立式鉆削中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)立式鉆削中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第1章緒論1.1數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)字控制是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控 (Numerical Control, NC).數(shù)控機(jī)床是指采用了數(shù)控技術(shù)控制的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，也可稱(chēng)作NC 機(jī)床。由于現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的，因此，數(shù)控機(jī)床又稱(chēng)CNC機(jī)床。1.2數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、程序載體、輸入輸出裝置、強(qiáng)電控制裝置、輔助裝置、和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤(pán)直接手動(dòng)輸

2、入。1.3數(shù)控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)的機(jī)床制造工業(yè)完全是在解放后建立起來(lái)的，現(xiàn)在，我國(guó)的機(jī)床工業(yè)已經(jīng)從無(wú)到有，從小到大的成長(zhǎng)起來(lái)了，形成了比較完整的機(jī)床體系。目前我國(guó)的機(jī)床產(chǎn)量不斷的上升，完全的可以滿(mǎn)足社會(huì)的需求，并有大量的機(jī)床出口，但是我國(guó)的機(jī)床技術(shù)水平和世界現(xiàn)進(jìn)的水平還有一定的差距，主要表現(xiàn)在生產(chǎn)率低，壽命短和質(zhì)量不穩(wěn)定，此外在掌握某些重型機(jī)床，精度高的機(jī)床及數(shù)控機(jī)床方面，還需要進(jìn)一步的努力，我國(guó)想達(dá)到發(fā)達(dá)的水平就必須發(fā)奮圖強(qiáng)，努力的工作，還需做進(jìn)一步的努力，深入廣泛的開(kāi)展科學(xué)的研究技術(shù)的革命，要善于吸取國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，并和自己的創(chuàng)新結(jié)合起來(lái)，以加快我們的發(fā)展速度，把我國(guó)的機(jī)床事業(yè)推向

3、輝煌。隨著電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。大地推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，但是結(jié)合我國(guó)的國(guó)情普遍機(jī)床仍占有很突出的地位，普通車(chē)床的萬(wàn)能性大，它適用加工各種軸類(lèi)，套筒類(lèi)和盤(pán)類(lèi)零件上的回轉(zhuǎn)面，如外圓柱面，圓錐面，環(huán)槽類(lèi)及成型回轉(zhuǎn)表面；車(chē)削端面及加工各類(lèi)常用的公制，英制，模數(shù)制和節(jié)制螺紋；在普通車(chē)床上還能作鉆孔，擴(kuò)孔，鉸孔，滾花等工作。用處很廣，考慮到我國(guó)的勞動(dòng)力眾多，和一些企業(yè)的資金和技術(shù)能力普通機(jī)床還是很有市場(chǎng)的，普通機(jī)床按照它們的萬(wàn)能程度分為( 1)專(zhuān)門(mén)化機(jī)床，這類(lèi)機(jī)床重要用于加工不同尺寸的一類(lèi)或幾類(lèi)零件的特定工序。( 2)通用機(jī)床，這種機(jī)床的加工范圍廣，在這種機(jī)床上可以加工各

4、種零件的不同工序，例如普通車(chē)床，臥式車(chē)床，萬(wàn)能升降臺(tái)銑床等，都屬于通用機(jī)床，通用機(jī)床由于萬(wàn)能性較大，它的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，通用機(jī)床主要適用于單量小批生產(chǎn)。( 3)專(zhuān)用機(jī)床，這類(lèi)機(jī)床是加工某一種零件的特定工序，例如：加工汽車(chē)后橋蓋的組合鏜床，機(jī)床主軸箱專(zhuān)用鏜床等等，都是專(zhuān)用機(jī)床，專(zhuān)用機(jī)床是根據(jù)工藝要求專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，它的生產(chǎn)率比較高，機(jī)床的自動(dòng)化的程度往往也比較高，所以專(zhuān)用機(jī)床主要用于成批及大量生產(chǎn)1-3 。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著它的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（ IT 、汽車(chē)、輕工等）的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)?/p>

5、這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。當(dāng)前世界上數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：( 1)高速度高精度化速度和精度是數(shù)控系統(tǒng)地兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)，高速度化，首先是要求計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在讀入加工指令數(shù)據(jù)后，能高速度處理并計(jì)算出伺服電機(jī)的位移量，并要求伺服電機(jī)高速度的作出反應(yīng)；其次，要是下生產(chǎn)系統(tǒng)的高速度化，必須使主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、刀具交換、托盤(pán)交換等各種關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)高速度化。提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，一般是通過(guò)減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用補(bǔ)償技術(shù)來(lái)達(dá)到。在減少數(shù)控系統(tǒng)誤差方面，一般采取三種方法：1 提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給；2 提高

