定梁式數(shù)控雕銑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-說(shuō)明書

1、編編 號(hào)號(hào) 無(wú)錫太湖學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)（論論文文） 題目：題目： 定梁式數(shù)控雕銑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定梁式數(shù)控雕銑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 信機(jī) 系系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專專 業(yè)業(yè) 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 秦友蕾 指導(dǎo)教師： 黃 敏（職稱： 副教授） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠(chéng)誠(chéng) 信信 承承 諾諾 書書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）定梁式數(shù)控雕 銑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的 成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用， 表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、 集體已

2、發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 作者姓名： 年 月 日 無(wú)無(wú)錫錫太太湖湖學(xué)學(xué)院院 信信 機(jī)機(jī)系系 機(jī)機(jī)械械工工程程及及自自動(dòng)動(dòng)化化 專專業(yè)業(yè) 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)論論 文文 任任 務(wù)務(wù) 書書 一、題目及專題：一、題目及專題： 1、題目 定梁式數(shù)控雕銑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來(lái)源及選題依據(jù)二、課題來(lái)源及選題依據(jù) 數(shù)控雕銑機(jī)是一種具備雕刻和銑削加工功能的數(shù)控機(jī)床，被廣 泛地應(yīng)用于模具工業(yè)、零件精密加工等行業(yè)。隨著模具工業(yè)和工藝 美術(shù)品制造業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)數(shù)控雕銑機(jī)的需求不斷擴(kuò) 大，特別是高端的數(shù)控雕銑中心，需求更為旺盛對(duì)于很多人而言,數(shù) 控雕銑機(jī)的概念還比較陌生。但是

3、實(shí)際上,很多消費(fèi)者已接觸到雕銑 機(jī)的應(yīng)用。比如 iphone4 的外殼就是通過(guò)數(shù)控雕銑機(jī)直接加工出來(lái) 的。 數(shù)控雕銑機(jī)(CNC engraving and milling machine)是數(shù)控機(jī)床的 一種。一般認(rèn)為數(shù)控雕銑機(jī)是使用小刀具、大功率和高速主軸電機(jī) 的數(shù)控銑床。雕銑機(jī)的前身是雕刻機(jī),雕刻機(jī)的優(yōu)勢(shì)在雕,如果加工 材料硬度比較大也會(huì)顯得力不從心,而如果采用高速加工中心來(lái)加工 這應(yīng)運(yùn)而生。雕銑機(jī)的出現(xiàn)可以說(shuō)填補(bǔ)了兩者之間的空白。數(shù)控雕 銑機(jī)既可以雕刻,也可銑削, 是一種高效高精的數(shù)控機(jī)床,是我國(guó)高 端制造業(yè)的新產(chǎn)品。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的

4、要求： （1）了解數(shù)控雕銑機(jī)的工作原理，國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； （2）完成定梁式數(shù)控雕銑機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) （3）完成零部件的選型計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核； （4）熟練掌握有關(guān)計(jì)算機(jī)繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙，折 合 A0 不少于 3 張； （5）完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫，并翻譯外文資料 四、接受任務(wù)學(xué)生：四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 93 班班 姓名姓名 秦友蕾 五、開始及完成日期：五、開始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）： 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師簽名簽名 簽名簽名 簽名簽名

5、 教教研研室室主主任任 學(xué)科組組長(zhǎng)研究所學(xué)科組組長(zhǎng)研究所 所長(zhǎng)所長(zhǎng)簽名簽名 系主任系主任 簽名簽名 年年 月月 日日 摘摘 要要 雕銑機(jī)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了通用數(shù)控機(jī)床 （銑床、鉆床等）加工功能單一，加工中心加工 小型產(chǎn)品成本過(guò)高的不足。數(shù)控雕銑機(jī)既可以雕刻,也可銑削, 是一種高效高精的數(shù)控機(jī) 床，為我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展提供了一種性價(jià)比很高的新型機(jī)床產(chǎn)品，是我國(guó)機(jī)床工業(yè)中的 新產(chǎn)品 本文介紹數(shù)控雕銑機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，包括機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)、主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)， X 向和 Z 向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要分析了電主軸機(jī) 械結(jié)構(gòu)，電主軸的冷卻和潤(rùn)滑的方式，3KW 主軸安裝座的機(jī)械機(jī)構(gòu)。Z

6、 向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 中主要分析了絲杠、軸承，導(dǎo)軌的安裝。計(jì)算主要有：主軸切削力計(jì)算，主軸系統(tǒng)重力 計(jì)算對(duì)滾珠絲杠的選擇計(jì)算和 Z 軸伺服電機(jī)的選擇計(jì)算支承軸承的選擇。最后完成機(jī)床 裝配圖、部裝圖、零件圖等。 關(guān)鍵詞：數(shù)控雕銑機(jī)；電主軸；伺服電機(jī)；滾珠絲杠；導(dǎo)軌 Abstract The Emergence of engraving and milling machine makes up for deficiencies of general CNC machine tools (milling machine, drilling machine , etc.) .The shortcoming

7、s are single processing function and high cost of machining center processing of small products . The CNC engraving and milling machine,a highly efficient high-precision CNC machine tools, can not only be used to sculpturing but also milling providing a highly valued new machine products for the dev

8、elopment of Chinas manufacturing industry ,which is the new product of new-style high-end manufacturing industry in Chinas machine tool industry. This paper introduces the design process of the mechanical structure on the CNC engraving and milling machine , including the overall program design of th

9、e machine tool, the design of the main drive system in X and Z axis to the feed the transmission system of mechanical structure . In the design of the main transmission system, this paper mainly analysis the mechanical structure of electric spindle ,the way of cooling and lubrication of the electric

10、 spindle , a mechanical mechanism of 3 kW spindle soleplate , the feed drive system in the Z direction mainly analysis the installation of the screw, guide rail bearing, and the relevant fixing and supporting . There are calculation of spindle cutting force, calculation of spindle system of gravity

11、,calculation of the choice of ball screw , calculation of Z axis servo motor selection and calculation of the rolling bearing selection. Finally, complete machine assembly drawing, part assembly drawing, part drawing etc. Key words: CNC engraving and milling machine; spindle; servo motor; ball screw

