典型的立式小型加工中心主傳動系統(tǒng)設計

1、有圖有真相，包含二維、三維圖，全套齊全，需要的加QQ435054557有圖有真相，包含二維、三維圖，全套齊全，需要的加QQ435054557 題目： 小 型 加 工 中 心 主 傳 動 系 統(tǒng) 的 設 計 姓名 學院 專業(yè) 班級 學號 指導老師 職稱 教研室主任 基本任務及要求： 1. 小型加工中心主傳動系統(tǒng)的3D設計及設計計算； 2. 小型加工中心主傳動系統(tǒng)的3D計算機輔助裝配； 3. 小型加工中心主傳動系統(tǒng)的總裝繪制及主要零件的工程圖設計； 4. 撰寫文獻綜述（3000字、參考文獻20篇以上）、開題報告； 5. 撰寫設計說明書一份(字數15000字以上)； 6. 畢業(yè)實習及撰寫畢業(yè)實習報告

2、。 二、進度安排及完成時間： 1. 查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告（2.5周）； 2. 畢業(yè)實習及撰寫畢業(yè)實習報告（1.5周）； 3. 畢業(yè)設計（9周），其中：總體方案（2周），裝配圖的3D設計及設計計算（3.5周），零件工程圖設計（2周），小型加工中心主傳動系統(tǒng)3D虛擬裝配（1.5周）； 4. 撰寫畢業(yè)設計說明書并將初稿交導師評閱（1.5周）； 5. 指導老師評閱、學生修改及打印說明書（0.5周）； 6. 評閱老師評閱設計說明書、學生準備答辯（0.5周）； 7. 畢業(yè)答辯（0.5周）。 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326858686 摘 要

3、PAGEREF _Toc326858686 h I HYPERLINK l _Toc326858687 Abstract PAGEREF _Toc326858687 h II HYPERLINK l _Toc326858688 第1章 緒 論 PAGEREF _Toc326858688 h 1 HYPERLINK l _Toc326858689 1.1 引言 PAGEREF _Toc326858689 h 1 HYPERLINK l _Toc326858690 1.2 加工中心的基本概念和分類 PAGEREF _Toc326858690 h 2 HYPERLINK l _Toc32685869

4、1 1.3 加工中心的結構組成 PAGEREF _Toc326858691 h 3 HYPERLINK l _Toc326858692 1.4 加工中心的發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc326858692 h 3 HYPERLINK l _Toc326858693 第2章 加工中心主傳動系統(tǒng)的確定 PAGEREF _Toc326858693 h 6 HYPERLINK l _Toc326858694 2.1 加工中心主傳動系統(tǒng)簡介 PAGEREF _Toc326858694 h 6 HYPERLINK l _Toc326858695 2.2 對加工中心主傳動系統(tǒng)的要求 PAGEREF _To

5、c326858695 h 6 HYPERLINK l _Toc326858696 2.3 主傳動的類型及方案選擇 PAGEREF _Toc326858696 h 8 HYPERLINK l _Toc326858697 第3章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數計算 PAGEREF _Toc326858697 h 11 HYPERLINK l _Toc326858698 3.1 計算切削功率 PAGEREF _Toc326858698 h 11 HYPERLINK l _Toc326858699 3.2 計算主傳動功率 PAGEREF _Toc326858699 h 11 HYPERLINK l _Toc3

6、26858700 3.3 確定電動機型號 PAGEREF _Toc326858700 h 12 HYPERLINK l _Toc326858701 3.4 同步帶帶傳動的計算 PAGEREF _Toc326858701 h 12 HYPERLINK l _Toc326858702 第4章 主軸組件 PAGEREF _Toc326858702 h 16 HYPERLINK l _Toc326858703 4.1 主軸組件的性能要求 PAGEREF _Toc326858703 h 16 HYPERLINK l _Toc326858704 4.2 主軸 PAGEREF _Toc326858704 h

7、 17 HYPERLINK l _Toc326858705 4.2.1 主軸的結構參數 PAGEREF _Toc326858705 h 18 HYPERLINK l _Toc326858706 4.2.2 主軸軸端結構 PAGEREF _Toc326858706 h 19 HYPERLINK l _Toc326858707 4.2.3 主軸的材料和熱處理 PAGEREF _Toc326858707 h 20 HYPERLINK l _Toc326858708 4.2.4 主軸主要精度要求 PAGEREF _Toc326858708 h 20 HYPERLINK l _Toc326858709

8、4.2.5 主軸的結構尺寸計算 PAGEREF _Toc326858709 h 21 HYPERLINK l _Toc326858710 4.2.6 主軸受力分析 PAGEREF _Toc326858710 h 23 HYPERLINK l _Toc326858711 4.2.7 主軸的強度校核 PAGEREF _Toc326858711 h 26 HYPERLINK l _Toc326858712 4.2.8 主軸的剛度校核 PAGEREF _Toc326858712 h 27 HYPERLINK l _Toc326858713 4.3 主軸軸承 PAGEREF _Toc326858713