6、位置檢測(cè)精度； 3 位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線(xiàn)性控制。在采用補(bǔ)償技術(shù)方面，除采用間隙補(bǔ)償、絲杠螺距補(bǔ)償和刀具補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)外，還可以采用熱變形補(bǔ)償技術(shù)4 。( 2)多功能化一機(jī)多能的數(shù)控系統(tǒng)，可以最大限度的提高設(shè)備的利用率。數(shù)控加工中心（ Machining Center-MC ）便是一種能實(shí)現(xiàn)多工序加工的數(shù)控機(jī)床。這類(lèi)數(shù)控系統(tǒng)控制的機(jī)床，一般配有機(jī)械手和刀具庫(kù)（可存放16100 把刀具）。工件一經(jīng)裝夾，數(shù)控系統(tǒng)就能控制機(jī)床自動(dòng)的更換刀具，連續(xù)對(duì)工件的各個(gè)加工面完成銑削、鉸孔、擴(kuò)孔及攻螺紋等多工序加工，從而可以避免多次裝夾所造成的定位誤差。這樣減少了設(shè)備臺(tái)數(shù)、工件夾具和操作人員，節(jié)省了占地面積

7、和輔助時(shí)間。為了提高效率，新型數(shù)控機(jī)床在控制系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)上也有所改革。例如，采取多系統(tǒng)混合控制方式，用不同的切削方式（車(chē)、鉆、銑、攻螺紋等）同事加工零件的不同部件等?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)控制軸數(shù)多達(dá) 15 軸，同事聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)已達(dá)到6 軸5。(3) 智能化數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用高技術(shù)的重要目標(biāo)是這能化。智能化技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(a) 引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)（Adaptive Control-AC ）的目的是要求在隨機(jī)的加工過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過(guò)程中所測(cè)得的工作特征、狀態(tài)，按照給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)自動(dòng)校正自身的工作參數(shù)，以達(dá)到或接近最佳的工作狀態(tài)。通常數(shù)控機(jī)床是按照預(yù)先編好的程序進(jìn)行控制，但

8、隨機(jī)因素，如毛坯余量和硬度的不均勻、刀具的磨損等難以預(yù)測(cè)。為了確保質(zhì)量，勢(shì)必在編程時(shí)采用較保守的切削用量，從而降低了加工效率。AC 系統(tǒng)可對(duì)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并由CPU 進(jìn)行比較運(yùn)算后發(fā)出修改主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量大小的信號(hào)，確保AC 處于最佳切削用量狀態(tài)，從而在保證質(zhì)量條件下使加工成本最低或生產(chǎn)率最高6 。（ b） 附加人機(jī)械化自動(dòng)編程功能建立切削用量專(zhuān)家系統(tǒng)和示數(shù)系統(tǒng)，從而達(dá)到提高編程效率和降低對(duì)編程人員技術(shù)水平的要求。（ c） 具有設(shè)備故障診斷功能數(shù)控系統(tǒng)出了故障，控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行自診斷，并自動(dòng)采取排除故障的措施，以適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人操作環(huán)境的要求。(4

9、) 小型化蓬勃發(fā)展的機(jī)電一體化設(shè)備，對(duì)CNC 系統(tǒng)提出了小型化的要求，體積小型化便于將機(jī)、 電裝置糅合為一體。 日本新開(kāi)發(fā)的FS16 和 FS18 都采用了三維安裝方法，使電子元器件得以高精度的安裝，縮小了新型TFT彩色液晶薄型顯示器，使CNC 系統(tǒng)進(jìn)一步小型化，這樣可更方便地將它們裝到機(jī)械設(shè)備上 7 。1.4設(shè)計(jì)的目的與意義在機(jī)床加工中鉆床的加工工作量在總制造工作量中占有很大的比量。鉆床為孔加工機(jī)床，按其機(jī)構(gòu)形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等。主要用來(lái)進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻絲等。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的機(jī)械制造工業(yè)中孔類(lèi)加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來(lái)完成，但是傳統(tǒng)的鉆床在大批生

10、產(chǎn)時(shí)存在許多的不足之處：(1) 自動(dòng)化程度不高，難以進(jìn)行大批量生產(chǎn)；(2) 工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；(3) 占用人力較多，操作固定不交易出錯(cuò)；(4) 精度不高，工件裝夾費(fèi)時(shí)；(5) 加工產(chǎn)品質(zhì)量不高。再生產(chǎn)過(guò)程中，手動(dòng)的操作、繁瑣的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的生產(chǎn)流程導(dǎo)致了鉆床加工的自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低、共作環(huán)境惡劣和產(chǎn)品質(zhì)量不高，因此，我們需要解決的問(wèn)題在于如何實(shí)現(xiàn)鉆削加工的自動(dòng)化、減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其他工藝流程相結(jié)合同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題7 。針對(duì)以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，我們有必要在傳統(tǒng)鉆床的基礎(chǔ)上研究出新型數(shù)控鉆床立式鉆銷(xiāo)中心。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)鉆床手動(dòng)的進(jìn)