12、;Guide; 目目 錄錄 摘 要.III ABSTRACT.IV 目 錄 .V 1 緒 論.1 1.1 數(shù)控雕銑機(jī)的概述.1 1.2 數(shù)控雕銑機(jī)和數(shù)控銑床及加工中心的比較.1 1.3 雕銑機(jī)與雕刻機(jī)的比較.2 1.4 國(guó)內(nèi)數(shù)控雕銑機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀.3 1.5 本章小結(jié).6 2 數(shù)控雕銑機(jī)總體方案設(shè)計(jì).7 2.1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).7 2.2 主運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì).8 2.3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì).9 2.3.1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本形式.9 2.3.2 以上幾種傳動(dòng)方案的簡(jiǎn)介和比較.9 2.4 本次設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù).10 2.5 本章小結(jié).10 3 主軸部件設(shè)計(jì).11 3.1 電主軸的基本結(jié)構(gòu).1

13、1 3.2 主軸系統(tǒng)的計(jì)算.11 3.3 主軸設(shè)計(jì).13 3.4 軸承選用及壽命校驗(yàn).14 3.4.1 軸承受力分析.14 3.4.2 軸承壽命檢驗(yàn).14 3.4.3 軸承的壽命 L.16 3.5 電主軸的冷卻與潤(rùn)滑及安裝.16 3.6 本章小結(jié).17 4 Z 向進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算.18 4.1 滾珠絲杠副的選擇.18 4.2 Z 向進(jìn)給伺服電機(jī)功率的計(jì)算及選擇.23 4.3 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)及制動(dòng)裝置.27 4.4 聯(lián)軸器的類型和選擇.28 4.5 Z 向?qū)к?28 4.6 本章小結(jié).29 5 X 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)計(jì)算 .30 5.1 滾珠絲杠的選型與校核.30 5.1.1 計(jì)算絲杠最大動(dòng)載荷.3

14、0 5.1.2 滾珠絲杠螺母副的選型.30 5.1.3 傳動(dòng)效率計(jì)算.30 5.1.4 剛度計(jì)算.30 5.1.5 穩(wěn)定性校核.31 5.2 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型.31 5.2.1 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī).31 5.2.2 校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩.32 5.3 本章小結(jié).34 6 結(jié) 論.35 6.1 課題研究的主要結(jié)論.35 6.2 展望.35 致 謝.36 參考文獻(xiàn).37 附 錄.38 1 緒緒 論論 1.1 數(shù)控雕銑機(jī)的概述數(shù)控雕銑機(jī)的概述 雕銑機(jī)的前身是雕刻機(jī)，雕刻機(jī)的優(yōu)勢(shì)在雕，不適合加工材料硬度比較大的材料， 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來(lái)越高的要求，產(chǎn)品的 更新?lián)Q代也

15、不斷加快，因此采用雕銑機(jī)來(lái)加工應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)控雕銑機(jī)既可以雕刻，也可 銑削，是一種高效高精的數(shù)控機(jī)床，是我國(guó)高端制造業(yè)的新產(chǎn)品。數(shù)控雕銑機(jī)主要用于 雕、銑各種型腔模具，也可以用于各種工藝品、凹凸圖案的加工，可加工各種鋼材、鋁 材、銅材或非金屬材料等。 從工作原理來(lái)講，雕銑機(jī)是數(shù)控鉆銑組合機(jī)床，但由于它主要用來(lái)“雕刻” ，因此機(jī) 床結(jié)構(gòu)、雕刻加工工藝及雕刻 CAD/CAM 軟件的功能與數(shù)控銑床都有很大的差異， “CNC 雕銑”是一項(xiàng)獨(dú)特的新型數(shù)控加工技術(shù)。雕銑機(jī)的出現(xiàn)填補(bǔ)了兩者之間的空白，彌補(bǔ)了 通用數(shù)控機(jī)床（銑床、鉆床等）加工功能單一，和加工中心加工小型產(chǎn)品成本過(guò)高的不 足，為我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展提

16、供了一種性價(jià)比很高的新型機(jī)床產(chǎn)品，是我國(guó)機(jī)床工業(yè)中的 新軍。 CNC 雕銑機(jī)主要由雕銑機(jī)床、電控柜、數(shù)控系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成，數(shù)控系統(tǒng) 處理解釋雕銑 CAD/CAM 軟件生成的 NC 代碼，發(fā)出加工控制指令，指揮雕銑機(jī)進(jìn)行各 種復(fù)雜的加工動(dòng)作，完成雕銑產(chǎn)品的加工。電控柜雕銑機(jī)的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)檢測(cè)部分， 根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送的控制的控制指令連接驅(qū)動(dòng)雕銑機(jī)本體產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并對(duì)雕銑機(jī)的 各種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)、反饋給數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別和處理。雕銑機(jī)床雕銑機(jī)的機(jī)械設(shè)備 部分，通過(guò)它完成雕刻、銑削、切割和鉆孔等各種加工方式的機(jī)械加工1。 近年來(lái)在模具加工行業(yè)中，為了避免工件表面質(zhì)量因電加工后產(chǎn)生型面微觀裂紋， 人們一

17、直在探索用一種比較完美的加工方式來(lái)替代電火花成型加工，在這些模具加工中 高速銑削方式具有很大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，伴隨著加工高硬度材料刀具技術(shù)的發(fā)展，在模具 加工中高速數(shù)控銑床的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但隨著模具加工業(yè)對(duì)加工表面質(zhì)量要求的提高， 所需刀具半徑越來(lái)越小，于是高速銑削加工出現(xiàn)了另一種分支工具高速數(shù)控雕銑機(jī)。 通過(guò)高速雕銑機(jī)的加工方式來(lái)彌補(bǔ)電火花成型加工的缺點(diǎn)。 數(shù)控模具雕銑機(jī)的誕生為模具加工工業(yè)解決了這一問(wèn)題。高速數(shù)控模具雕銑機(jī)不僅 具有高表面加工質(zhì)量的精細(xì)雕刻功能，同時(shí)具有高效率強(qiáng)力粗銑半精銑加工能力,使良好 表面質(zhì)量和高效率得以有機(jī)統(tǒng)一2。 1.2 數(shù)控雕銑機(jī)和數(shù)控銑床及加工中心的比較數(shù)控雕銑

18、機(jī)和數(shù)控銑床及加工中心的比較 在國(guó)外很早就有雕銑機(jī)的名詞 （CNC engraving and milling machine），嚴(yán)格地 講雕是銑的一部分 3。 （1）應(yīng)用對(duì)象的區(qū)別 1）雕銑機(jī)主要用于較小銑削量或者輕金屬的加工或?qū)浗饘俚募庸ぃ蟛糠钟糜谀?具行業(yè)。 2）數(shù)控銑床主要用于完成較大銑削量的工件的加工設(shè)備 ，硬度比較高的材料，大 型的模具，也適合普通模具的開粗 ，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品種的 加工。 3）控銑加工主要面向規(guī)則的工件，平面加工區(qū)域比較開闊，而曲面比較光滑但是雕 銑加工除了加工數(shù)控銑類似的小區(qū)域或小曲面外，還要加工隨意的平面圖形和跌蕩起伏 的紋理曲面，比