9、h 28 HYPERLINK l _Toc326858714 4.3.1 滾動軸承類型 PAGEREF _Toc326858714 h 28 HYPERLINK l _Toc326858715 4.3.2 主軸軸承的配置 PAGEREF _Toc326858715 h 29 HYPERLINK l _Toc326858716 4.3.3 滾動軸承的配合 PAGEREF _Toc326858716 h 30 HYPERLINK l _Toc326858717 4.3.4 主軸軸承設計計算 PAGEREF _Toc326858717 h 31 HYPERLINK l _Toc326858718 4

10、.4 鍵的設計 PAGEREF _Toc326858718 h 33 HYPERLINK l _Toc326858719 4.4.1 主軸上的鍵 PAGEREF _Toc326858719 h 33 HYPERLINK l _Toc326858720 4.4.2 主電機上的鍵 PAGEREF _Toc326858720 h 34 HYPERLINK l _Toc326858721 4.5 主軸準停裝置 PAGEREF _Toc326858721 h 34 HYPERLINK l _Toc326858722 4.6 主軸內部刀具自動夾緊機構及切屑清除裝置 PAGEREF _Toc32685872

11、2 h 35 HYPERLINK l _Toc326858723 4.7 主軸組件的潤滑與密封 PAGEREF _Toc326858723 h 35 HYPERLINK l _Toc326858724 4.8 提高主軸組件性能的措施 PAGEREF _Toc326858724 h 36 HYPERLINK l _Toc326858725 小 結 PAGEREF _Toc326858725 h 38 HYPERLINK l _Toc326858726 致 謝 PAGEREF _Toc326858726 h 39 HYPERLINK l _Toc326858727 參考文獻 PAGEREF _To

12、c326858727 h 40小型加工中心主傳動系統(tǒng)設計摘要：本文詳細介紹了立式小型加工中心主傳動系統(tǒng)的設計過程，該小型加工中心選用同步帶傳動，該種傳動方式使主傳動系統(tǒng)的結構比較簡單，而且避免了齒輪傳動的振動和噪聲。文中對小型加工中心主傳動系統(tǒng)各種傳動方案優(yōu)缺點的進行了比較、主傳動方案的選擇和確定、主傳動變速系統(tǒng)的設計計算、主軸組件的設計以及關鍵零件的校核等。關鍵詞：立式 數控機床 主傳動系統(tǒng) 主軸組件Design of the Main Driving System of Vertical Machining CenterAbstract：The design process of the

13、main driving system of vertical small machining center were introduced in detail in this paper. The small machining center used synchronous belt drive, and the features of the drive is that it enables the structure of main driving system relatively simple and avoid the vibration and noise. This pape

14、r compared the merit and demerit of all kinds of driving scheme of small machining center , chose and determined the program of the main driving system , designed and calculated speed-change of the main driving variable speed system, designed spindle subassembly and checked the critical parts.Key Wo

15、rds：Vertical CNC Main drive system Spindle subassembly第1章 緒 論1.1 引言數控機床是一類由數字程序實現控制的機床。與人工操作的普通機床相比，它具有適應范圍廣、自動化程度高、柔性強、操作者勞 動強度低、易于組成自動生產系統(tǒng)等優(yōu)點。數控機床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。數控機床起源于美國。1947年，美國帕森斯（Parsons）公司為了精確的制作直升機機翼、槳葉和飛機框架，提出了用數字信息來控制機床自動加工外形復雜零件的設想，他們利用電子計算機對機翼加工路徑進行數據處理，并考慮

16、到刀具直徑對加工路徑的影響，使得加工精度達到0.0015英寸（0.0381mm）。1949年，美國空軍為了能在短時間內制造出經常變更設計的火箭零件，與帕森斯公司和麻省理工學院（MIT）伺服機構研究所合作，于1952年研制成功世界上第一臺數控機床三坐標立式銑床，可控制銑刀進行連續(xù)空間曲面的加工，揭開了數控加工技術的序幕。很快，數控技術的應用從美國逐步推廣到歐洲地區(qū)和日本等國。我國于1958年也開始進行數控機床的研制工作，并取得了一定的成效。在某些領域，如大型車銑復合加工中心技術水平已達到了國際當代水平。近年來，帶有刀庫并能夠自動更換刀具的數控機床加工中心的發(fā)展速度十分迅速。相繼出現的雙托盤和多托

17、盤自動交換的加工中心和柔性制造單元（FMC），是由多臺加工中心、物流系統(tǒng)、工業(yè)機器人及相應的信息流和中央控制系統(tǒng)組成的柔性制造系統(tǒng)（FMS），可實現24h120h無人化運轉。辦公自動化（OA）與柔性制造系統(tǒng)（FMS）集成，實現工廠自動化（FA）生產。這些都改變了傳統(tǒng)的制造模式，使制造業(yè)朝著自動化、柔性化、集成化方向發(fā)展。數控機床成功地解決了現代產品多樣化、零件形狀復雜化、產品研制生產周期短、精度高的難題，是現代制造業(yè)的主流設備，也是關系國計民生、國防尖端建設的戰(zhàn)略物資。數控機床是一種高效能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產品。與普通機床相比，數控機床具有如下一些優(yōu)點：易于加工異型復雜零件；

