(d1+d2)+=2300+240+=978.72 （式4-2）查表選取Lp=1005 Zb=8010. 計(jì)算中心距a（采用中心

23、距可調(diào)）aa0+=300+ （式4-3 ）選取a=31411. 帶輪與帶的嚙合齒數(shù)Zm：Zm=11.82 取Zm=12 （式4-4）因?yàn)楫?dāng)m2時(shí)，Zm應(yīng)不小于6 ，所以計(jì)算的Zm滿足條件。12. 帶寬bs: bs 查表取Kz=1.20, Fa=20N/mm （式4-5）Fc=mbV2=4.810-3 7.5362=0.273所以 bs選取bs=4013. 作用與軸上的力Fr：Fr= （式4-6）14. 小帶輪最小包角：180-60（d2-d1）/a=180。-60。（144-96）/314=170.8。15. 帶輪寬度bf, bf1, bf2 bf=bs+(1.53)=41.543bf1=bs

24、+(67)=4647bf2=bs+(35)=43414第4章 主軸組件的設(shè)計(jì)主加工中心主軸組件是機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，除了具有一般數(shù)控機(jī)床主軸組件所具有的主軸、主軸支承及裝在主軸上的傳動(dòng)件和密封件外，還具有刀具自動(dòng)加緊、主軸自動(dòng)準(zhǔn)停和主軸裝刀孔吹凈等裝置。軸組件主要包括：主軸、主軸支撐和安裝在主軸上的傳動(dòng)件、密封件等，因?yàn)橹鬏S帶動(dòng)工件或刀具直接參加工件表面形成運(yùn)動(dòng)，所以它的工作性能對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)率產(chǎn)生直接影響，是機(jī)床最重要的部件之一。4.1 主軸組件的設(shè)計(jì)要求回轉(zhuǎn)精度：主軸組件的回轉(zhuǎn)精度,是指主軸的回轉(zhuǎn)精度。當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線速度為零的點(diǎn)的連線稱為主軸的得回轉(zhuǎn)中心線?；剞D(zhuǎn)中心線的空間位

25、置，每一瞬間都是變化的，這些瞬間回轉(zhuǎn)中心線的平均空單位轉(zhuǎn)移不為理想回轉(zhuǎn)中心線。瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)中心線在空間位置的距離，就是主軸的回轉(zhuǎn)誤差，而回轉(zhuǎn)誤差的范圍，就是主軸的回轉(zhuǎn)精度。純徑轉(zhuǎn)誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨(dú)存在。當(dāng)徑向誤差和角度誤差同時(shí)存在構(gòu)成徑向跳動(dòng)，而軸向誤差和角度誤差同時(shí)存在構(gòu)成端面跳動(dòng)。由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)矢量，它并不是在所有的情況下都表示為被加工工件所得的加工形狀。主軸回轉(zhuǎn)精度的測(cè)量，一般分為三種靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量和間接測(cè)量。目前我國(guó)在生產(chǎn)中沿著傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量法，用一個(gè)精密的檢測(cè)棒插入主軸錐孔中千分表觸頭觸及檢測(cè)棒圓柱表面，以低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸進(jìn)

26、行測(cè)量。千分表最大和最小的讀數(shù)差既認(rèn)為是主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差。端面誤差一般以包括主軸所在平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系的垂直度，數(shù)據(jù)綜合表示。動(dòng)態(tài)測(cè)量是用一標(biāo)準(zhǔn)球裝在主軸中心線上，與主軸中心線上，與主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)；在主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)；在工作臺(tái)上安裝兩個(gè)互成90度角的非接觸傳感器，通過(guò)儀器記錄回轉(zhuǎn)情況。間接測(cè)量是用小的切削量用小的切削量回工有色金屬試件，然后在圓度儀上測(cè)量試件的圓度來(lái)評(píng)價(jià)。出廠時(shí)，普通級(jí)加工中心的回轉(zhuǎn)精度用靜態(tài)測(cè)量法測(cè)量，當(dāng)L=300mm時(shí)允許誤差應(yīng)小于0.02。造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的原因主要是由于主軸的結(jié)構(gòu)及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉(zhuǎn)零件的不平衡，在回轉(zhuǎn)時(shí)引起的激振力，也會(huì)造成