19、如加工一些網(wǎng)格曲面等。雕銑加工的圖形必須比較精細(xì)，比如雕銑加工 時(shí)常加工 0.1 毫米的薄壁，雕刻加工路徑的計(jì)算精度一般是傳統(tǒng)的數(shù)控銑的 5 倍左右4。 （2）從機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速分析 1）雕銑機(jī)要求高速的數(shù)控系統(tǒng)，主軸轉(zhuǎn)速 150030000RPM 左右。 2）數(shù)控銑床對(duì)數(shù)控系統(tǒng)要求速度一般，主軸轉(zhuǎn)速 08000RPM 左右。 （3）結(jié)構(gòu)上講 1）加工中心一般采用懸臂式 。 2）雕銑機(jī)和雕刻機(jī)一般多用龍門式架構(gòu)，龍門式又分為棟梁式和定梁式，目前雕 銑機(jī)以定梁式居多。 （4）從機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)的角度來(lái)看 1）雕銑機(jī)大部分采用企業(yè)自主研發(fā)或者外購(gòu)的工業(yè)控制器。 2）數(shù)控銑床對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求：操作方

20、便，穩(wěn)定可靠，修方便等，現(xiàn)在市場(chǎng)上的數(shù) 控系統(tǒng)主要集中在 FANUC 和 MITISUBISH 及西門子控制器。 綜上所述：雕銑機(jī)進(jìn)行一些小切削量的銑削。而數(shù)控銑床大部分在機(jī)械加工行業(yè)中 使用。 1.3 雕銑機(jī)與雕刻機(jī)的比較雕銑機(jī)與雕刻機(jī)的比較 雕刻機(jī)：它主軸轉(zhuǎn)速高 ，矩比較小， 適合小刀具的加 ，著重于“雕刻”功能， 例如木材（專門加工木板的稱為木雕機(jī)）亞克力板、雙色板、等硬度不高的板材，不 太適合強(qiáng)切削大工件。目前市面上的 用于大多數(shù)加工工藝品為主 的是雕刻機(jī)，成本 低，由于精度不高，不宜用于模具開發(fā)；但也有例外的例如晶片雕刻機(jī) 5。數(shù)控雕銑 機(jī)是在雕刻機(jī)的基礎(chǔ)上加大了床身承受力， 伺服電

21、機(jī)、主軸功率，同時(shí)保持主軸的 高速，更重要的是精度很高。雕銑機(jī)還向高速發(fā)展，一般稱為高速機(jī)，加工精度非 常高，切削能力更強(qiáng)，還可以直接加工硬度在HRC60 以上的材料，一次成型。 （1）從用途上分：雕刻機(jī)主要是用于對(duì)板材的雕刻，大量應(yīng)用于雙色板或亞克力雕 刻，雕刻一次進(jìn)刀深度約在 1mm3mm 左右，在標(biāo)牌、標(biāo)志方面應(yīng)用較為普遍。 （2）從機(jī)械構(gòu)造方面：雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)輕巧，X、Y 軸移動(dòng)速度快，Z 軸行程較短，適 合雕刻 5mm8mm 的材料。雕刻主軸頭裝有彈簧壓鼻，作用是在雕刻過(guò)程中壓平 3mm 以下的薄板材。雕刻主軸通過(guò)皮帶連接到直徑較大的馬達(dá)上，以此使轉(zhuǎn)速增大，這樣雕 刻出來(lái)的工件質(zhì)量就較

22、為光滑，它適合做切削量很小的高轉(zhuǎn)速的雕刻工藝制作。 （3）外觀體積方面: 雕銑機(jī)比較大型的 750 型機(jī)一般在 2.2m*2m，雕刻機(jī)較小。 雕銑機(jī)可以理解為既可做精細(xì)雕刻，又能做切割、鏤銑。例如做三維雕刻，盡管落 差很大，但 200mm 寬材料可一次完成，一次進(jìn)刀量相當(dāng)大。雕銑機(jī)可供選用的刀具直徑 規(guī)格從 1mm16mm，其刀具長(zhǎng)度為 50mm80mm。我們可以靈活使用，裝細(xì)刀干細(xì)活， 裝粗刀干大活。由于機(jī)器設(shè)計(jì)注重重型負(fù)載，機(jī)架剛性大，Z 軸行程大，因此不僅可以做 小型雕刻機(jī)的工藝，更可高速切割厚的板材，一次進(jìn)刀量可達(dá) 20mm30mm，這是雕刻 機(jī)根本做不到的工藝制造。 1.4 國(guó)內(nèi)數(shù)控

23、雕銑機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)數(shù)控雕銑機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀 改革開放以來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)模具的需求量不斷增長(zhǎng)，近年來(lái) 尤其是模具業(yè)對(duì)表面加工要求的提高，以及傳統(tǒng)電火花加工的不足，現(xiàn)今模具業(yè)流行談 論高速銑床對(duì)模具加工影響，高速加工論說(shuō)甚多，尤其在中國(guó)市場(chǎng)，模具行業(yè)飛速發(fā)展， 對(duì)于能加快模具生產(chǎn)之機(jī)床，需求極高，因此高速銑床理論成為熱點(diǎn)所在,最近的一兩年 綜合銑削與高速雕刻優(yōu)點(diǎn)的 CNC 雕銑機(jī)在國(guó)內(nèi)有了較大的發(fā)展4。 CNC 雕銑特有的專業(yè)優(yōu)勢(shì)為：“小刀具的快速銑削” ，擅長(zhǎng)做“常規(guī)大刀具無(wú)法加工 的業(yè)務(wù)” 。目前，在下述行業(yè)中 CNC 雕銑方式用得較為得心應(yīng)手：模具雕刻業(yè)和廣告雕 刻業(yè)。