18、提高生產率；可以實現一機多用，多機看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數量；可以大大減輕工人勞動強度，減少所需工人數量等。一般來說，數控機床可分為數控車床、數控銑床、加工中心、車削中心幾類。此次畢業(yè)設計主要是針對立式加工中心主傳動系統(tǒng)設計，故以下介紹一些加工中心的應用和發(fā)展情況。1.2 加工中心的基本概念和分類1）加工中心的基本概念 在數控銑床的基礎上，如果再配以刀具庫和自動換刀系統(tǒng)，就構成加工中心。加工中心的特點是它的刀具庫能存放幾十把甚至更多的刀具，由程序控制換刀機構自動調用與

19、更換，這樣就可以在沒有人工干預的情況下，一次完成很多工藝內容。加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行許多工序加工的數控機床。在加工中心上，工件經一次裝夾后，數控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量、刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助功能，依次完成工件一個或幾個面上多工序的加工。加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調整時間，減少工件周轉、搬運和存放時間，使機床的切削利用率（切削時間和開放時間之比）可達80%以上，高于普通機床3-4倍。尤其是在加工形狀比較復雜，精度要求較高、品種更換頻繁的零件時，加工中心更體現出良好的加工效果。所

20、以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。加工中心最先是在鏜銑類機床上發(fā)展起來的，可稱為鏜銑加工中心，習慣上簡稱為加工中心。2）加工中心的分類 按照加工中心的形態(tài)不同進行分類，可分為立式、臥式和五坐標加工中心。（1）立式加工中心 立式加工中心的主軸軸心線為垂直狀態(tài)配置，結構形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，適合加工小型板類、盤類、殼體類零件。立式加工中心結構簡單，占地面積小，價格底，配備各種附件后，可進行大部分工件的加工。（2）臥式加工中心 臥式加工中心的主軸軸心線為水平狀態(tài)配置，通常都帶有可進行分度回轉運動的工作臺，適合加工箱體類零件。它與

21、立式加工中心相比，結構復雜、占地面積大、質量大、價格亦高。（3）五坐標加工中心 五坐標加工中心兼具立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側面和頂面等五個面的加工，因此也叫五面加工中心。常見的五坐標加工中心有兩種結構形式，一種是主軸可以90旋轉，另一種是工作臺可以90旋轉。1.3 加工中心的結構組成1958年美國的卡尼特富克公司在一臺數控鏜銑床上增加了自動換刀裝置，第一臺加工中心問世。隨后，出現了各種類型的加工中心，有立式加工中心、臥式加工中心、五坐標加工中心等。雖然加工中心的外型結構不盡相同，但從總體上看，加工中心基本上由以下幾部分組成：基礎部件、主軸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺

22、服系統(tǒng)、自動換刀裝置、輔助系統(tǒng)、自動托盤更換系統(tǒng)等。1）基礎部件 由床身、立柱和工作臺等大件組成，是加工中心的基礎構件，它們可以是鑄鐵件，也可以是焊接鋼結構件，均要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削載荷。故必須是剛度很高的部件，亦是加工中心質量和體積最大的部件。2）主軸組件 它是主軸箱、主軸電機、主軸和主軸軸承等零件組成。其啟動、停止和轉動等動作均由數控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關鍵部件，其結構優(yōu)劣對加工中心的性能有很大的影響。3）控制系統(tǒng) 單臺加工中心的數控部分是由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅動裝置以及電機等部分組成。它

23、們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程中的控制中心。4）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的作用是把來自數控裝置的信號轉換為機床移動部件的運動，其性能是決定機床的加工精度、表面質量和生產效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半閉環(huán)、閉環(huán)和混合環(huán)三種控制方式。5）自動換刀裝置 它由刀庫、機械手和驅動機構等部件組成。6）輔助系統(tǒng) 包括潤滑、冷卻、排屑、防護、液壓和隨機檢測系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。7）自動托盤更換系統(tǒng) 有的加工中心為進一步縮短非切削時間，配有兩個自動交換工件托盤，一個安裝在工作臺上進行加工，另

24、一個則位于工作臺外進行裝卸工件。當完成一個托盤上的工件加工后，便自動交換托盤，進行新零件的加工，這樣可減少輔助時間，提高加工工效。 1.4 加工中心的發(fā)展趨勢隨著科學技術的發(fā)展，機械產品的形狀和結構不斷改進，對零件加工質量的要求也越來越高。隨著社會對產品多樣化需求的增強，產品品種增多，產品更新換代加速。這使得數控機床在生產中得到更廣泛的應用，并不斷地發(fā)展。尤其是隨著柔性制造系統(tǒng)的迅猛發(fā)展和計算機集成制造系統(tǒng)的興起和不斷成熟，對機床CNC系統(tǒng)提出更高的要求。現代數控機床（加工中心）正在向更高速度、更高精度、更加高度自動化、更高可靠性及更完善的方向發(fā)展。1）高速度 加工中心向高速度發(fā)展的主要目的是

25、提高生產率，主要措施是提高主軸轉速、提高進給速度和縮短輔助時間等。（1）提高主軸轉速 近些年來，加工中心的主軸轉速普遍提高。中、小型加工中心的主軸最高轉速大部分提高到5000-6000r/min,有的加工中心已達到40000r/min。為此，在主軸軸承的材料、結構、潤滑方式，主軸組件的結構，電機的冷卻防振措施等方面都進行了大量工作。例如某些高速加工中心主軸采用了陶瓷流動體軸承，潤滑方式采用了油氣潤滑以及主軸系統(tǒng)進行嚴格的動平衡等。（2）提高進給速度 一般的加工中心，進給速度可達1-2m/min,快速移動速度已達33m/min，逐步靠近50m/min。為了實現高速，數控裝置可進行快速處理。例如采