11、給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，假如新技術(shù)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及工作量。鉆銷(xiāo)中心具有自動(dòng)換刀功能，可減少工件在機(jī)床上的兩次安裝，提高加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。鉆銷(xiāo)中心適用于機(jī)械制造各行業(yè)中的中小型零件的孔、平面加工，并可加工平面凸輪 8 。第 2 章總體設(shè)計(jì)方案的確定2.1設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)從角度入手，主要對(duì)主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)分析，確定出主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括以下三部分，并對(duì)其提出設(shè)計(jì)方案，方案如下：1.傳動(dòng)系統(tǒng)主軸的調(diào)速取消了齒輪變速機(jī)構(gòu)，而是由交流電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，且主軸與電機(jī)軸之間采用帶傳動(dòng)。主軸上的傳動(dòng)件，

12、主要有齒輪和帶。齒輪能夠傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，是一般機(jī)床常用的傳動(dòng)副。但其線(xiàn)速度不能太高，傳動(dòng)也不夠平穩(wěn)。對(duì)于較高速主軸，用帶傳動(dòng)可以使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。本次設(shè)計(jì)采用多楔帶傳動(dòng)。多楔帶兼有 V 平帶和 V 帶的優(yōu)點(diǎn)：柔性好， 摩擦力大，能傳遞的功率大，并解決了多根 V 帶長(zhǎng)短不一使各帶受力不均的問(wèn)題。多楔帶主要用于傳遞功率較大而結(jié)構(gòu)要求緊湊的場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá)10，帶速可達(dá) 40ms. 本次設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為 3000rmin ，為較高速的傳動(dòng)，故選擇多楔帶傳動(dòng)合適9 。主軸上的傳動(dòng)件，主要由齒輪和帶。齒輪能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，是一般機(jī)床常用的傳動(dòng)副。缺點(diǎn)是線(xiàn)速度不能太高，傳動(dòng)也不夠平穩(wěn)。通常，線(xiàn)速度V 12-15m

13、s。為使主軸運(yùn)行平穩(wěn)，可采用斜齒輪。螺旋傾角一般不宜超過(guò)15° - 20°，以免引起有太大的軸向分力。主軸上盡量不要有華裔齒輪或其它活裝零件（如離合器） ，以免因軸頸與活裝零件孔間有間隙而引起震振動(dòng)。齒輪與主軸最好用圓錐配合。較高速的主軸，用帶傳動(dòng)可使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在帶傳動(dòng)中，常用的有平帶傳動(dòng)、 V 帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等。平帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，帶輪也容易制造，在傳動(dòng)中心距較大的情況下應(yīng)用較多。 常用的平帶有帆布芯平帶、編織平帶（棉織、毛織和縫合棉布帶） 、棉綸片復(fù)合平帶等數(shù)種。其中以帆布芯平帶應(yīng)用最廣，它的規(guī)格可查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)。在一般的機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的是 V

14、 帶傳動(dòng)。 V 帶的橫截面呈等腰梯形， 帶輪上也做出相應(yīng)的輪槽。傳動(dòng)時(shí)， V 槽只和輪槽的兩個(gè)側(cè)面接觸，即以?xún)蓚?cè)面為工作面。根據(jù)槽面摩擦的原理，在同樣的張緊力下， V 帶傳動(dòng)較平帶傳動(dòng)能產(chǎn)生更大的摩擦力，這是 V 帶傳動(dòng)性能上的最主要優(yōu)點(diǎn)。再加上 V 帶傳動(dòng)允許的傳動(dòng)比較大，結(jié)構(gòu)較緊湊，以及 V 帶多以標(biāo)準(zhǔn)化并能大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而 V 帶傳動(dòng)的應(yīng)用比平帶傳動(dòng)廣泛的多。多楔角兼有 V 平帶和 V 帶的優(yōu)點(diǎn)：柔性好，摩擦力大，能傳遞的功率大，并解決了多根 V 帶長(zhǎng)短不一而使各帶受力不均的問(wèn)題。多楔角主要由于傳遞功率較大而結(jié)構(gòu)要求緊湊的場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá) 10，帶速可達(dá) 40ms.傳動(dòng)帶易拉長(zhǎng)和磨損