24、（1）模具行業(yè)-小刀具獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷 CNC 雕銑在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的是模具業(yè)，在模具生產(chǎn)過(guò)程中 CNC 雕銑不是主 要加工方式和生產(chǎn)手段，但其作用卻非同一般，可謂是“畫龍點(diǎn)睛” ，這是由雕刻對(duì)象的 “圖案、文字和復(fù)雜的曲面”特點(diǎn)所決定，當(dāng)前 CNC 雕銑在模具雕刻領(lǐng)域主要的業(yè)務(wù)為： 1）紫銅和石墨電極加工 2）五金沖模和精密沖頭加工 3）鞋材模具和鞋底模型加工 5）鐘表零件加工和輕型 CNC 加工 6）壓花（皮紋、花紋）輥輪和圓柱體工件雕刻 7）首板（手板、樣板）模型加工 （2）廣告雕刻精雕細(xì)刻、力求創(chuàng)意 CNC 雕刻在廣告主要應(yīng)用于沙盤模型、廣告標(biāo)牌和文字標(biāo)志的制作，這些業(yè)務(wù)在雕 刻工藝上相

25、對(duì)簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是在效果表現(xiàn)上，而且主要突出的是“精雕細(xì)刻和求新創(chuàng)異” 。 國(guó)內(nèi)幾家著名的數(shù)控機(jī)床廠在這個(gè)領(lǐng)域里面都有較好的成績(jī)。比如北京精雕、廣東 佳鐵、南京四開、上海洛克等都是國(guó)內(nèi)著名的數(shù)控雕銑機(jī)廠家。在雕刻 CAD/CAM 技術(shù)、 CNC 數(shù)控技術(shù)、精密雕刻機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)工藝等領(lǐng)域取得了重大的突破，并真正實(shí)現(xiàn)了先進(jìn) 技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化5。 典型的數(shù)控雕銑機(jī)如下: （1）橫梁移動(dòng)式數(shù)控雕銑機(jī) 橫梁移動(dòng)式，工作臺(tái)不移動(dòng)，承載工件可達(dá) 5 噸以上，尤其適合汽車保險(xiǎn)杠等特大 模具的加工；橫梁移動(dòng)式，機(jī)床運(yùn)行慣最性，機(jī)床使用壽命大提高；使加工的表面光潔 度在提高；機(jī)床主體高強(qiáng)度樹脂砂鑄件，體穩(wěn)吸震耐用；臺(tái)

26、灣產(chǎn)滾珠絲桿及精密鎖緊螺 母；進(jìn)口軸承與聯(lián)軸器，臺(tái)灣新代 900M 系統(tǒng)。如圖 1.1 所示： 圖 1.1 橫梁移動(dòng)式數(shù)控雕銑機(jī) 主要技術(shù)參數(shù)，如表 1-1： 表 1-1 橫梁移動(dòng)式數(shù)控雕銑機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) 技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 SYDX800SYDX1200 工作臺(tái)面積9601540mm12001540mm X、Y、Z 行程8001400500 mm12002000500 mm 主軸端面到工作臺(tái)距離356856mm420820mm 龍門寬度1130 mm1620 mm 最大可通過(guò)工件高度800 mm850mm 最大承載800kg1000kg 主軸型號(hào)松野水冷電主軸（可選臺(tái)灣產(chǎn)高精密主軸） 主軸功率

27、4kw/5.5kw 主軸最高轉(zhuǎn)速18000/24000rpm/min 主軸錐孔ER25/ER32 最大快移速度10000mm/min 最大加工速度6000mm/min 重復(fù)定位精度0.005 /300mm 定位精度0.01/300 mm 數(shù)控系統(tǒng)臺(tái)灣新代 900M （2）龍門式數(shù)控雕銑機(jī) 如圖 1.2 所示： 圖 1.2 龍門式數(shù)控雕銑機(jī) 主要技術(shù)參數(shù)，如表 1-2 所示： 表 1-2 龍門式數(shù)控雕銑機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)器型號(hào)X.GRAPH 600 CNC 行程 X 軸/Y 軸/Z 軸600/400/250mm 主軸端面至工作臺(tái)距離50-300mm 工作臺(tái)尺寸600400mm 最大承重300kg

28、 T 型槽寬度12mm T 型槽間距63mm T 型槽數(shù)量4 主軸額定功率2.2KW 主軸轉(zhuǎn)速3000-24000rpm 主軸錐度規(guī)格ER20 主軸冷卻系統(tǒng)水冷 快速移動(dòng)速率10000mm/min 切削進(jìn)給速率5-3000mm/min 數(shù)控系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)配置）Syntec controller (or KNUTH GPlus 450) 定位精度0.004mm 重復(fù)定位精度0.003mm 潤(rùn)滑系統(tǒng)自動(dòng)潤(rùn)滑(32#油) 龍門寬度720mm 軸向電機(jī)連接方式直聯(lián) 氣壓0.6Mpa 機(jī)器重量2000kg 機(jī)器外形尺寸160016002000mm 電源AC380V/3PH,50Hz 總功率6KW 1.5 本

29、章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要介紹了雕銑機(jī)的概念以及與雕刻機(jī)，加工中心等的區(qū)別，雕銑機(jī)的應(yīng)用前 景以及國(guó)內(nèi)外雕銑機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，緊接著介紹了兩種典型的雕銑機(jī)以及它們的主要參數(shù)。 2 數(shù)控雕銑機(jī)總體方案設(shè)計(jì)數(shù)控雕銑機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 現(xiàn)在流行的雕銑機(jī)工作臺(tái)主要有兩種，第一種是刀具作X方向和Z方向的移動(dòng)即定梁 式結(jié)構(gòu)。第二種則工作臺(tái)作X，Y方向的移動(dòng)，而刀具只作Z方向的移動(dòng)即動(dòng)梁式結(jié)構(gòu)。 理論設(shè)計(jì)上，數(shù)控模具雕銑機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局如圖2.1和2.2所示。 1-Y 軸工作臺(tái)（整體式） ，2-主軸組建，3-主軸冷卻泵及冷卻液泵站，4-立柱，5-X-Z 軸二維工作臺(tái) （橫 梁）

30、 ，6-操作及控制 圖 2.1 定梁式數(shù)控雕銑機(jī)布局設(shè)計(jì)圖 1-床身，2-Y 軸工作臺(tái)，3-橫梁，4-拖板，5-電主軸，6-刀具，7-工作臺(tái) 圖 2.2 動(dòng)梁式數(shù)控雕銑機(jī)布局設(shè)計(jì)圖 結(jié)構(gòu)1的優(yōu)點(diǎn)是制作容易，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但由于工件隨工作臺(tái)移動(dòng)，所以不能加工太重 的工件，而且雕刻機(jī)尺寸不能太大。結(jié)構(gòu)2雖然制作也較容易，然而穩(wěn)定性要比結(jié)構(gòu)1差 很多。由于本次設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械部件結(jié)構(gòu)的要求就是要小而輕便，加工工件的質(zhì)量也是比較 輕，因此選用結(jié)構(gòu)1。 本設(shè)計(jì)中，數(shù)控雕銑機(jī)選用龍門式定梁式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有良好的剛性和對(duì)稱性，一 直是高速切削設(shè)備的首選結(jié)構(gòu)。為克服不良力矩的問(wèn)題，從整體布置保證機(jī)床的剛性， 采用較寬