26、用數控高速轉換器，將數據快速傳遞；采用32位的計算機數控裝置等。在機械結構方面也相應地采取了措施，例如采用大導程滾珠絲杠和滾動導軌等。驅動元件采用交流伺服電機也有利于提高伺服進給的速度。（3）縮短輔助時間 縮短輔助時間包括縮短換刀時間、刀具移近或離開工件的時間及工件裝卸時間等?，F在許多小型加工中心的換刀時間達到1-2s,有的已縮短到0.5s。快移速度又有所提高，以縮短刀具移近或離開工件的時間。2）高精度 在工廠的一般情況下，加工中心的加工精度可達IT7級，經過努力可以達到IT6級。鏜孔加工時，如提高主軸主件的剛度和精度，其加工孔徑公差可達IT4級。提高加工中心加工精度的主要措施是提高編程時的圓

27、弧插補精度、機床定位精度和精度補償技術。世界許多國家都在進行機床運動和負載變形誤差以及機床熱誤差的軟件補償技術的研究，有的可消除此類誤差的60%。高精度加工中心，目前已達到坐標鏜床的精度水平。所采用的數控系統(tǒng)，其最小設定單位（分辨率）可達0.1m。這類高精度加工中心，必須在恒溫、恒濕的環(huán)境中工作。3）高度自動化 為了進一步提高自動化程度，加工中心的硬件和軟件采取了許多改進措施。例如采用對話系統(tǒng)，可使操作方便、操作時間短、檢驗及時以及差錯率低。在現代數控機床上，裝有各種類型監(jiān)控、檢測裝置，實現了工件的自動檢測和刀具的監(jiān)控，從而提高了數控機床的自動化程度，保證了數控機床長時間工作時的產品質量。4）

28、可靠性的提高 由于現代機床、加工中心CNC系統(tǒng)的模塊化、通用化和標準化，便于組織批量生產，故可保證產品質量?，F代CNC系統(tǒng)大量采用大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路，采用專用芯片或混合式集成電路，提高了集成度，減少了元器件數量，降低了功耗，提高了可靠性。5）采用自動程序編制技術 現代機床CNC系統(tǒng)利用其自身很強的存儲及運算能力，把很多自動編程功能植入CNC系統(tǒng)。在一些新型的CNC系統(tǒng)中，還裝入了小型工藝數據庫，使得CNC系統(tǒng)不僅具有在線零件程序編制功能，而且可以在零件程序編制過程中，根據機床性能、工件材料及零件加工要求，自動選擇最佳刀具及切削用量。有的CNC系統(tǒng)還具有自適應控制功能。第2章 加工中心主傳

29、動系統(tǒng)的確定2.1 加工中心主傳動系統(tǒng)簡介加工中心主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機）、變速裝置及執(zhí)行件（如主軸、刀架、工作臺），以及開停、換向和制動機構等組成。與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比，在結構上 比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)，用于擴大電動機無級調速的范圍。加工中心主軸系統(tǒng)具有更高的轉速、更高的回轉精度以及更高的結構剛性和抗振性。本課題的3D輔助裝配圖如下：圖2-1 3D輔助裝配圖2.2 對加工中心主傳動系統(tǒng)的要求由于加工中心具有更高的加工效率，更寬的使用范圍，更高的加工精度，因此，它的主軸系統(tǒng)必須

30、滿足如下要求。1）調速功能 為了適應不同工序、各種工件材料及刀具等各切削工藝要求，主軸必須具有一定的調速范圍并實現無級變速，以保證加工時選用合理的切削用量，從而獲得最佳切削效率、加工精度和表面質量。調速范圍的指標主要由各種加工工藝對主軸最低速度和最高速度的要求來確定。目前加工中心主軸基本實現無級變速。2）精度和剛度要求 具有較高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。加工中心加工精度與主軸系統(tǒng)精度密切相關。主軸部件的精度包括旋轉精度和運動精度。旋轉精度指裝配好后，在無載荷和低速轉動條件下，主軸前端工作部位的徑向和軸向跳動值。主軸部件的旋轉精度取決于部件中各個零件的幾何精度、裝配精度和調整精度。運動精度

31、指主軸在工作狀態(tài)下的旋轉精度，這個精度通常和靜止或低速狀態(tài)的旋轉精度有較大的差別，它表現在工作時主軸中心位置的不斷變化，即主軸軸心漂移。運動狀態(tài)下的旋轉精度取決于主軸的工作速度、軸承性能和主軸部件的平衡。靜態(tài)剛度反映了主軸部件或零件抵抗靜態(tài)外載的能力。加工中心多采用抗彎剛度作為衡量主軸部件剛度的指標。影響主軸部件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸形狀，主軸軸承的類型、數量、配置形式、預緊情況、支承跨距、主軸前端的懸伸量等。3）動態(tài)響應性能 要求升降速時間短，調速時運轉平穩(wěn)。對有的機床需同時能實現正反轉切削，則要求換向時均可進行自動加減速控制。4）抗振性和熱穩(wěn)定性要求 加工中心在加工時，由于斷續(xù)切