15、， 設(shè)計(jì)時(shí)必須注意能調(diào)解中心距；磨損后易于更換；有可靠的防護(hù)裝置以及防止與油接觸受侵蝕。當(dāng)線(xiàn)速度 v 30ms 時(shí)，可用 V形帶、多楔角或同步齒形帶；v30ms 時(shí)，可用橡膠或皮革平帶；v 35ms時(shí)，可用絲（天然絲、滌綸絲）織呆由于本設(shè)計(jì)為較高速主軸，線(xiàn)速度v30ms，故選用多楔角運(yùn)動(dòng)10 。2. 主軸進(jìn)給系統(tǒng)傳統(tǒng)的鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒箱套、齒輪齒條和軸承等組成。 主軸在加工時(shí)即要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也要做軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的主軸被安裝在主軸的套筒內(nèi)，套筒安置在主軸箱體孔的箱套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接。機(jī)床加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則有齒輪通過(guò)齒條帶動(dòng)套筒在箱套

16、內(nèi)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中采用了半閉環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度略低，但是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且調(diào)整方便。3. 夾緊系統(tǒng)傳統(tǒng)鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊工件。為了便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，主軸內(nèi)部刀具的自動(dòng)加緊，則采用了碟形彈簧與氣壓傳動(dòng)技術(shù)。2.2方案的可行性分析鉆銷(xiāo)中心的設(shè)計(jì)特點(diǎn)采用本文提出的設(shè)計(jì)方案，所設(shè)計(jì)出的鉆銷(xiāo)中心具有如下特點(diǎn)：(1)自動(dòng)化程度較高鉆銷(xiāo)中心不僅具有一般數(shù)控鉆床的自動(dòng)加工功能，而且裝有轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)，可以自動(dòng)更換刀具，進(jìn)行多工序加工。由于采用了半閉環(huán)、連續(xù)輪廓控制的數(shù)控系統(tǒng)，可進(jìn)行輪廓控制的銑削工序。當(dāng)配有工業(yè)機(jī)器人時(shí)，尚可自動(dòng)裝卸工件，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)。(2)加工效率高為了

17、適應(yīng)各種材料、各種尺寸的零件加工，采用了寬調(diào)速電機(jī)，使主軸調(diào)速范圍寬， 最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000rmin 。適合進(jìn)行高速切削，以減少加工時(shí)的切削時(shí)間。機(jī)床快速定位速度也較高，工作臺(tái)X向和Y向快速進(jìn)給速度可達(dá)15rmin . 主軸箱垂直上下（ Z 向）快速進(jìn)給速度可達(dá)10rmin .自動(dòng)換刀時(shí)間一般為5s，可縮短加工的輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)率。(3)維修方便在主機(jī)上沒(méi)有齒輪傳動(dòng)、沒(méi)有液壓傳動(dòng)，應(yīng)用了高壽命的直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌及滾珠絲杠螺母副，是日常維修大大簡(jiǎn)單化，維修方便。使用此中機(jī)電一體化設(shè)備，可減少工件在機(jī)床建的兩次安裝，提高加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本11 。本設(shè)

18、計(jì)的創(chuàng)新之處1.軸承配置為適應(yīng)高崗度要求，前、后支撐都采用了圓錐滾子軸承，背靠背安裝，前面兩個(gè)軸承大口朝向主軸前端，后一個(gè)軸承大口朝向主軸尾端。2.自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)由機(jī)械傳動(dòng)改為氣壓傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)相比具有動(dòng)作迅速，調(diào)節(jié)方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，不存在介質(zhì)變質(zhì)以及補(bǔ)充等問(wèn)題。氣壓傳動(dòng)以空氣為工作介質(zhì)，綠色環(huán)保。氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化12 。第 3 章鉆削中心主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主軸的基本尺寸參數(shù)的確定1.主軸平均直徑主軸前支承軸徑D1 ，根據(jù)機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定。已知鉆削中心主電動(dòng)機(jī)功率為 5.5kW 。查實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)圖3-30 ，選取前

19、支承軸徑D1 80mm，后支承軸徑 D 2 70mm 。主軸當(dāng)前平均直徑D1D 275mm。D22.主軸內(nèi)孔直徑主軸的內(nèi)孔直徑用于通過(guò)刀具夾緊裝置固定刀具傳動(dòng)氣動(dòng)或液壓卡盤(pán)等。主軸內(nèi)孔直徑越大，主軸部件相對(duì)重量也越輕。主軸孔徑大小主要受主軸剛度制約。主軸孔徑與主軸直徑之比，小于0.5 是空心主軸的剛度幾乎與實(shí) 心主 軸剛 度相 當(dāng) 。 考慮 碟 形彈 簧 的 設(shè)計(jì) 取 d25.4mm 。 校 核壁 厚d / D25.4/ 750.5 。所以， d 取 25.4mm合適。3.主軸前端懸伸量的選擇主軸懸伸量是指主軸前支承徑向反力作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離，見(jiàn)圖2-1。無(wú)論從理論分析還是從