31、的立柱和橫梁，盡量加寬了 X、Y、Z 三向的兩根直線滾動(dòng)導(dǎo)軌之間的跨距，盡 量加粗導(dǎo)軌和絲桿5。在該結(jié)構(gòu)中，在保證整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械剛性的前提下，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì) 的結(jié)構(gòu)和縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造的周期，其主體框架采用鋁合金制造，減輕整機(jī)重量， 防護(hù)件用塑料件制造，用標(biāo)準(zhǔn)的緊固件和定位銷連接6。 本機(jī)床整體式床身底座采用鑄鐵鑄造而成，因?yàn)殍T鐵具有良好的穩(wěn)定性、吸振性和 耐沖擊性，可使床身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性有顯著提高，采用箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部筋板采用米字 型筋配合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，確保了對(duì) Y 軸工作臺(tái)和兩立柱的剛性支承，使機(jī)床動(dòng)態(tài)加工的穩(wěn) 定性可達(dá)最好。為了加強(qiáng)剛性，所設(shè)計(jì)的數(shù)控雕銑機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行比較細(xì)小的加 工

32、，加工精度比較高，對(duì)軟金屬可進(jìn)行高速切削。 2.2 主運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)主運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 主軸的傳動(dòng)方式主要有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)等。主軸傳動(dòng)方式的選 擇主要決定于主軸的轉(zhuǎn)速、所傳遞的轉(zhuǎn)矩、對(duì)于平穩(wěn)性的要求以及結(jié)構(gòu)緊湊、裝卸維修 方便等要求7。 （1）齒輪傳動(dòng)，特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，能適應(yīng)變轉(zhuǎn)速、變載 荷工作，應(yīng)用最廣。缺點(diǎn)：線速度不能過(guò)高，通常小于 12m/s，不如帶傳動(dòng)平穩(wěn)。 （2）帶傳動(dòng)，特別適用于中心距較大的兩軸間傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，適宜高速 傳動(dòng)。帶傳動(dòng)在過(guò)載時(shí)會(huì)打滑，不能用在速比要求準(zhǔn)確的場(chǎng)合。同齒形帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： 無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高；不需

33、要潤(rùn)滑，耐水、耐腐蝕，能在高溫下工作， 維護(hù)保養(yǎng)方便；傳動(dòng)比大，可達(dá) 1:10 以上。缺點(diǎn)：制造工藝復(fù)雜，安裝條件要求求高。 （3）電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)” ?？蓪⒅鬏S與電動(dòng)機(jī)制成一體，使用電主軸可以減少帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，有效的提高 了主軸部件的剛度，簡(jiǎn)化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，其缺點(diǎn)是溫升和散熱問(wèn)題。 目前，隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械 結(jié)構(gòu)已得到極大的簡(jiǎn)化，基本上取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。用電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶輪或齒輪 等方式傳動(dòng)，則在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，由此產(chǎn)生的振動(dòng)等，勢(shì)必影響高速加工的精度、加 工表面粗糙度

34、，而產(chǎn)生的噪聲導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量的惡化，將電動(dòng)機(jī)內(nèi)置，省掉齒輪、帶輪等 一系列中間環(huán)節(jié)，將主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能地減至最小可提高主軸系統(tǒng)的剛度， 也就提高了系統(tǒng)的固有頻率、從而提高了其臨界轉(zhuǎn)速值。由于沒(méi)有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的傳動(dòng) 沖擊等外力作用，主軸高速運(yùn)行更為平穩(wěn)，使得主軸軸承的使用壽命相應(yīng)得到延長(zhǎng)。電 主軸與傳統(tǒng)的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)相比有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊等優(yōu)點(diǎn)，這樣便于把它用在多軸聯(lián)動(dòng) 機(jī)床、多面體加工機(jī)床和并聯(lián)（虛擬軸）機(jī)床上8。 2.3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 2.3.1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本形式數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本形式 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以分為兩大類：（1）直線運(yùn)動(dòng)；（2）

35、圓周運(yùn)動(dòng)。 在數(shù)控機(jī)床上，實(shí)現(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主要有三種形式： 1）通過(guò)絲杠（通常為滾珠絲杠或靜壓絲杠）螺母副，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€ 運(yùn)動(dòng)。 2）通過(guò)齒輪、齒條副，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。 3）直接采用直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 2.3.2 以上幾種傳動(dòng)方案的簡(jiǎn)介和比較以上幾種傳動(dòng)方案的簡(jiǎn)介和比較 （1）滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副具有傳動(dòng)無(wú)間隙，傳動(dòng)精度高且平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)代機(jī)床業(yè)中采用 較多，但是在 Z 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中有不能自鎖的缺點(diǎn)3。 （2）靜壓絲杠螺母副 靜壓絲杠螺母副是通過(guò)油壓在絲杠和螺母接觸面之間，產(chǎn)生一層保持一定厚度，且 具有一定剛度的壓力油膜，使絲杠和螺母由邊界摩擦變?yōu)橐?/p>

36、體摩擦。靜壓絲杠螺母的優(yōu) 點(diǎn)是：摩擦系數(shù)很小，其起動(dòng)力矩很小，傳動(dòng)靈敏，避免了爬行。油膜可以吸振，提高 了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。機(jī)床的加工精度和光潔度高。缺點(diǎn)是：靜壓絲杠螺母副應(yīng)有一套供油 系統(tǒng)，而且對(duì)油的清潔度要求高，如果在運(yùn)動(dòng)中供油忽然中斷，將造成不良后果。 （3）齒輪齒條副 大型數(shù)控機(jī)床不宜采用絲杠傳動(dòng)，因?yàn)橹圃扉L(zhǎng)絲杠成本較大，而且容易下垂彎曲， 影響傳動(dòng)精度；同時(shí)也降低了扭轉(zhuǎn)剛度與軸向剛度。如果加大絲杠直徑，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增 大，不易保證伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，故常用齒輪齒條副。 齒輪齒條副傳動(dòng)用于行程較長(zhǎng)的大型機(jī)床上，可以得到較大的傳動(dòng)比，進(jìn)行高速直 線運(yùn)動(dòng)，剛度及機(jī)械效率也高。但其傳動(dòng)不夠平穩(wěn)，傳