32、削、加工余量大且不均勻、運動部件速度高且不平衡，以及切削過程中的自振等原因引起的沖擊力和交變力的干擾，會使主軸產生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至破壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件。主軸系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產生熱變形，破壞相對位置精度和運動精度，造成加工誤差。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，保持合適的配合間隙并進行循環(huán)潤滑等。5）具有刀具的自動夾緊功能 加工中心突出的特點是自動換刀功能。為保證加工過程的連續(xù)實施，加工中心主軸系統(tǒng)與其他主軸系統(tǒng)相比，必須具有刀具自動夾緊功能。6）功率要求 要求主軸具有足夠的驅動功率或輸出轉矩，能在整個速度范圍內提供切削所需功率和轉矩，以滿足機床強力切削

33、時的要求。7）主軸定位功能要求 主軸準停功能又稱主軸定位功能（Spindle Specified Position Stop）。即當主軸停止時，控制主軸停在固定的位置，這是自動換刀所必需的功能。在自動換刀的數控鏜銑加工中心上，切削轉矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準確定位于圓周上特定角度的功能。此外，在通過前臂小孔鏜內壁的同軸大孔，或進行反倒角等加工時，要求主軸實現準停，使刀尖停在一個固定的方位上（或在X軸方向上，或在Y軸方向上），以便主軸偏移一定尺寸后大刀刃能通過前臂小孔進入箱體內對大孔進行鏜削。2.3 主傳動的類型及方案選擇加工中心主傳動系統(tǒng)主要有以下四種形式。1）帶有變

34、速齒輪的主傳動 大中型數控機床采用這種變速方式。如圖2-2（a）所示，通過少數幾對齒輪降速，擴大輸出轉矩，以滿足主軸低速時對輸出轉矩特性要求。數控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速。滑移齒輪的移位大都采用液壓缸加撥叉，或者直接采用由液壓缸帶動齒輪來實現。2）通過帶傳動的主傳動 如圖2-2（b）所示，這種傳動主要應用于轉速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調速就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動引起的振動與噪聲。適用于高速、低轉矩特性要求的主軸。常用V帶或同步齒形帶。本次設計的立式加工中心的主傳動系統(tǒng)即采用同步齒形帶，具體選擇原理及方案將在后文

35、詳述。3）用兩個電動機分別驅動主軸 如圖2-2（c）所示，這是上述兩種方案的結合，具有上述兩種性能。高速時電動機通過帶輪直接驅動主軸旋轉；低速時，另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅動主軸旋轉，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴大了變速范圍，克服了低速時轉矩不夠且電動機功率不能充分利用的缺陷。4）內裝電動機主軸 如圖2-2（d）所示，高速主軸要求在極短時間內實現升降速，在指定位置快速準停，這就要求主軸具有很高的角加減速度。通過齒輪或傳動帶這些中間環(huán)節(jié)，常常會引起較大振動和較大噪聲，而且增加了轉動慣量。為此將主軸電動機與主軸合而為一，制成電主軸，即主軸與電動機轉子合為一體。電動

36、機的軸就是主軸本身，而電動機的定子被拼入在主軸內。實現無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，是主軸高速單元的理想結構。電主軸是最近幾年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術，它與直線電機技術、高速刀具技術一起，將把高速加工推向一個新時代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置等。電主軸所融合的技術有以下幾個方面：（1）高速軸承技術 電主軸通常采用復合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承，或靜壓軸承，內外圈不接觸，理論上壽命無限長。 （2）高速電機技術 電主軸是電機與主軸融合在一起的產物，電機的轉

37、子即為主軸的旋轉部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電機，其關鍵技術是高速度下的動平衡。（3）潤滑 電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應的速度要受到影響。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油，所謂定量，就是通過一個叫做定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的注油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發(fā)熱。（4）冷卻裝置 為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。（5）內置脈沖編碼器 為了實現自動換刀及剛性攻絲，電

38、主軸內置一脈沖編碼器，以實現準確的相位控制以及與進給的配合。（6）自動換刀裝置 為了適用于加工中心，電主軸配備了能進行自動換刀的裝置，包括碟形簧、拉刀油缸。（7）高速刀具的裝卡方式 常用的BT、ISO刀具，已不適合于高速加工。這種情況下出現了HSK、SKI等高速刀柄。（8）高速變頻裝置 要實現電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速，必須用高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電機，變頻器的輸出頻率甚至需要達到幾千赫茲。由于取消了主軸齒輪箱的傳動與電動機的連接，因而主軸組件結構更緊湊、質量小、慣量小，可提高啟動、停止的響應特性，并利于控制振動和噪聲。缺點同樣是熱變形問題，即電動機運轉產生的熱量易使主軸產

39、生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內裝電動機主軸的關鍵問題。例如日本研制的某立式加工中心主軸組件，其內裝電動機主軸最高轉速可達20000r/min。目前高速主軸已商品化，如瑞士IBAG主軸制造廠生產的主軸單元，其轉速可達到1200014000 r/min，直徑范圍33300mm，功率范圍12580kW，轉矩范圍0.02300Nm。美國Precise公司研制的SC40/120主軸，最高主軸轉速達到120000 r/min。圖2-2 主傳動的四種配置方式第3章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數計算3.1 計算切削功率切削性能參考值（工件材料45）：采用硬質合金鋼刀具（面銑刀），面銑時 ，刀具直徑100mm