20、實(shí)際測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，主軸懸伸量 a值愈小愈能提高主軸部件的剛度。因此，確定主軸懸伸量a 的原則是在滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)要求的前提下，盡可能取小值。查實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表3-8。a/ D11.5a1.5 80120mm實(shí)際取 a96mm。4.主軸合理跨距的選擇主軸前支承點(diǎn)至主軸后支承點(diǎn)之間的距離稱(chēng)為跨距l(xiāng) ，見(jiàn)圖 3-1。圖 3-1 主軸支承跨距及懸伸量主軸組件的支承跨距對(duì)主軸本身剛度和對(duì)支承剛度有很大的影響。根據(jù)數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)所介紹如下經(jīng)驗(yàn)公式D 4d 4K 530l 3(3-1)式中 K 剛度值，其下限值250N/m, 精密機(jī)床 K 值為 500N/m；D 主軸平均外徑，單位mm；d 主軸平均內(nèi)徑，即中

21、空主軸平均內(nèi)徑，單位mm；l 主軸軸承支承跨距，單位mm。530 D4d 4則有：l3K計(jì)算得： l320.98mm ，考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)，取 l 350mm 。主軸端部結(jié)構(gòu)加工中心主軸的軸端用于安裝夾具和刀具。要求夾具和刀具在軸端定位精度高、定位剛度高、裝卸方便，同時(shí)使主軸的懸伸長(zhǎng)度短。短錐法蘭結(jié)構(gòu)有很高的定位精度，主軸的懸伸長(zhǎng)度短，大大提高了主軸的剛度。查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)卷3 表 6.1-36，查得主軸端部結(jié)構(gòu)以及主要尺寸如表3-1：表 3-1 主軸端部結(jié)構(gòu)尺寸d2d1LD2l 1D169.85mm39.6mm27mm147mm128.57mm25mm主軸端部有四個(gè)螺紋孔是用來(lái)裝端銑刀的，另外有兩

22、個(gè)端面鍵是用來(lái)固定刀的周向的轉(zhuǎn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖3-215 。圖 3-2 主軸端部結(jié)構(gòu)主軸刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)是加工中心必不可少的機(jī)構(gòu)。加工中心自動(dòng)換刀，所以，主軸系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)松開(kāi)和夾緊刀具的功能。刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)安裝在主軸內(nèi)部，本設(shè)計(jì)采用如圖3-3 所示的刀桿拉緊機(jī)構(gòu)。1. 刀柄2. 鋼球3. 拉桿圖 3-3 刀桿拉緊機(jī)構(gòu)1. 鋼球2. 拉桿3. 碟形彈簧4. 滑塊5. 螺母6. 汽缸7. 活塞桿8. 行程開(kāi)關(guān)圖 3-4 刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)示意圖刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)安裝在主軸的內(nèi)部，如圖3-4所示，刀柄由兩個(gè)鋼球夾持，碟形彈簧3 通過(guò)滑塊4、螺母5，在拉桿2 上的鋼球1 作用下

23、，將刀柄拉緊。當(dāng)換刀時(shí)， 要求松開(kāi)刀柄， 此時(shí)將主軸上端汽缸的上腔通壓縮空氣，活塞桿 7 及拉桿向下移動(dòng)，同時(shí)壓縮碟形彈簧，當(dāng)拉桿下移到使刀具松開(kāi)的位置，刀具即可由機(jī)械手更換。待新刀裝入后，汽缸上腔停止供氣，活塞桿在圓柱螺旋彈簧力的作用下上移，在碟形彈簧作用下拉桿帶動(dòng)鋼球上移，重新將刀柄拉緊?；钊麠U移動(dòng)的兩個(gè)極限位置分別設(shè)有行程開(kāi)關(guān)8，作為刀具夾緊和松開(kāi)的信號(hào)。主軸的驗(yàn)算1.主軸剛度驗(yàn)算(1) 計(jì)算當(dāng)量直徑圖 3-5 主軸尺寸示意圖主軸尺寸示意圖，如圖3-5 所示；其中 l125mm,l 2192mm,l3172mm,l4166mmd1 128.5mm,d280mm, d376mm,d470m

24、md1l1d 2l 2d3l 3d 4l4當(dāng)量直徑 dlll1l 2l 3l 4 555mm由此計(jì)算可得：128.525801927617270166d77.954mm 78mm555(2) 剛度計(jì)算主軸前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不計(jì)。后懸伸部分不影響剛度，也可不計(jì)。如主軸前端作用一外載荷F ，則主軸前端撓度y 為：Fa 2l(3-2)y3EI式中F 外載荷，單位 N ；a 前懸伸，等于外載荷作用點(diǎn)至支承點(diǎn)間的距離，單位mm；l 跨距，等于前后支撐點(diǎn)間的距離，單位mm；E 彈性模量，鋼為E2 10 5 , 單位 MPa；I 截面慣性矩，I0.05 d 4di4, 單位：mm；d