37、動(dòng)精度不高，而且還不能自鎖。 采用齒輪齒條副傳動(dòng)時(shí)，必須采取措施消除齒側(cè)間隙，當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載小時(shí)，也可采用雙片 薄齒輪調(diào)整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側(cè)貼緊，從而消除齒側(cè)間隙。當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載大 時(shí)，可采用雙厚齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。 （4）直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：不需要絲杠、齒輪齒條等轉(zhuǎn)換裝置即能直接實(shí) 現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，因此，它大大簡(jiǎn)化了進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)無(wú)法避 免必須通過(guò)絲杠、齒條轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)等轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，降低了傳動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)精度、剛度、快 速性和穩(wěn)定性的影響 直線電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)：主要表現(xiàn)在起動(dòng)推力受電源電壓的影響較大，故對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要 求較高，應(yīng)采用措施保證或改變電動(dòng)機(jī)的有

38、關(guān)特性來(lái)減少或消除這種影響直線電動(dòng)機(jī)的 效率和功率因數(shù)要低由于電動(dòng)機(jī)直接和導(dǎo)軌、工作臺(tái)做成一體，必須采取措施以防止磁 力和熱變形對(duì)加工的影響 綜上所述，本次進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副作為傳動(dòng)系統(tǒng)。 2.4 本次設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)本次設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù) 如表 2-1 所示： 表 2-1 定梁式數(shù)控雕銑機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)單位 1工作臺(tái)尺寸（X/Y）500*480mm 2最大行程（X/Y/Z）400*400*150mm 3最大工件尺寸（X/Y/Z）460*600*200mm 4最大刀具直徑（ER20）13mm 5最大進(jìn)給速度6m/min 6主軸電機(jī)功率3kW 7主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍1500-24000

39、n/min 8分辨率0.001mm /p 9定位精度0.008mm 10重復(fù)定位精度0.005mm 11外型尺寸1500*1200*1800mm 12機(jī)器凈重1400kg 13電源電壓AC380V5V 14機(jī)器總功率5kW 15機(jī)器軸聯(lián)動(dòng)數(shù)3軸 16龍門寬度650mm 17裝料高度170mm 2.5 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要是總體方案的設(shè)計(jì)比較和選擇，首先對(duì)龍門定梁式結(jié)構(gòu)和龍門動(dòng)梁式結(jié)構(gòu) 這兩種總體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析和比較，最后確定龍門定梁式結(jié)構(gòu)，以及提高雕銑機(jī)的剛 度和穩(wěn)定性的措施。對(duì)主運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案分析比較，最后決定采用電主軸的形式，對(duì)進(jìn)給 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案的比較分析，確定采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠

40、副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的 形式的方案。最后確定雕銑機(jī)的技術(shù)參數(shù)。 3 主軸部件設(shè)計(jì)主軸部件設(shè)計(jì) 主軸部件是機(jī)床的重要部件之一。作為機(jī)床的執(zhí)行件，它的功能是支承并帶動(dòng)工件 或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，完成表面成形運(yùn)動(dòng)。 數(shù)控機(jī)床高速主軸單元包括主軸動(dòng)力源、主軸、軸承和機(jī)架等幾個(gè)部分，它影響加 工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及應(yīng)用范圍，其動(dòng)力學(xué)性能及穩(wěn)定性對(duì)高速加工起著關(guān)鍵的作用。 高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應(yīng)該具有剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫升小、穩(wěn)定性好、 功耗低、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，制造及操作成本也應(yīng)適中。要滿足這些要求， 主軸的制造及動(dòng)平衡、主軸的支承（軸承） 、主軸系統(tǒng)

41、的潤(rùn)滑和冷卻、主軸系統(tǒng)的剛性等 是很重要的7。 3.1 電主軸的基本結(jié)構(gòu)電主軸的基本結(jié)構(gòu) 高速電主軸要獲得好的動(dòng)態(tài)性能和使用壽命，必須對(duì)電主軸各個(gè)部分進(jìn)行精心設(shè)計(jì) 和制造。電主軸基本結(jié)構(gòu)原理如圖 3.1 所示。 圖 3.1 電主軸的結(jié)構(gòu)原理圖 電主軸轉(zhuǎn)速的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源頻率來(lái)控制電主軸的轉(zhuǎn)速，把主軸 的轉(zhuǎn)速?gòu)?1500 至 24000r/min，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)速。變頻器是通過(guò)電腦給的信息，發(fā)出一種脈沖， 通過(guò)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn) 1500 至 24000r/min 的不同轉(zhuǎn)速8。 其變頻器的工作原理是： s)/p60f(1n （3.1） 式中：n 為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f 為異步電動(dòng)機(jī)的頻率；

42、s 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p 為電動(dòng) 機(jī)極對(duì)數(shù)。 由公式（3.1）可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， 當(dāng)頻率 f 在 050Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改 變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 3.2 主軸系統(tǒng)的計(jì)算主軸系統(tǒng)的計(jì)算 主軸系統(tǒng)主要由三部分組成：3KW 主軸安裝座、滑塊及拖板。根據(jù)圖紙分別計(jì)算 3KW 主軸安裝座、滑塊和拖板的體積 V 及其重力 G。 查表 1-812，可知灰鑄鐵的密度 HT250=7.0 103(kg/m3) ,工業(yè)用鋁合金的密度 鋁合金 =2.7103(kg/m

43、3)； 3kW 主軸安裝座的體積 V1及重力 G1計(jì)算： V1=(268155200-502200-20.54040200-212554200)10-9 3.7210-3m3 G1=m1g=鋁合金 V1g （3.2） =2.71033.7210-39.8 98.43N 滑塊體積 V2及重力 G2計(jì)算： V2=(27096730-16081246-12981570-24048570-2973157)10-9 7.2510-3m3 G2=m2g= V2g 250HT =7.01037.2510-39.8 =493.75N （3.3） 拖板體積 V3及重力 G3計(jì)算： V3=(24227505+49

44、07212-1802006-702554-1208642)10-9 3.2410-3m3 G3=m3g= V3g 250HT （3.4） =7.0 1033.2410-39.8 222.26N 表 3-1 主軸系統(tǒng)的重力計(jì)算值 計(jì)算項(xiàng)計(jì)算值 3KW 主軸安裝座98.43N 滑塊493.75N 拖板222.26N 數(shù)控雕銑機(jī)加工方式與數(shù)控銑床相似，因此按計(jì)算銑床的銑削公式計(jì)算其銑削力。 主銑削力 Fc 計(jì)算： 數(shù)控雕銑機(jī)屬于立銑加工，刀具選用材料為硬質(zhì)合金鋼，加工材料為鋼材，查表4， 選用公式： Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap （3.5） 式（5-1）中 CF：切削系