40、，刀齒數6，切削深度5mm，切削寬度60mm，主軸轉速8000rpm，進給速度500mm/min。略，要全套的QQ435054557。切削功率 綜上，可取切削功率 。3.2 計算主傳動功率機床主傳動系統(tǒng)的參數有動力參數和運動參數。動力參數是指主運動驅動電機的功率，運動參數是指主運動的變速范圍。1）主傳動功率 機床主傳動的功率P可根據切削功率PC與主運動傳動鏈的總效率來確定。略，要全套的QQ435054557。根據金屬切削手冊（文獻8）P6.40表6-14查的銑削速度v =80 mm/min。加工中心主傳動的總效率一般可取為=0.700.85,加工中心的主傳動多用調速電機和有限的機械變速傳動來實

41、現，傳動鏈較短，因此，效率可取較大值。主傳動中各傳動件的尺寸都是根據其傳動功率確定的，如果傳動功率定得過大，將使傳動件的尺寸粗大而造成浪費，電動機常在低負載下工作，功率因數很小而浪費資源。如果功率定得過小，將限制機床的切削加工性能而降低生產率。因此，要較準確合適地選用傳動功率。由于加工情況多變，切削用量變化范圍較大，加之對傳動系統(tǒng)因摩擦等因素消耗的功率也難于掌握，因此，單純用計算的方法來確定功率尚有困難，通常要用類比、測試、理論計算等幾種方法相互比較來確定。這里按較高的傳動效率取值，取=0.71，則：主傳動功率 kW 取Kw3.3 確定電動機型號根據現代實用機床設計手冊（下冊）（文獻12），選

42、擇主軸電動機。這里選擇FANUC交流主軸電動機。型號為8型，連續(xù)負載7.5kW，短時負載30min，11kW，額定轉速1500r/min，最大轉速6000r/min，輸出力矩47.7Nm，轉動慣量。3.4 同步帶帶傳動的計算1) 設計功率根據工作機為加工中心，原動機為交流電動機，每天兩班制工作（按16h計），由機電裝備設計（文獻6）P122表3-12查得。故設計功率為：式中： 傳遞的功率， 載荷修正系數。略，要全套的QQ435054557。表3-9查得其外徑。5) 小帶輪齒數式中： 小帶輪轉速； 大帶輪轉速。小帶輪齒數 ，采用優(yōu)先齒數，取。6) 小帶輪節(jié)圓直徑式中： 節(jié)距。按小帶輪齒數，同步帶

43、帶型為H型，由機電裝備設計（文獻6）P120表3-9查得其外徑7) 帶速式中： 小帶輪節(jié)圓直徑； 小帶輪轉速。8) 初定軸間距經驗公式： （3.2）式中： 小帶輪節(jié)圓直徑； 大帶輪節(jié)圓直徑。將，值代入公式（3.2），得。故取。9) 帶長及其齒數。略，要全套的QQ435054557。式中： 帶長； 初定軸間距； 小帶輪節(jié)圓直徑； 大帶輪節(jié)圓直徑。按帶長，同步帶的帶型為H型，由機電裝備設計（文獻6）P114表3-3查得應選用帶長代號為的H型同步帶，節(jié)線長，節(jié)線長上的齒數。10) 實際軸間距。略，要全套的QQ435054557。11) 小帶輪嚙合齒數式中： 小帶輪嚙合齒數； 節(jié)距。12) 基本額定功

44、率按照同步帶的帶型為H型，由機電裝備設計（文獻6）P124表3-13查得帶的許用工作拉力，帶的單位長度的質量?；绢~定功率為：式中： 寬度為的帶的許用工作拉力 寬度為的帶單位長度的質量13) 帶寬按同步帶的帶型為H型，由機電裝備設計（文獻6）P124表3-13查得：；按小帶輪嚙合齒數，當，嚙合齒數系數。帶寬為：式中： 嚙合齒數系數 同步帶的基準寬度， 按照帶寬，同步帶帶型為H型，由機電裝備設計（文獻6）P116表3-6確定選帶寬代號為的H型帶，其帶寬14) 作用在軸上的力式中： 作用在軸上的力； 設計功率； 帶速。15) 帶輪的結構和尺寸傳動選用的同步帶為大帶輪：，小帶輪：，第4章 主軸組件主

45、軸組件是機床的重要部件之一，它是機床的執(zhí)行件。它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成形運動。主軸組件由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成。由于數控機床的轉速高，功率大，并且在加工過程中不進行人工調整，因此要求良好的回轉精度、結構剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及精度的保持性。對于自動換刀的數控機床，為了實現刀具在主軸上的自動裝卸和夾持，還必須有刀具的自動夾緊裝置、主軸準停裝置和切屑清除裝置等機構。主軸組件的工作性能對整機性能和加工質量以及機床生產率有著直接影響，是決定機床性能和技術經濟指標的重要因素。因此，對主軸組件有較高的要求。4.1 主軸組件的