25、,di 主軸的外徑和孔徑，單位mm。圖 3-6 主軸受力示意圖將 E 及 I 之值代入上式可得Fa 2 lydi430 d 4如果 di0.5d ，則孔的影響可以忽略，即yFa 2lm30d 4彎曲剛度 K yF30(d 4di4 )Kya 2ly所以，當(dāng) di0.5d 時(shí)，則ky30 d 4N ma 2l本設(shè)計(jì)： d77.954mm, di 25.4mm, a96mm,l 350mm ;d i0.5d ，所以30d 43077.9544K y96 2350343.45 N ma2 l2.主軸扭轉(zhuǎn)剛度驗(yàn)算對(duì)鉆床等以扭轉(zhuǎn)變形為主的主軸，還要驗(yàn)算其扭轉(zhuǎn)剛度。通常要求其扭轉(zhuǎn)角在（ 2025） D 的

26、長(zhǎng)度內(nèi)不超過(guò)1 ，即：TL1801(3-3)GI R式中T 主軸傳遞最大扭矩，單位N cm ；T 9549 P (N m)954900 5.5867.4N cmn6000L 計(jì)算長(zhǎng)度，取25D，單位 cm 。 D7.8cm ；L 25 7.8195cm；G 剪切彈性模量，鋼料為8.1 10 6 Ncm4 ；I R 截面極慣性矩，對(duì)于圓截面I R0.1D 4 ，單位為 cm4 ；D 主軸當(dāng)量直徑， D7.8cm。代入上式得：867.371951803.210 318.1106370.153.14故滿(mǎn)足扭轉(zhuǎn)剛度的要求。3.主軸臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·軸及其連接表5-

27、1-47 ：一階臨界轉(zhuǎn)速n1的計(jì)算公式如3-4 式，計(jì)算示意圖如圖3-7。ncr19.521041d 2（3-4）232W0l1C j3GjC j l 0式中Gj 外伸端第 j 個(gè)圓盤(pán)重力， N ； 本設(shè)計(jì)中，外伸端圓盤(pán)為帶輪，其重力估算如下：G7.851031002702309.8110 937NW0 軸的重力， N ；對(duì)實(shí)心鋼軸， W060.5 106 d 2l ；對(duì)空心鋼軸應(yīng)乘以12。本軸為空心軸，由前面計(jì)算知：d77.954mm, l555mm則有：W060.510 677.954 255512182.57N； 空心軸內(nèi)徑 d0 與外徑d 之比，25.40.326 ；77.954l 軸

28、的全長(zhǎng)，l =555mm ；l 0 支撐跨距， l0350mm ；C j 外伸端第j 個(gè)圓盤(pán)至支承間的距離，mm ; C170mm;1 臨界系數(shù)1,2 外伸端長(zhǎng)度與軸長(zhǎng)之比，960.17,109；120.20555555當(dāng) 1 0.17, 2 0.20 時(shí)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·軸及其聯(lián)接表5-1-49， l 1 = 21.89 。圖 3-7 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算示意圖將以上數(shù)據(jù)代入 （ 3-1）式可得： ncr13695224r / min, ，n=3000r/min ,對(duì)于剛性軸n0.75ncr12771643r / minn3000r / min0.75ncr1 ，滿(mǎn)足臨界

29、轉(zhuǎn)速條件。主軸材料和熱處理的選擇評(píng)價(jià)和考慮主軸主要尺寸參數(shù)的依據(jù)是主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適用范圍。主軸材料的選擇主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、耐磨性、熱處理變形大小等因素確定。主軸的剛度與材料彈性模量E 有關(guān)，鋼的E 值較大（ 2.1 107 N/cm 2 左右），所以主軸材料首先考慮鋼料。值得注意的是鋼的彈性模量E 的數(shù)值與鋼的種類(lèi)和熱處理方式無(wú)關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量基本相同。因此在選擇鋼料時(shí)應(yīng)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼（如 45 鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時(shí)，或者精密機(jī)床主軸需要減小熱處理后的變形時(shí)，或者軸向移動(dòng)的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮選用合金鋼。