45、數(shù)。查表 30204 取 CF=669 KF：修正系數(shù)。查表 30214 取 CF=1.08 ae：銑削寬度。查表 30354 取 ae=1.6mm af：每齒進(jìn)給量。查表 30354 取 af =0.1mm d0：銑刀直徑。 查表 30354 取 d0 =6mm Z： 銑刀齒數(shù)。查表 30354 取 Z =6 ap：銑削深度。查表 30354 取 ap=0.5mm 代入式（5-1）得： Fc=6691.081.60.860.10.726-0.8660.5 132.53N 垂直分力 Fz、橫向分力 Fx，縱向分力 Fy 計(jì)算： 根據(jù)表 8-67，各銑削分力的比值可得： ； ； 85. 0 x

46、c F F 77 . 0 y c F F 38 . 0 z c F F 計(jì)算可得： =112.65N； =102.05N ； =50.36N；FxFyFz 表 3-2 主軸銑削力相關(guān)計(jì)算值 計(jì)算項(xiàng)計(jì)算值 主銑削力 Fc132.53N 橫向分力 Fx112.65N 縱向分力 Fy102.05N 垂直分力 Fz50.36N 3.3 主軸設(shè)計(jì)主軸設(shè)計(jì) 主軸前、后軸頸的設(shè)計(jì):查金屬切削機(jī)床手冊(cè)下冊(cè)圖 4-289得： 前軸頸： mmD50 1 后軸頸： mmDD4874 . 0 12 主軸內(nèi)孔直徑：根據(jù)d5 . 0 D d 有 mm DD Dd225 . 0 2 )( 5 . 0 21 主軸前端懸伸量：

47、a ，取 1.15 . 16 . 0 1 D 故有mmD551 . 1 1 主軸跨距： 按有關(guān)計(jì)算公式： mmNDKA/1087 . 5 1700 54 . 1 1 取 ，即 1.4 A B K K mmNKB/102 . 4 5 45 4444 105 . 4 64 )2856( 64 )( mm dD I 計(jì)算綜合變量： 47 . 0 551087 . 5 105 . 4102 35 55 3 aK EI A 52 2 10/EN mm 確定最佳跨距： 查金屬切削機(jī)床圖 4-31，在橫坐標(biāo)上找的點(diǎn)向上作垂直線與的46 . 0 1.4 A B K K 斜直線相交得4 . 2 0 a L 14

48、8.5mm1.125184.4L5 . 175 . 0 132774 . 24 . 2 0 0 ）（合理L mmaL 取 L=300mm 3.4 軸承選用及壽命校驗(yàn)軸承選用及壽命校驗(yàn) 主軸前端用雙列短圓柱滾子軸承，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 12-27選型號(hào)為 NU208 GB/T283-1994 后端用角接觸球軸承，才用背靠背，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 12-27選型號(hào) 7210C/DB GB/T292-1994 3.4.1 軸承受力分析軸承受力分析 軸承受力如圖 3.2 所示。 圖 3.2 受力示意圖 Q切削時(shí)，主軸所受的徑向力，151.93 N 受力分析可得： 54.4293.15147.194 47.1

49、94 250 )70250(93.151 QFF F AB A 3.4.2 軸承壽命檢驗(yàn)軸承壽命檢驗(yàn) 主軸前端采用雙列短圓柱滾子軸承 NU208 GB/T285-1994，只承受徑向力，額定動(dòng)載 荷為 76600N7 軸承所受的當(dāng)量動(dòng)載荷 r P 根據(jù) rp Pf P 式中： pp ff 載荷系數(shù)，取1. 5 故NP 7 . 29147.1945 . 1 軸承壽命 L 根據(jù) 16667 r r C L nP （） 式中：基本額定動(dòng)載荷，76600N r C 主軸轉(zhuǎn)速，取 3000r/min n 軸承壽命指數(shù)，滾子軸承 10 3 故 安全。hhL150001021 . 5 7 . 291 766

50、00 3000 16667 7 3 10 主軸后端支承是采用角接觸球軸承 7210C /DB GB/T292-1994 軸承的軸向派生力，如圖 3.3 s F 圖 3.3 派生力受力圖 徑向載荷 =151.93N R F R F 軸向載荷 a FNFa39.44336.5075.493 由圖 3.3 可知， 軸向派生力 37.89 85 . 0 2 93.151 11 sa FF 由圖分析，軸承 1 被放松，所以它的軸向負(fù)載即為派生軸向力 37.89 85 . 0 2 93.151 11 sa FF 即軸承 2 被壓緊，所受的軸向負(fù)載 =532.76 2a F 每個(gè)軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷 r P 因

51、為 e F F r a 01 . 7 2 93.151 76.532 2 2 故取 x=0.72，y=1.63 有： 88.1257 )32.49063 . 1 2 35.109 72 . 0 (5 . 1 )( 222 arpr yFxFfP 又因?yàn)?1 1 64.32 1.1760.56 109.35 2 a R F e F 故取 x=0.72，y=1.63 有： 31.216 )32.6463 . 1 2 35.109 72 . 0 (5 . 1 )( 111 arpr yFxFfP 3.4.3 軸承的壽命軸承的壽命 L 根據(jù) 16667 r r C L nP （） 式中：基本額定動(dòng)載荷

52、， r C 4 3.92 10 N 當(dāng)量動(dòng)載荷Pr 軸承壽命指數(shù)，球軸承=3 n主軸轉(zhuǎn)速，3000r/min 軸承 1 壽命：hhL1500092.126021) 6 . 1384 1092 . 3 ( 3000 16667 3 4 1 軸承 2 壽命： hh L 150001022 . 4 ) 55.300 1092 . 3 ( 3000 16667 7 3 4 2 4 3 16667 3.92 10 2000216.31 2 軸承2壽命：L（） 7 4.96 1015000hh 軸承 1、2 都安全 3.5 電主軸的冷卻與潤(rùn)滑及安裝電主軸的冷卻與潤(rùn)滑及安裝 電主軸不可避免的將會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱的問(wèn)