46、性能要求加工中心主軸組件應有更高的動、靜剛度和抵抗熱變形的能力。它的性能，對整機床性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉速范圍又很大，所以對主軸組件的主要。略，要全套的QQ435054557。為主軸的徑向回轉誤差。端面誤差一般以包括主軸所在平面內的直角坐標系的垂直度數據綜合表示。動態(tài)測量是用一標準球裝在主軸中心線上，與主軸同時旋轉；在工作臺上安裝兩個互成90角的非接觸傳感器，通過儀器記錄回轉情況。間接測量是采用小切削量加工有色金屬試件，然后在圓度儀上測量試件的圓度來評價。出廠時，普通級加工中心的回轉精度用靜態(tài)測量法測量，當L=300mm時允許誤差應小于0.02mm。造成主軸回轉誤差的主要原因

47、是由于主軸的結構及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉零件的不平衡，在回轉時引起的激振力，也會造成主軸的回轉誤差。因此加工中心的主軸不平衡量一般要控制在0.4mm/s的范圍內。2）剛度 主軸組件的剛度是指主軸組件在外力（例如切削力）的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。通常以主軸前端產生單位位移時，在位移方向上所施加的作用力大小來表示。在主軸前端部加一作用力F，若主軸端的位移量為y，則主軸組件的剛度值 （N/m）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，主軸將產生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質量，還容易引起振動，惡化傳動件和軸承

48、的工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸尺寸、支承跨距、所選用的軸承類型及配置形式、軸承間隙的調整、主軸上傳動元件的位置等有關。設計時應在其他條件允許的條件下，盡量提高剛度值。3）抗振性 指主軸組件在切削過程中抵抗強迫振動和自激振動保持平穩(wěn)運轉的能力。抗振性直接影響加工表面質量和生產率的提高，使刀具耐用度下降。提高主軸抗振性必須提高主軸組件的靜剛度，采用較大阻尼比的前軸承，以及在必要時安裝阻尼（消振）器。另外，使主軸的固有頻率遠遠大于激振力的頻率。4）溫升和熱變形 主軸組件在運轉中，溫升會引起兩方面的不良結果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉中心線和機床其他件的相對

49、位置會發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次溫升會改變軸承等元件的間隙，破壞潤滑條件，加速磨損甚至抱軸，影響軸承的正常工作。加工中心在解決溫升問題時，一般采用恒溫主軸箱。5）耐磨性 指長期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤滑方式。主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便能長期保持精度。主軸上易磨損的地方刀具或工件的安裝部位以及移動式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應該淬硬，或者經過氮化處理，以提高其硬度增加其耐磨性。主軸軸承也需有良好的潤滑，提高其耐磨性。4.2 主軸主軸是主軸組件的重要組成部分。它的結構尺寸和形狀、制造精度、材料及其熱處理，對主軸組件的工作性能有很大

50、的影響。同時，主軸結構要保證各零件定位可靠、工藝性好等要求。4.2.1 主軸的結構參數主軸的主要尺寸參數包括主軸直徑、內孔直徑、懸伸長度和支承跨距。見圖4-1。評價和考慮主軸的主要尺寸參數的依據是其主軸的剛度、結構工藝性和主軸組件的工藝適用范圍。圖4-1 主軸主要參數示意圖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增大。軸承的直徑越大，同等級精度軸承的公差值也越大，要保證主軸的旋轉精度就越困難。同時極限轉速下降。主軸前支承軸頸的直徑可根據主電動機功率初步選擇。主軸后端支。略，要全套的QQ435054557。4）主軸的支撐跨距 主軸前支撐點至主軸后支承點之間的距離

51、稱為跨距，主軸組件的支撐跨距對主軸本身剛度和對支承剛度有著很大的影響?？缇鄬C合剛度K的影響不是單向的。如較大，則主軸變形較大；如較小，則軸承的變形對主軸前端的位移影響較大。所以，有一個最佳值，太大或太小，都會降低綜合剛度。4.2.2 主軸軸端結構主軸的結構主要取決于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承和密封裝置等的類型、數目、位置和安裝定位方法，同時還要考慮主軸加工和裝配的工藝性。一般在機床主軸上裝有較多的零件，為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設計成階梯軸，即軸徑從前軸頸起向后遞減。主軸是空心的或者是實心的，主要取決與機床的類型。主軸端部是指主軸前端，它的形狀決定

52、于機床的類型、安裝夾具或刀具的形式，并應保證夾具或刀具安裝可靠、定位準確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。由于夾具和刀具都已標準化，因此通用機床主軸端部的形狀和尺寸也已標準化。下圖所示為普通機床和數控機床所通用的幾種主軸端部的結構形式。 圖4-2 主軸的軸端形式(a)車床主軸端部 (b)銑、鏜類機床主軸端部 (c)外圓磨床砂輪主軸端部 (d)內圓磨床砂輪主軸端部 (e)普通鏜桿裝在鉆床主軸上的端部 (f)組合機床主軸端部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、定位剛度好、裝卸方便，同時使主軸的懸伸長度短。短錐法蘭結構有很高的定位精度，主軸的懸伸長度短，大大提高了主軸的