27、主軸的回轉(zhuǎn)誤差。因此加工中心的主軸不平衡量要控制在0.4/s以下。主軸剛度：主軸組件的剛度是指受外力作用時(shí)，主軸組件抵抗變形的能力。通常抵以主軸前端產(chǎn)生單位位移時(shí)，在位移方向上所施加的作用力大小來(lái)表示。主軸組件的剛度越大，主軸受力的變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其他力的作用下，主軸將產(chǎn)生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質(zhì)量，還會(huì)破壞齒輪、軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸結(jié)構(gòu)尺寸、支撐跨距、所選軸承類(lèi)型及配置形勢(shì)、砂間隙的調(diào)整、主軸上傳動(dòng)元件的位置等有關(guān)。主軸抗振性：主軸組件的抗振性是指切削加工時(shí)，主軸保持平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)而不發(fā)生振動(dòng)的能力。主軸組件抗振性

28、及在必要時(shí)安裝阻尼（消振）器。另外，使主軸固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率。主軸溫升：主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)中，溫升過(guò)高會(huì)起兩方面的不良結(jié)果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其他件的相對(duì)位置會(huì)有變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會(huì)因溫度過(guò)高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤(rùn)滑條件，影響軸承的正常工作。嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生：“抱軸”。數(shù)控機(jī)床在解決溫升問(wèn)題時(shí)，一般采用恒溫主軸箱。主軸的耐磨性：主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長(zhǎng)期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動(dòng)式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬，或者經(jīng)過(guò)氮化處理，以提高硬度增加耐磨性。主軸

29、軸承也需要有良好的潤(rùn)滑，提高其耐磨性。以上這些要求，有的還是矛盾的，例如高剛度和高速，高速和高精度等，這就要具體問(wèn)題具體分析，例如設(shè)計(jì)高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件的主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計(jì)高精度數(shù)控機(jī)床時(shí)，主軸應(yīng)滿足高剛度、低溫升的要求。同時(shí)，主軸結(jié)構(gòu)要保證個(gè)部件定位可靠，工藝性能好等要求。提高主軸組件抗振性的措施（1）盡量縮短主軸前軸承結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度， 適當(dāng)增大跨矩；（2）盡量提高前軸承的剛度和阻尼；（3）提高前軸承的精度，把推力軸承放在前支撐初可提高抗振性；（4）對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的零件作靜、動(dòng)平衡，提高齒輪、主軸的制造精度都可適當(dāng)減少?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)源；（5）對(duì)于非連續(xù)切削過(guò)程的銑削，滾削等加裝飛輪可減

30、少振動(dòng)；（6）應(yīng)用阻尼器消耗振動(dòng)能量是有效的措施；考慮系統(tǒng)的固有頻率，避免共振。減少主軸組件熱變形的措施（1）把熱源移至機(jī)床以外。（2）改善主傳動(dòng)的潤(rùn)滑條件。如進(jìn)行箱外循環(huán)潤(rùn)滑，用低粘度的潤(rùn)滑油、油霧潤(rùn)滑等，特別注意前軸承的潤(rùn)滑情況。（3）采用冷卻散熱裝置。例如用熱管冷卻減少機(jī)床各部位的溫差,進(jìn)行熱補(bǔ)償。如可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一些自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难b置設(shè)法使熱變形朝不影響加工精度的方向發(fā)展。還可以在工藝上減少熱變形的影響。如先空運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間再加工。把粗、精加工分開(kāi)等。4.2 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計(jì)算主軸是主軸組件的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、制造精度、材料、及其熱處理，對(duì)主軸組件的工作性能

31、都有很大的影響。主軸結(jié)構(gòu)隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同而有各種形式。主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長(zhǎng)度和支撐跨距。評(píng)價(jià)和考慮主軸的主要尺寸參數(shù)的依據(jù)使主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適應(yīng)范圍。1. 主軸直徑 主軸直徑越大，其剛度越高，但使得軸承和軸上其他零件的尺寸相應(yīng)增大。軸承的直徑越大，同等級(jí)精度軸承的公差值也越大，要保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度就越困難。同時(shí)極限轉(zhuǎn)數(shù)下降。主軸后端支撐軸頸的直徑可視為0.70.8的前支承軸頸值，實(shí)際尺寸要在主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定。前、后軸頸的差值越小則主軸的剛度越高，工藝性能也越好。2. 主軸內(nèi)孔直徑 主軸的內(nèi)孔用來(lái)安放棒料、刀具夾緊裝置固定刀具、傳動(dòng)氣