53、題，從而需要設(shè)計(jì)專門用于冷卻電動(dòng)機(jī)的油冷 或水冷系統(tǒng)。本機(jī)床電主軸采用水冷卻，對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑其冷卻裝置配 置在機(jī)床的后部。 電主軸的潤(rùn)滑方式有脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑三種方式，可以根據(jù)不同情況下 的需要任選其一。當(dāng)采用油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑時(shí)，一般其相應(yīng)的速度相對(duì)脂潤(rùn)滑要高。 因本機(jī)床主軸要求的最高轉(zhuǎn)速相對(duì)較低(最高轉(zhuǎn)速為 24000rmin)，故采用脂潤(rùn)滑5。 3KW電主軸安裝座的3維造型如圖3.4所示 圖3.4 3KW電主軸安裝座的3D建模 在電主軸系統(tǒng)上的安裝如圖3.5所示，通過(guò)三個(gè)M10內(nèi)六角圓柱頭螺釘將電主軸鎖緊， 這種鎖緊方式，夾緊可靠，操作簡(jiǎn)單。為了起到方便拆卸的作用

54、，在兩個(gè)M10內(nèi)六角圓柱 頭鎖緊螺釘之間，分別打兩個(gè)M10的螺紋孔。其作用是在拆卸的時(shí)候，通過(guò)擰入M10的內(nèi) 六角圓柱頭螺釘，將距離為2mm的安裝間隙擴(kuò)大。 1電主軸；23kW主軸安裝座；3M10內(nèi)六角螺釘3；4Z向滑座；5Z向拖板；6M10螺紋孔 圖3.5 電主軸安裝圖 3.6 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要是主軸部件的設(shè)計(jì)，包括了電主軸主軸的設(shè)計(jì)，電主軸軸承支承的選擇， 冷卻潤(rùn)滑方式的選擇，安裝方式的設(shè)計(jì)。主要計(jì)算了主軸系統(tǒng)的重力，銑削力，主軸的 尺寸計(jì)算，主軸軸承壽命的計(jì)算和校核。 4 Z 向進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算向進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 在數(shù)控機(jī)床中，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和定位精度以及工作平穩(wěn)性，

55、在設(shè)計(jì)機(jī) 械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常需足夠的剛度，不爬行，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，靈敏度高的要求。機(jī)床的精度 很大程度取決于進(jìn)給絲杠的精度和機(jī)床導(dǎo)軌的精度，因此，數(shù)控雕銑機(jī)Z向進(jìn)給系統(tǒng)采用 伺服電機(jī)，內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，Z軸方向上采用高精度直線導(dǎo)軌10。 4.1 滾珠絲杠副的選擇滾珠絲杠副的選擇 滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件。本機(jī)床Z向進(jìn)給方向的滾 珠絲杠副的精度等級(jí)為4級(jí)。4級(jí)精度的絲杠經(jīng)采用一些如消隙、螺距誤差補(bǔ)償?shù)却胧?完全能滿足機(jī)床的定位精度要求。絲杠的剛度與直徑的大小直接相關(guān)，直徑大、剛度就 好但是，隨著直徑的增大，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也大大增大。本機(jī)床經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算后選定Z軸滾珠絲

56、 杠的公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為5mm11。 滾珠絲杠副的選擇計(jì)算： （1）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 Ph9 Ph = max max ni v （4.1） Ph：滾珠絲杠副的導(dǎo)程 mm vmax：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度 m/min nmax：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 r/min i：傳動(dòng)比 因雕銑機(jī)伺服電機(jī)與滾珠絲杠副通過(guò)聯(lián)軸器直接傳遞力矩，因此傳動(dòng)比 i=1 根據(jù)表 2-110的技術(shù)參數(shù)可知，v max =5m/min ； 根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率為 400W，查得10 nmax =3000r/min 代入式（4.1）得： Ph = 30001 5 =1.67mm 根據(jù)表 1 11選擇導(dǎo)程為 5mm 的滾珠絲杠副 （2

57、）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷 當(dāng)量轉(zhuǎn)速9 nm = 2 minmaxnn （4.2） nm：當(dāng)量轉(zhuǎn)速 r/min nmax：滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速。傳動(dòng)比 i=1，電動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速即為滾 珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速，所以 nmax =3000r/min nmin：滾珠絲杠副的最低轉(zhuǎn)速。nmin =0 代入式（4.2）得： nm =1500r/min 30000 2 當(dāng)量載荷 Fm = 3 2 minmax FF （4.3） Fm：當(dāng)量載荷 N；Fmax：機(jī)器承受最大負(fù)荷時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力。 Fmax= G1+G2+G電主軸+=690.18+0.1102.05=700.385N。Fy Fmin：機(jī)器

58、空載時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力。Fmin=G1+G2+G電主軸 =（98.43+493.75+98）N=690.18N 代入式（4.3）得： Fm= 3 18.690385.7002 696.98N （3）確定預(yù)期額定動(dòng)載荷 按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時(shí)間 Lh（小時(shí)）計(jì)算： Cam = （N） 3 60 hmL n ca wm ff fF 100 （4.4） Cam：預(yù)期額定動(dòng)載荷 N Lh：預(yù)期工作時(shí)間。查表-6 10 取 Lh=20000h。 fa：精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級(jí) P4，查表-7 10 取 fa=0.9。 fc：可靠性系數(shù)。一般情況下為 fc=1 fw：負(fù)荷系數(shù)。根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)選擇，查

59、表-912取 fw=1。 代入式（4.4）得： Cam= 3 20000150060 19 . 0100 198.696 9420.43N 按最大載荷 Fmax計(jì)算 Cam=feFmax （4.5） fe：預(yù)加負(fù)荷系數(shù)。查表-1012 取 fe=4.5 代入式（4.5）得： Cam =4.5696.98=3136.425N 取以上 2 種結(jié)果的最大值 Cam =9420.43N （4）按精度要求確定最小螺紋底徑 d2m 滾珠絲杠的最大允許軸向變形量 m m （）重復(fù)定位精度 3 1 4 1 m （）定位精度 4 1 5 1 m：最大軸向變形量 m 由表（2-1）可知，重復(fù)定位精度為 0.005

60、mm，定位精度為 0.01mm m=1.25m m=2m 取兩種結(jié)果的小值 m=1.25m 估算滾珠絲杠副的底徑 d2m 絲杠無(wú)預(yù)拉伸要求，取一端固定，一端游動(dòng)的支承形式 d2m210=0.078 E LF m 0 10 m LF 0 （4.6） d2m：最小螺紋底徑 mm E：楊氏彈性模量。E=2.1105N/mm2 m：m=1.25m F0：導(dǎo)軌靜摩擦力（N） F0 =0W（0為靜摩擦系數(shù)） 。根據(jù)表-1013查得 0=0.2；W =G1+G2+G電主軸=690.18N F0 =0W =0.2690.18=138N L 為滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支撐的最大距離（mm） L 行程+安全行程+