53、剛度。本次設計的立式小型加工中心主軸前端結構即有錐孔，用于插入銑刀錐柄或刀桿尾錐時定位，再由拉桿從主軸后端拉緊防止切削時銑刀和主軸之間有相對松動。這里裝夾BT40刀柄、刀桿。主軸端面上有四個螺孔和兩個端面長鍵，螺孔用來固定銑刀，端面鍵既可傳遞刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位。所以選擇主軸序號為40的主軸端部尺寸，軸端形式為圖4-2（b）所示。4.2.3 主軸的材料和熱處理評價和考慮主軸主要尺寸參數的依據是主軸的剛度、結構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剛度、載荷特點、耐磨性、熱處理變形大小等因素確定。主軸的剛度與材料的彈性模量E有關，鋼的E值較大（E=2.1107 N/

54、cm2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的數值與鋼的種類和熱處理方式無關，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量基本相同。因此在選擇鋼料時應首先選用價格便宜的中碳鋼，只有在載荷特別重和有較大的沖擊時，或者精密機床主軸需要減小熱處理后的變形時，或者軸向移動的主軸需要保證其耐磨性時，才考慮選用合金鋼。這里主軸選用40Cr。由于這里主軸軸承選用滾動軸承，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，對40Cr主軸進行高頻淬火（4050HRC）。4.2.4 主軸主要精度要求主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉精度。主軸、軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和

55、表面粗糙度，關系到接觸剛度。零件接觸表面形狀越準確，表面粗糙度越小，則受力后的接觸變形越小，亦即接觸剛度越高。因此，對主軸設計必須提出一定的技術要求，它主要包括主軸各配合表面的尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度、表面硬度等內容，并應在主軸零件圖上標注準確、合理。1）前支承軸承軸頸的同軸度約為5m左右。2）軸承軸頸需按軸承內孔“實際尺寸”配磨，且需保證配合過盈15m。3）錐孔與軸承軸頸的同軸度為35m，與錐面的接觸面積不小于80%，且大端接觸較好。4）影響主軸旋轉精度的主要因素采用滾動軸承的主軸部件，影響其旋轉精度的主要因素有：滾動軸承、支承孔、主軸及主軸部件安裝調整相關零件的制造精度和裝配質量。（

56、1）軸承制造誤差的影響 軸承制造誤差主要是：軸承內、外圈滾道的偏心引起的滾道徑向跳動；軸承滾道的圓度誤差和坡度引起的滾道的形狀誤差；滾道的端面跳動；滾動體直徑不一致、形狀誤差等引起主軸的徑向跳動和軸向竄動。（2）軸承間隙的影響。（3）主軸的制造誤差的影響 主軸制造誤差主要是：主軸軸頸的圓度、主軸軸肩對主軸軸線的垂直度、主軸軸頸的軸線與主軸定位面軸線之間的偏心距等誤差，引起主軸回轉的徑向跳動和軸向竄動。（4）主軸箱支承孔制造誤差的影響 主軸箱支承孔制造誤差主要是：孔的圓柱度、孔階與孔軸線的垂直度以及前后兩孔的同軸度等誤差，引起主軸回轉的徑向跳動和撓動。4.2.5 主軸的結構尺寸計算1）主軸軸徑的

57、確定主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對于主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承值的限制，同時造成相配零件尺寸加大、制造困難、結構龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應取較小值。設計時主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑。加工中心主軸前軸頸直徑按主電動機功率來確定，由機械制造裝備設計（文獻2）P146表3-1查得。由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸徑后，可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關系：2）主軸內孔直徑的確定主軸內孔直徑與機床類型有關，主要用來通過

58、棒料，通過拉桿、鏜桿或頂出頂尖等。確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應盡量取大值。由經驗得知，當時（是主軸平均直徑），主軸剛度會急劇下降；而當時，內孔對主軸剛度幾乎無影響，可忽略不計，所以常取孔徑的極限值為：此時，剛度削弱小于。按照任務書的要求及綜合各軸段直徑的實際大小，確定內孔直徑。4）主軸懸伸量的確定主軸懸伸量是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點（一般即為前徑向支承中點）的距離。它主要取決于主軸端部結構型式和尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等，有的還與機床其他結構參數有關，如工作臺的行程等，因此主要由結構設計確定。懸伸量值

59、對主軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。因此，確定懸伸量的原則，是在滿足結構要求的前提下盡可能取小值，同時應在設計時采取措施縮減值。5）主軸支承跨距的確定支承跨距是指主軸相鄰兩支承反力作用點之間的距離?？缇嗍菦Q定主軸系統(tǒng)動、靜剛度的重要影響因素。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。最優(yōu)跨距是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時的跨距。其推導公式是在靜態(tài)力作用下進行的。實驗證明，動態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得的最優(yōu)值。最優(yōu)跨距可按下列公式計算： （4.1）式中： （4.2） （4.3）式中： 主軸前端懸伸長，單位為； 材料的彈性模量，單位為； 軸慣性矩，單。略，要全套的

60、QQ435054557。式中： 主軸跨距部分的平均直徑，單位為； 主軸跨距部分的平均孔頸，單位為。 由式（4.4）得：；， ；由主軸材料為40Cr查得材料的彈性模量；由主軸的結構形式確定主軸前端懸伸長將上述參數值代入公式(4.4)(4.3)，得，將，值代入公式（4.1），得 按照結構設計的要求，取。由于，故滿足設計要求。4.2.6 主軸受力分析軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。(a) 受力簡圖(b) 水平面受力(c) 水平面彎矩圖(d) 垂直面受力(e) 垂直面彎矩圖(f)