32、動(dòng)或液動(dòng)卡盤(pán)等。主軸孔徑越大，可通過(guò)的棒料直徑也越大，機(jī)床的適用范圍就越廣，同時(shí)主軸部件的相對(duì)重量也越輕。主軸孔徑的大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸的直徑之比，小于0.3時(shí)空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸的剛度相當(dāng)；等于0.35時(shí)，空心主軸的剛度為實(shí)心主軸剛度的90%；大于0.7時(shí)空心主軸的剛度急劇下降。一般可取其比值為0.5左右。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此設(shè)計(jì)選用的主軸材料是45號(hào)鋼。其熱處理及參數(shù)如下表表5-1 45號(hào)鋼熱處理參數(shù)13材料熱處理硬度（HBS）抗拉強(qiáng)度極限屈服強(qiáng)度極限s彎曲疲勞極限-1剪切疲勞極限-1許用彎曲應(yīng)力-1 45調(diào)質(zhì)、滲氮21725564035530015560因?yàn)檫x用

33、的主軸電機(jī)功率為P=6.0KW，額定轉(zhuǎn)速nc=1500r/min所以主軸功率 p=pc/123=9.67 kw (式5-1)因?yàn)橹鬏S是空心轉(zhuǎn)軸，所以 d1=21.68 . （式5-2）查表得=1.23 所以d1=21.681.2321.23=56.6 又因?yàn)榇颂庉S上有一個(gè)鍵槽，所以d1=d(1+5%)=59.45 取d1=60;d2=d1+2a,a為軸肩高度，用于軸上零件的定位和固定，故a值應(yīng)該稍微大于轂孔的圓角半徑或倒角深，通常取a（0.070.1）d1；d2應(yīng)符合密封件的孔徑要求。所以 d2=63mmd3=d2+58mm=72mm。 d4=d3+15mm=74mm。d5=d4+15mm=7

34、8mm。d6=d5+2a。a(0.070.1)d1 所以d6=80mm。根據(jù)選用的軸承確定d7=98mm主軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核，危險(xiǎn)截面安全系數(shù)s的校核計(jì)算： s=s （式5-3）只考慮彎距作用的安全系數(shù)；s只考慮扭距作用是的安全系數(shù)；s 許用安全系數(shù)；14在此查表所得s=1.31.5；s= 查表得出-1=270Mpa -1=155Mpa k=1.71 k=1.44 =1.6 =0.78 =0.74， =0.3，=0.21，=， m= M= Wp= 所以：s=1.08T 因?yàn)檩S承使用壽命遠(yuǎn)大于軸承預(yù)期的壽命所以軸承合格的。4.6聯(lián)接鍵的選擇鍵的類(lèi)型可根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用要求和工作條件選

35、擇，鍵截面尺寸通常根據(jù)軸的直徑，從標(biāo)準(zhǔn)中選取，對(duì)于某些特殊情況（如階梯軸）在保證傳遞所需的轉(zhuǎn)矩的條件下，允許選用較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定小一擋的截面尺寸，有時(shí)候由于工藝和強(qiáng)度原因，也可以選用較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸大一擋的鍵，鍵的長(zhǎng)度按輪轂長(zhǎng)度而定，即鍵的長(zhǎng)度等于略短于輪轂的長(zhǎng)度，而導(dǎo)向平鍵就得按輪轂的長(zhǎng)度及滑動(dòng)距離而定，鍵的長(zhǎng)度應(yīng)該符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)度系列。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸和GB/T1096-1979選普通平鍵聯(lián)接，鍵的公稱尺寸是bhL=108(2836)，材料選取45號(hào)鋼。4.7碟形彈簧的選擇與計(jì)算碟形彈簧它是一種用鋼板沖壓的截面錐形壓縮彈簧，其特點(diǎn)是： 圖7-1碟形彈簧（1）剛度大，用于負(fù)荷大，軸向空間要求小的地方。