30、當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸可以不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少45 鋼主軸軸頸仍進(jìn)行高頻淬火（ 4854HRC ） 9 。當(dāng)采用滑動(dòng)軸承時(shí)，為減少磨損，軸頸表面必須有很高的硬度。因此，通常在軸頸處進(jìn)行高頻淬火；對(duì)大直徑主軸（ 350400mm）也可用火焰淬火來(lái)提高表面硬度；對(duì)于受較大沖擊的主軸，可用15 或 20 號(hào)鋼，并在軸頸表面滲碳、淬火及回火。主軸材料常采用的有45 號(hào)鋼、 GCr15 等，需經(jīng)滲氮和感應(yīng)加熱淬火。由于本次設(shè)計(jì)主軸承受載荷為中重載荷，所以材料選用45 號(hào)鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。3.2主軸傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)傳動(dòng)方式的選擇主軸上的傳動(dòng)件，主要有齒輪和帶。

31、齒輪能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，是一般機(jī)床常用的傳動(dòng)副。缺點(diǎn)是線(xiàn)速度不能太高，傳動(dòng)也不夠平穩(wěn)。通常，線(xiàn)速度V 12 - 15m / s 。為使主軸運(yùn)行平穩(wěn)，可采用斜齒輪。螺旋傾角一般不宜超過(guò)150 - 20 0 ，以免引起有太大的軸向分力。主軸上盡量不要有滑移齒輪或其它活裝零件（如離合器） ，以免因軸頸與活裝零件孔間有間隙而引起振動(dòng)。齒輪與主軸最好用圓錐配合。較高速的主軸，用帶傳動(dòng)可使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在帶傳動(dòng)中，常用的有平帶傳動(dòng)、 V 帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等。平帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，帶輪也容易制造，在傳動(dòng)中心距較大的情況下應(yīng)用較多。 常用的平帶有帆布芯平帶、編織平帶（棉織、毛織和縫合棉布帶） 、錦綸片復(fù)

32、合平帶等數(shù)種。其中以帆布芯平帶應(yīng)用最廣，它的規(guī)格可查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)。在一般機(jī)械傳動(dòng)中，應(yīng)用最廣泛的是 V 帶傳動(dòng)。 V 帶的橫截面呈等腰梯形， 帶輪上也做出相應(yīng)的輪槽。傳動(dòng)時(shí)， V 帶只和輪槽的兩個(gè)側(cè)面接觸，即以?xún)蓚?cè)面為工作面。根據(jù)槽面摩擦的原理，在同樣的張緊力下， V 帶傳動(dòng)較平帶傳動(dòng)能產(chǎn)生更大的摩擦力，這是 V 帶傳動(dòng)性能上的最主要優(yōu)點(diǎn)。再加上 V 帶傳動(dòng)允許的傳動(dòng)比較大，結(jié)構(gòu)較緊湊，以及 V 帶多已標(biāo)準(zhǔn)化并能大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而 V 帶傳動(dòng)的應(yīng)用比平帶傳動(dòng)廣泛得多。多楔帶兼有 V 平帶和 V 帶的優(yōu)點(diǎn)：柔性好，摩擦力大，能傳遞的功率大，并解決了多根 V 帶長(zhǎng)短不一而使各帶受力不均的問(wèn)題

33、。多楔帶主要用于傳遞功率較大而結(jié)構(gòu)要求緊湊的場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá) 10，帶速可達(dá)40ms。傳動(dòng)帶易拉長(zhǎng)和磨損， 設(shè)計(jì)時(shí)必須注意能調(diào)節(jié)中心距；磨損后易于更換；有可靠的防護(hù)裝置以防止與油接觸受侵蝕。當(dāng)線(xiàn)速度v30m/s 時(shí)，可用V 形帶、多楔帶或同步齒形帶；v30m/s 時(shí)，可用橡膠或皮革平帶；v35m/s 時(shí)，可用絲（天然絲、錦綸絲或滌綸絲）織帶。由于本設(shè)計(jì)為較高速主軸，線(xiàn)速度 v30m/s ，故選用多楔帶傳動(dòng)。多楔帶帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算基本設(shè)計(jì)參數(shù)：由設(shè)計(jì)要求n3000r / min, p5.5 kW ；本次設(shè)計(jì)選用傳動(dòng)比為 1。1.設(shè)計(jì)功率pdpk5.51.26.6 kW查現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)13 5.1

34、-17， K1.2。 K工況系數(shù)。2.帶型的選擇根據(jù)所算的設(shè)計(jì)功率，查現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)13 表5.1-20，選用PJ型多楔帶。3.小帶輪直徑的確定根據(jù)帶型與設(shè)計(jì)功率，查現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)13 表5.1-78，小帶輪節(jié)圓直徑dp1100mm 。4.大帶輪基準(zhǔn)直徑的確定根據(jù)帶型與設(shè)計(jì)功率，查現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)13dd 2id d1 (1 )98mm查現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)13 ，可知通常0.02d d 2 按現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)13 表 5.1-18圓整得： d d2100mm 。5.帶速的計(jì)算vd d1 n1vmax（3-5）601000v31.4m/ s, vmax35 40m / s ，查現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)