36、（2）具有變剛度特性，適應(yīng)范圍廣，根據(jù)其極限變形量h0和彈簧板厚度t不同，可有各種不同的特性曲線和承載能力。（3）在工作過(guò)程中，碟片之間有摩擦損失，加載和卸載時(shí)的特性曲線不重合，吸振能力強(qiáng)，制造維修方便。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用A系列碟形彈簧。采用對(duì)合組合方式安裝。174.7.1碟形彈簧材料及熱處理、厚度和脫碳碟形彈簧材料為60Si2MnA，碟簧成型后，進(jìn)行淬火，回火后的硬度必須在HRC4245范圍內(nèi)單面脫碳層深度，對(duì)于厚度小于1.25mm的第一類(lèi)碟形彈簧，不得超過(guò)其厚度的5%，對(duì)于厚度不小于1.25mm的碟形彈簧，不超過(guò)其厚度的3%（其最小值允許為0.06）。4.7.2碟形彈簧的強(qiáng)壓處理、表面強(qiáng)化

37、處理和防腐處理碟形彈簧應(yīng)全部進(jìn)行強(qiáng)壓處理，處理方法為：一次壓平，持續(xù)時(shí)間不少于12h，或者進(jìn)行短時(shí)壓平，壓平次數(shù)不小于5次，壓平力不小于二倍的Pf=0.75h0,強(qiáng)化處理后自由高度應(yīng)穩(wěn)定。對(duì)于受變負(fù)荷的碟形彈簧，內(nèi)錐面推薦表面作強(qiáng)化處理，例如噴丸處理等，根據(jù)需要，碟形彈簧表面進(jìn)行防腐處理（如磷化、氧化、鍍鋅等），經(jīng)電鍍后的碟形彈簧，必須進(jìn)行去氫處理，不過(guò)對(duì)受變負(fù)載的碟形彈簧應(yīng)該避免采用電鍍方法處理。6其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：D=50 d=25.4 t=3 h0=1.1 H0=4.1 P=12000N f=0.83 H0-f=3.27 M=-1250N/2 =1430 N/2 Q=34.30kg/1

38、000件D/t18 h0=0.4 E=206000N/2 =0.3 K4=1 C=2 壓平彈簧的負(fù)載：PC= （式7-1） K1=0.69， （式7-2）P/Pc=5000/8410=0.59 因?yàn)閔0/t=0.4 (查表所得) 所以 f=0.57h0=0.51 所以對(duì)合組合的片數(shù)為I= 取12片.未受負(fù)載的高度是HZ=i.H0=223.15=69.3受負(fù)載時(shí)的高度H1=HZ-if=69.3-220.51=58.08壓平彈簧時(shí)(f=h0)M點(diǎn)的應(yīng)力 M= （式7-3）此數(shù)據(jù)與60Si2MnA的屈服極限1400接近碟形彈簧的剛度 P=9015.53N （式7-4）第五章 螺釘聯(lián)接的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：

39、1.螺釘?shù)牟贾靡话銓?duì)稱形式，并應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)和力流方向使螺釘受力合理，加工與安裝方便。2.形心與結(jié)合面的形心應(yīng)該重合。3.用鉸制孔螺釘（受剪切螺釘）承受橫向載荷時(shí)，沿力流方向的螺釘應(yīng)不多于6個(gè)。4.一組螺釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度應(yīng)該盡量相同。5.一組螺釘中每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力應(yīng)該相同。6.釘中心線間的最小距離t=（1.52.0）s，s為六角螺母的對(duì)邊寬度，最大距離與聯(lián)接用途有關(guān)。7.該滿足擰螺釘時(shí)需要的最小扳手空間。8.校核計(jì)算時(shí)只計(jì)算受力最大的螺釘。六角頭頭部帶槽螺釘： 圖8-1六角頭頭部帶槽螺釘 根據(jù)要求計(jì)算：選用M6和M8兩種螺釘，其中M6型號(hào)螺釘主要尺寸參數(shù)為：b=24, dk=9.7810, K=3.9, t=2, B=4.15, l=1060,精度等級(jí)為8.8級(jí)。M8型號(hào)螺釘主要尺寸參數(shù)為：b=28, dk=12.7313, K=5, t=2.6, B=5, l=1280， 精度等級(jí)為8.8級(jí)。螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算與校核：承受橫向載荷和軸向載荷的普通螺釘?shù)男：薓6螺釘校核公式：41.3F0/(d1)2, 96.32=106.2所以合格。設(shè)計(jì)公式：d141.3F0/1/2 =5.96 式中 (d1是螺釘?shù)穆菁y小徑，是螺釘?shù)脑S用拉應(yīng)力) 12結(jié)論此次畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的題目