35、13 表 5.1-67 ，進(jìn)行動(dòng)平衡 e 3 3.5m, e0.01mm 。6.初定中心距 a00.7(d d1 dd 2 ) a0 2(dd1 dd2 )（ 3-6）140a0400取 a0 350mm 。7.所需基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld0Ld 0 2a0( dd1d d 2 )(dd1dd 2 )24a01014mm（3-7）2查現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)13 表5.1-70 選取近似值Ld 01016mm8.實(shí)際中心距 aaa0LdLd0（ 3-8）2a373mm9.小帶輪包角118010. 楔數(shù) ZZK A P（ 3-9）P1P1K a K A式中K A 工作情況系數(shù)，查表5.1-17， k A1.2；P

36、傳遞的功率 p 5.5 kW ；P1 每楔的基本額定功率，查表5.1-775.1 81:p1 0.917 kW ；P1 當(dāng) i=1 時(shí)， P10 ；K b 彎曲影響系數(shù)，查表5.1 75， kb0.0694 10 7 ；K i 傳動(dòng)比系數(shù)，查表5.1 76， K i 1.0654；n1 小帶輪轉(zhuǎn)速， n13000r/min ；K a 小輪包角系數(shù)，見(jiàn)圖5.1 6， K a =1.0 ；K L 帶長(zhǎng)系數(shù)，見(jiàn)表5.174， K L 1.08 。計(jì)算得： Z 5.32 ，取 Z6 。多楔帶的選擇及帶輪尺寸參數(shù)的確定1.多楔帶帶輪的參數(shù)多楔帶的帶輪常采用 HT200 制造，當(dāng)帶速超過(guò) 30ms 時(shí)，常

37、采用35 或45 號(hào)鋼制造。查現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)13 表 5.1-82，具體參數(shù)見(jiàn)表3-2，表 3-2帶輪參數(shù)表帶型槽間距 p實(shí)際槽深 h輪槽角最小邊距 sPJ2.34+0.03mm21.500.38 mm40 0.51.8mm帶型最小槽頂圓角最大槽根圓角節(jié)線(xiàn)差 a帶輪寬度 B半徑 rl半徑 rbPJ0.2mm0.4mm1.2mm15.3mm帶輪寬度 B(Z1) P2S52.342 1.815.3mm帶輪示意圖如圖3-8 所示。圖 3-8 帶輪示意圖2. 多楔帶的選擇查現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)表5.1-69，可得多楔帶參數(shù)，具體見(jiàn)表3-3。表 3-3多楔帶參數(shù)表帶型節(jié)距 Pb帶高 H計(jì)算齒高楔角楔根 R

38、1楔頂 R2h0PJ2.34mm4.0mm3.21mm40°0.4mm0.2mm寬度 bZPb62.3414.04 mm。傳動(dòng)帶在主軸上的位置查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)卷3 表 6.1-5，主軸采用帶傳動(dòng)時(shí)，為了便于更換帶和防止皮帶沾油，帶輪通常裝在主軸后支承外側(cè)。如圖3-9 所示。1. 帶輪 2. 多楔帶 3. 主軸圖 3-9 傳動(dòng)件位置示意圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主電動(dòng)機(jī)功率為5.5kW ， n180 3000rmin 。查數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)14 表 4-17，選取交流變頻調(diào)速電機(jī)，其基本參數(shù)如表3-4。表 3-4 電機(jī)參數(shù)表型號(hào)極數(shù)額定功率額定電流同步轉(zhuǎn)速YTPS132S-445.5k

39、W18A180-3000rmin查表 4 18，其外形安裝尺寸如下表3-5。表 3-5電機(jī)安裝尺寸參數(shù)表機(jī)座號(hào)DEGGDLAB90L32mm50mm20mm7mm340mm180mm具體外形如圖3-10 所示。圖 3-10電機(jī)外形尺寸圖3.3主軸軸承主軸軸承的選用主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。常用的主軸軸承有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承的摩擦力小，可以預(yù)緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速和載荷變動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。滾動(dòng)軸承由專(zhuān)業(yè)化工廠(chǎng)生產(chǎn)，選購(gòu)維修方便。但與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的噪聲大，滾動(dòng)體數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震性略差并且對(duì)轉(zhuǎn)速有很大限制。加工中心主軸組件在可能條件下，盡量使用滾動(dòng)軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠做軸向移動(dòng)的主軸。本次設(shè)計(jì)選用圓錐滾子軸承。查實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表3.8-52 選用型號(hào)為 32016 的圓錐滾子軸承，其基本參數(shù)表3-6。表 3-6軸承基本參數(shù)表極限轉(zhuǎn)速dDBCrCor